，

(1.青島揚(yáng)帆船舶制造有限公司，山東 青島 266209；2.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071)

大型商業(yè)運(yùn)輸船舶的冷卻系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)為中央冷卻系統(tǒng)，即船上所有設(shè)備均用淡水冷卻，包括主機(jī)、輔柴油機(jī)、空壓機(jī)、空調(diào)及冷藏裝置、大氣冷凝器等。船上設(shè)置2臺(tái)(1用1備)或3臺(tái)(2用1備)電動(dòng)海水泵提供海水用于冷卻淡水，淡水用來(lái)冷卻船用設(shè)備，充分利用了海水的冷量。大型商業(yè)運(yùn)輸船舶多為無(wú)限航區(qū)，跨越緯度較大，包括冰區(qū)。在如此寬的緯度范圍內(nèi)，海水表層溫度變化也很大(4～30 ℃)；主海水冷卻泵設(shè)計(jì)參數(shù)均考慮極限設(shè)計(jì)(海水溫度32 ℃)，且留有一定的余量，冗余較大；且海水泵在航行期間持續(xù)運(yùn)行，是船上的耗電大戶。在實(shí)際使用中，海水泵幾乎是不會(huì)滿負(fù)載運(yùn)行的，存在較大的節(jié)省空間，節(jié)能潛力大。綜上考慮，設(shè)計(jì)隨海水溫度變化自動(dòng)調(diào)整冷卻水流量的控制系統(tǒng)。以205 000 DWT散貨船為例，介紹船用主海水冷卻泵改為變頻自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 工作原理

海水冷卻泵(設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1)為3臺(tái)66 kW電動(dòng)離心泵，2臺(tái)正常使用，1臺(tái)備用，自動(dòng)切換。海水泵提供海水做為冷卻介質(zhì)進(jìn)入2臺(tái)中央淡水冷卻器(設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2[1])與淡水進(jìn)行熱交換。海水冷卻系統(tǒng)見(jiàn)圖1，淡水冷卻系統(tǒng)見(jiàn)圖2，在大部分海水溫度較低海區(qū)，海水冷卻泵容量較大且為持續(xù)運(yùn)行，這樣必然消耗大量能源, 海水泵將做大量無(wú)用功, 使航行成本增加。

表1 海水泵設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 中央淡水冷卻器參數(shù)

注：換熱量為8 470 kW;冷卻面積為261 m2。

1.2 海水采用節(jié)流調(diào)節(jié)，淡水采用溫控閥調(diào)節(jié)

通過(guò)海水泵出口的閥門來(lái)調(diào)節(jié)流量，不可避免地造成較大的截留損失，高壓力等現(xiàn)象，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。而且調(diào)節(jié)速度慢，控制精度差，浪費(fèi)了大量的電能。為了保證淡水出口溫度恒定，在淡水出口總管設(shè)置氣動(dòng)三通溫控閥(見(jiàn)圖2)，隨著負(fù)載的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)旁通水流量。

1.3 海水泵電機(jī)采用Y-Δ啟動(dòng)

海水泵電機(jī)是采用Y-Δ啟動(dòng)而非直接啟動(dòng)，但啟動(dòng)電流仍然很大，為電機(jī)額定電流的3.6倍，高達(dá)370 A，這樣大的沖擊電流嚴(yán)重影響了電網(wǎng)與電機(jī)的使用壽命，同時(shí)，啟動(dòng)時(shí)的機(jī)械沖力和水泵停止時(shí)的水錘效應(yīng)容易對(duì)機(jī)械散件、閥門、管道等造成破壞，從而增加了機(jī)械設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。

圖1 海水冷卻管系

圖2 淡水冷卻管系

2 海水泵可采用的簡(jiǎn)單節(jié)能方式

2.1 設(shè)置溫度傳感器

在海水泵出口總管設(shè)PT100溫度傳感器(見(jiàn)圖1)，溫度傳感器連續(xù)測(cè)量海水溫度，信號(hào)反饋給自動(dòng)控制系統(tǒng)，海水溫度低于設(shè)定值即可自動(dòng)停止1臺(tái)泵，僅1臺(tái)泵運(yùn)行，海水溫度高于設(shè)定值時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)第2臺(tái)泵。

