冒如權(quán)

（海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍事代表室 上海200011）

0 引 言

冷卻系統(tǒng)是保證船舶動(dòng)力裝置安全可靠運(yùn)行的輔助系統(tǒng)之一，其能帶走柴油機(jī)組及各類輔助設(shè)備運(yùn)行所產(chǎn)生的熱量，確保其正常穩(wěn)定地工作。近年來(lái)，船舶對(duì)海水系統(tǒng)防腐防漏設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高，海水、淡水管路分開(kāi)設(shè)計(jì)的中央冷卻系統(tǒng)，接觸海水管路少，總體防腐蝕能力強(qiáng)，在船舶設(shè)計(jì)中廣泛使用。

某型綜合電力推進(jìn)船設(shè)前后機(jī)艙和左右推進(jìn)電機(jī)艙各一個(gè)，需要冷卻的設(shè)備有：柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、變頻器、變壓器及輔助系統(tǒng)中央空調(diào)冷水機(jī)組等，因此冷卻系統(tǒng)較復(fù)雜且冷卻量大。為減輕船員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和節(jié)能效果，且實(shí)現(xiàn)控制自動(dòng)化，有必要采用能隨溫度自動(dòng)控制的中央冷卻系統(tǒng)控制裝置。

采用的中央冷卻系統(tǒng)［1-2］應(yīng)海水與淡水管路分開(kāi)，淡水回路為閉式循環(huán)，海水回路為開(kāi)式循環(huán)，有別于傳統(tǒng)的中央冷卻系統(tǒng)。中央冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為前、后機(jī)艙冗余的方式，海水泵、淡水泵、中央冷卻器均采用冗余設(shè)計(jì)，任何時(shí)候，前、后機(jī)艙僅一個(gè)冷卻分站正常工作，就滿足全船冷卻需求。

本系統(tǒng)的控制裝置采用西門(mén)子S7-400H型PLC冗余控制系統(tǒng)，從冷卻系統(tǒng)到控制裝置均采用冗余設(shè)計(jì)，大大提高了整套系統(tǒng)的可靠性。 淡水系統(tǒng)溫度主要通過(guò)PID調(diào)節(jié)淡水三通閥改變流過(guò)中央冷卻器的淡水流量來(lái)實(shí)現(xiàn)；海水系統(tǒng)根據(jù)船舶熱負(fù)荷變化對(duì)海水泵優(yōu)化控制，目的是控制海水流量以保證中央冷卻器滿足冷卻要求，達(dá)到節(jié)能目的，并根據(jù)船舶運(yùn)行工況的變化和各海水泵運(yùn)行時(shí)間的計(jì)算對(duì)海水泵運(yùn)行壽命進(jìn)行優(yōu)化控制。中央冷卻系統(tǒng)圖見(jiàn)圖 1［3］。

圖1 中央冷卻系統(tǒng)圖

1 控制裝置組成及工作原理

1.1 組 成

中央冷卻系統(tǒng)控制裝置主要由S7-400H型PLC 控制器［4］、ET200 分站、UPS 電源、溫度傳感器、三通調(diào)節(jié)閥、海水泵、淡水泵，中央冷卻器等組成。系統(tǒng)前、后機(jī)艙各配置一套功能完全相同的控制臺(tái)，包括觸摸式操作界面（Proface）和模擬操作板，在前、后機(jī)艙均可對(duì)控制裝置進(jìn)行監(jiān)控?？刂蒲b置從CPU、人機(jī)界面到通訊網(wǎng)絡(luò)以及電源系統(tǒng)均采用冗余設(shè)計(jì)，安全可靠性大幅提高。

1.2 工作原理

1.2.1 前、后機(jī)艙中央冷卻分站的使用選擇

中央冷卻系統(tǒng)在前、后機(jī)艙設(shè)計(jì)了2套冗余的冷卻系統(tǒng)，即前、后機(jī)艙的中冷分站，其淡水供水和回水回路均有管路和閥門(mén)進(jìn)行連接，海水回路獨(dú)立?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)船舶的運(yùn)行工況和冷卻系統(tǒng)的故障情況來(lái)選擇前、后機(jī)艙中冷分站的投用。以下是前、后機(jī)艙中冷分站投用的控制規(guī)則：

規(guī)則一 當(dāng)船舶使用岸電，所有中壓發(fā)電機(jī)組和停泊發(fā)電機(jī)組均停用時(shí)，稱為岸電狀態(tài)，此時(shí)投用后機(jī)艙的中冷分站：海水泵只需要使用小流量的停泊泵，淡水回路也使用后機(jī)艙的淡水泵。

規(guī)則二 當(dāng)船舶使用停泊發(fā)電機(jī)，中壓發(fā)電機(jī)組均停用時(shí)，稱為停泊狀態(tài)，此時(shí)投用后機(jī)艙的中冷分站：海水泵只需要使用小流量的停泊泵，淡水回路也使用后機(jī)艙的淡水泵。

規(guī)則三 當(dāng)船舶只使用前機(jī)艙的發(fā)電機(jī)組時(shí)（1號(hào)或2號(hào)或1號(hào)、2號(hào)同時(shí)用），此時(shí)投用前機(jī)艙的中冷分站：海水泵使用前機(jī)艙的海水泵，淡水回路也使用前機(jī)艙的淡水泵。

規(guī)則四 當(dāng)船舶只使用后機(jī)艙的發(fā)電機(jī)組時(shí)（3號(hào)或4號(hào)或3號(hào)、4號(hào)同時(shí)用），此時(shí)投用后機(jī)艙的中冷分站：海水泵使用后機(jī)艙的海水泵，淡水回路也使用后機(jī)艙的淡水泵。

規(guī)則五 當(dāng)船舶既使用1號(hào)、2號(hào)中壓發(fā)電機(jī)組，同時(shí)也使用3號(hào)、4號(hào)中壓發(fā)電機(jī)組時(shí)，此時(shí)前、后機(jī)艙中冷分站均投入使用：海水回路前、后機(jī)艙的海水泵均投入使用，淡水回路只使用先投入運(yùn)行發(fā)電機(jī)組的機(jī)艙淡水泵；也可以將供水、回水聯(lián)通閥組打開(kāi)，將其中一個(gè)回水閥關(guān)閉，只投用其中一側(cè)的中冷分站；另一個(gè)中冷分站備用。

規(guī)則六 當(dāng)按規(guī)則一至規(guī)則五需要切換前、后機(jī)艙中冷分站時(shí)，采用先啟動(dòng)需投用中冷分站，在成功投用后（包括淡水泵、海水泵以及相關(guān)閥門(mén)均準(zhǔn)確動(dòng)作到位），再停用另一中冷分站的原則。

當(dāng)出現(xiàn)局部故障的時(shí)候，可以人工或自動(dòng)切換海水回路和淡水回路，以保證冷卻系統(tǒng)的正常使用。

1.2.2 海水回路控制原理

后機(jī)艙中冷分站配備1臺(tái)小流量的停泊海水冷卻泵和3臺(tái)大流量海水冷卻泵；前機(jī)艙中冷分站配備3臺(tái)大流量海水冷卻泵。海水回路的控制規(guī)則為：

規(guī)則一 海水泵的優(yōu)化節(jié)能控制。根據(jù)船舶的熱負(fù)荷（三通調(diào)節(jié)閥出口溫度、海水溫度和三通調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度）來(lái)控制需要投入運(yùn)行的海水泵數(shù)量。當(dāng)三通調(diào)節(jié)閥出口淡水溫度極低時(shí)，可以停用所有海水泵；當(dāng)?shù)疁囟雀哂赥1（可根據(jù)實(shí)際情況人工設(shè)定）并且三通閥的開(kāi)度大于90%（說(shuō)明現(xiàn)有海水冷卻能力已全部發(fā)揮）時(shí)，投用2臺(tái)海水泵；其他情況投用1臺(tái)海水泵。為了防止海水泵數(shù)量頻繁改變導(dǎo)致海水泵頻繁啟停，采取了溫度設(shè)定回差處理，比如淡水溫度高于T1時(shí)投用2臺(tái)海水泵，則低于T2（略低于T1低一些）時(shí)才能恢復(fù)投用1臺(tái)海水泵。