2.2 海水溫度的設(shè)定值

僅1臺(tái)海水泵運(yùn)行時(shí)，進(jìn)入每臺(tái)冷卻器的海水流量需減半，即為250 m3/h。依此計(jì)算(見(jiàn)表3)，要滿足系統(tǒng)換熱量不變的要求，海水溫度需要小于等于20.26 ℃。因此在自動(dòng)控制系統(tǒng)中海水溫度值設(shè)定為20 ℃，海水溫度在設(shè)定的20 ℃時(shí)，將會(huì)自動(dòng)停止1臺(tái)泵。

此方式的節(jié)能效果非常有限，海水泵不能隨著海水溫度的變化自動(dòng)調(diào)整冷卻水的流量，且負(fù)載變化時(shí)無(wú)法進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。海水溫度為20～32 ℃時(shí)，還需要2臺(tái)泵運(yùn)行，海水溫度低于20 ℃時(shí)，也無(wú)法再進(jìn)行節(jié)能調(diào)節(jié)。

表3 中央淡水冷卻器參數(shù)

注：換熱量為8 470 kW；冷卻面積261 m2。

2.3 此種節(jié)能方式的特點(diǎn)

海水泵采用此方式節(jié)能，投資成本低，系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，但節(jié)能效果不明顯，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，調(diào)節(jié)速度慢，調(diào)節(jié)范圍小，與未進(jìn)行改造的方式幾乎無(wú)差別。

3 海水泵變頻的設(shè)計(jì)應(yīng)用

變頻技術(shù)在近年來(lái)有較大的發(fā)展，已成功應(yīng)用于船舶的電力推進(jìn)與船舶設(shè)備，節(jié)能效果明顯，為船東帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。

3.1 變頻后的工作原理

1)系統(tǒng)介紹。在中央冷卻器淡水出口處安裝一只PT100溫度傳感器(見(jiàn)圖2)，連續(xù)測(cè)量冷卻器排出口總管淡水溫度，信號(hào)反饋給變頻自動(dòng)控制系統(tǒng)。設(shè)定淡水溫度值(36 ℃)，排出口監(jiān)測(cè)的溫度值反饋到自動(dòng)調(diào)頻系統(tǒng)，進(jìn)行±頻率調(diào)整，驅(qū)動(dòng)海水泵電機(jī)根據(jù)頻率的變化而改變轉(zhuǎn)速，海水泵的流量也隨之變化，由此構(gòu)成一閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

2)電氣原理。實(shí)踐中，由于變頻器投資成本較高，可采用調(diào)速與定速混合供水，根據(jù)溫度變化，第1臺(tái)海水泵變頻啟動(dòng)轉(zhuǎn)為工頻后，再變頻啟動(dòng)第2臺(tái)海水泵。考慮到同型號(hào)的水泵一調(diào)速一定速并列運(yùn)行時(shí)，雖然調(diào)度靈活，但由于無(wú)法兼顧到調(diào)速泵與定速泵的高效工作階段，此種情況下調(diào)速運(yùn)行的范圍是很小的。因此，本系統(tǒng)電氣部分設(shè)計(jì)為全變頻驅(qū)動(dòng)，原理設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3[2]，M1～M3為海水泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

圖3 電氣系統(tǒng)原理

電氣控制原理如下，設(shè)定冷卻淡水出口溫度為36 ℃。

啟動(dòng)本系統(tǒng)→1#變頻器驅(qū)動(dòng)1#海水泵電機(jī)→溫度高于設(shè)定值→系統(tǒng)由 1#變頻器+2#變頻器驅(qū)動(dòng)1#、2#海水泵電機(jī)。見(jiàn)圖4?？紤]到本系統(tǒng)各海水泵電機(jī)有冗余設(shè)計(jì)，若任一臺(tái)變頻器損壞，由PLC發(fā)出控制信號(hào)至切換裝置，系統(tǒng)可在需2臺(tái)泵工作時(shí)，1臺(tái)變頻器+工頻啟動(dòng)器工作。

即正常工作時(shí)有兩種工作狀況：①1臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻工作；②2臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻工作。在設(shè)備有故障時(shí)，即任一臺(tái)電機(jī)或變頻器發(fā)生過(guò)流、短路等狀態(tài)時(shí)，信號(hào)反饋至PLC控制器，切換裝置自動(dòng)轉(zhuǎn)換到其它備用裝置，保證系統(tǒng)的安全與可靠性。

圖4 電氣控制原理

3.2 自動(dòng)變頻控制系統(tǒng)頻率下限設(shè)定

根據(jù)主海水冷卻泵所需的最小揚(yáng)程，計(jì)算電機(jī)的最低所需轉(zhuǎn)速，進(jìn)而設(shè)定變頻最低下限。

1)水泵的特性。水泵屬于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其軸功率、轉(zhuǎn)速、流量存在如下的關(guān)系。

Q1/Q2=n1/n2

(1)

p1/p2=(n1/n2)2

(2)

P1/P2=(n1/n2)3

(3)

式中：n——電機(jī)的轉(zhuǎn)速，n1為之前的轉(zhuǎn)速，n2為降低后的轉(zhuǎn)速；

Q——流量，Q1為之前的流量，Q2為降低轉(zhuǎn)速后的流量；

p——壓力，p1為之前的壓力，p2為降低轉(zhuǎn)速后的壓力；

P——電機(jī)軸輸出功率，P1為之前的輸出功率，P2為降低轉(zhuǎn)速后的輸出功率。

2)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算頻率與流量下限，取5%冗余。

當(dāng)泵工作時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的減小，壓力也成比例減小，減小到一定程度就滿足不了系統(tǒng)的要求。根據(jù)管系的實(shí)際布置、管系阻力及壓力損失可知，泵的最小揚(yáng)程應(yīng)為11 m。因此根據(jù)最小揚(yáng)程計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率下限。

電機(jī)轉(zhuǎn)速下限：由式(2)得出電機(jī)的最小轉(zhuǎn)速1 094 r/min，取5%冗余，為1 148.7 r/min。

泵流量下限：由式(1)得出泵的最小流量為323.4 m3/h。

電機(jī)頻率下限：1 776 r/min時(shí)頻率為60 Hz，則電機(jī)最低頻率為38.8 Hz。

3)根據(jù)計(jì)算確定變頻器及PLC參數(shù)。變頻器參數(shù)設(shè)置：頻率上限 60 Hz，頻率下限38.8 Hz，頻率控制輸入信號(hào)4～20 mA (自PLC)。

PLC參數(shù)設(shè)置：內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器，考慮到系統(tǒng)熱慣性較大，初步設(shè)定PID參數(shù)為：比例10%；積分3 min；微分1 min 。

3.3 經(jīng)濟(jì)分析

3.3.1 節(jié)約燃油費(fèi)

按本船從中國(guó)行至澳大利亞1個(gè)來(lái)回的航程(約1萬(wàn)n mile)，海水平均溫度25 ℃。計(jì)算出需要海水總流量為686 m3/h。

變頻方案：泵均為變頻控制，流量343 m3/h。

由式(1)得出電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 218.3 r/min，由式(3)得出功率為21.3 kW,所需總功率P=21.3×2=42.6 kW，每小時(shí)節(jié)約功率為66×2-42.6=89.4 kW·h。

節(jié)電率為89.4/(66×2)=67.7%，

發(fā)電機(jī)組燃油消耗率為201 g/kWh，航速為14.5 kn，

1個(gè)航次節(jié)約燃油為201/1 000×89.4×(10 000÷14.5)=12 392.69 kg,

1個(gè)航次節(jié)約燃油費(fèi),按600美元/t計(jì)，約為3 792元/t，12.39×3 792=46 983元人民幣。

3.3.2 成本核算

增加66 kW變頻器(2臺(tái))，國(guó)產(chǎn)價(jià)格約為1.5萬(wàn)/臺(tái)，進(jìn)口價(jià)格約 3萬(wàn)/臺(tái)，增加PLC 控制器，約需2 000元人民幣。

減少66 kW工頻啟動(dòng)器(2臺(tái))，約6 000元人民幣。

電纜及安裝降低費(fèi)用：每臺(tái)海水泵的連接電纜原為2根3×25，改為變頻啟動(dòng)后可改為1根3×50，電纜可節(jié)省約2 200元，安裝工時(shí)費(fèi)用可節(jié)省約4 000元，總增加成本為30 000×2+2 000-6 000-2 200-4 000=49 800元

通過(guò)分析可知，船用海水泵進(jìn)行變頻改造后，該項(xiàng)目增加建造成本約為5萬(wàn)元。若采用進(jìn)口變頻器，可在2個(gè)航次(約半年)收回成本；若采用國(guó)產(chǎn)變頻器則1個(gè)航次即可收回成本，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

3.4 海水泵變頻改造后對(duì)系統(tǒng)的影響

1)改善海水系統(tǒng)的運(yùn)行條件。變頻改造后海水泵出口的流量和壓力比較平穩(wěn)，使海水泵的運(yùn)行條件得到改善，同時(shí)減少對(duì)海水出口管道、及板冷的水力沖擊。

2)延長(zhǎng)電機(jī)和海水泵的使用壽命。進(jìn)行變頻改造后，可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和軟制動(dòng)，對(duì)電機(jī)幾乎不產(chǎn)生沖擊，可延長(zhǎng)機(jī)械的使用壽命。

3)減小對(duì)調(diào)節(jié)閥的機(jī)械磨損，延長(zhǎng)調(diào)節(jié)閥的使用壽命。海水泵正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)出口流量和壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié)，避免了完全通過(guò)調(diào)節(jié)閥對(duì)流量和壓力進(jìn)行控制，減小了調(diào)節(jié)閥的機(jī)械磨損。

4)海水泵流量與壓力的調(diào)節(jié)范圍廣，調(diào)節(jié)速度快，控制精度高。

5)當(dāng)海水泵變頻器發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)可將變頻器切除， 自動(dòng)通過(guò)旁路柜切換到工頻狀態(tài)，保證海水冷卻系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3.5 變頻器改造的缺點(diǎn)

1)變頻器運(yùn)行可靠性比電磁啟動(dòng)器差，可以通過(guò)旁路柜切換到工頻狀態(tài)運(yùn)行以解決該缺點(diǎn)。

2)變頻器在工作中由于整流和變頻，易產(chǎn)生干擾電磁波，對(duì)船上的通訊電纜產(chǎn)生一定的干擾。通訊電纜敷設(shè)應(yīng)注意與變頻器電纜盡量分開(kāi)布置。

4 結(jié)論

海水泵進(jìn)行變頻改造后，節(jié)能效果顯著，且能使電機(jī)實(shí)現(xiàn)真正的軟啟動(dòng)，減小了對(duì)海水管道、調(diào)節(jié)閥、板冷的水力沖擊和磨損，使系統(tǒng)的運(yùn)行更安全可靠，并且可大幅度節(jié)省這些設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟與變頻器價(jià)格的下降，變頻技術(shù)在船舶(尤其是冰區(qū)加強(qiáng)型)海水泵上的應(yīng)用將逐漸成為新趨勢(shì)。

[1] 王榮生.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)：輪機(jī)分冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1999.

[2] 張燕賓.變頻調(diào)速應(yīng)用實(shí)踐[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.