規(guī)則二 海水泵壽命管理。在任何需要投入海水泵運(yùn)行的時(shí)候，首先投用的是運(yùn)行時(shí)間最短的海水泵，在需要停用海水泵時(shí)，首先停用時(shí)運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的海水泵。另外，根據(jù)運(yùn)行工況，設(shè)計(jì)了定時(shí)切換程序。海水泵壽命管理功能合理的安排了各海水泵的運(yùn)行時(shí)間，最大限度的延長(zhǎng)了海水泵的使用壽命。

規(guī)則三 海水泵的故障處理。在運(yùn)行泵任一故障發(fā)生時(shí)，包括不能正常啟動(dòng)、運(yùn)行中跳閘、泵出口壓力過(guò)低等，均會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)備用泵。

1.2.3 淡水回路控制原理

前、后中冷分站為艏部設(shè)備和艉部設(shè)備分別配備1臺(tái)淡水泵，同時(shí)各自另配備1臺(tái)共同備用淡水泵。以下為淡水回路控制規(guī)則：

規(guī)則一 淡水溫度控制。使用PID控制器［5］控制三通閥出口溫度。

規(guī)則二 淡水泵控制。根據(jù)1.2.1節(jié)“中冷分站的投用規(guī)則”來(lái)啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的艏、艉淡水泵。

規(guī)則三 故障處理。運(yùn)行淡水泵（艏淡水泵或艉淡水泵）故障時(shí)，啟用備用淡水泵，控制對(duì)應(yīng)的閥門(mén)開(kāi)啟。

規(guī)則四 淡水泵壽命管理。如果長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行岸電或前后機(jī)艙同時(shí)運(yùn)行中壓發(fā)電機(jī)時(shí)，每間隔一定的時(shí)間自動(dòng)切換前、后中冷分站，包括淡水泵在內(nèi)。

1.3 控制裝置

控制裝置設(shè)計(jì)了信息豐富的人機(jī)界面、完善的操作畫(huà)面以及報(bào)警系統(tǒng)和完備的故障診斷功能。

2 構(gòu)想與展望

筆者對(duì)于采用變頻海水泵的新型中央冷卻系統(tǒng)有如下設(shè)計(jì)構(gòu)想：在三通閥調(diào)節(jié)淡水溫度的基礎(chǔ)上，增加海水泵變頻控制。采用兩種控制策略，策略一：海水泵定速恒壓運(yùn)行，通過(guò)三通閥的開(kāi)度來(lái)調(diào)整經(jīng)過(guò)冷卻器的淡水流量，最終達(dá)到調(diào)節(jié)淡水溫度的目的（與當(dāng)前方案一致）；策略二：三通閥開(kāi)至最大，淡水全經(jīng)過(guò)冷卻器，以海水泵變頻調(diào)速來(lái)控制出口壓力，進(jìn)一步控制淡水出口溫度。不過(guò)，兩種策略的綜合經(jīng)濟(jì)性比較還需要通過(guò)進(jìn)一步試驗(yàn)來(lái)判斷。

3 結(jié) 論

該中央冷卻系統(tǒng)控制裝置硬件采用冗余設(shè)計(jì)。投入運(yùn)行后，系統(tǒng)運(yùn)行可靠、控制策略先進(jìn)，有效減輕船員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率和經(jīng)濟(jì)效益；系統(tǒng)經(jīng)歷了低溫和高溫環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間航行考驗(yàn)，確保綜合電力推進(jìn)船舶能在各種工況下安全可靠運(yùn)行，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

［1］董威，劉富斌，田志定.電力推進(jìn)艦船中央冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)可行性分析［J］.船舶，2004（5）：38-42.

［2］潘新祥.船舶中央冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)航海，1993（1）：10-19.

［3］田志定，韓想安.電力推進(jìn)艦船中央冷卻系統(tǒng)及其控制技術(shù)綜述［J］.船舶，2007（5）：32-35.

［4］崔向東.基于PLC的船舶中央冷卻水控制系統(tǒng)及其基本功能實(shí)現(xiàn)［J］.青島遠(yuǎn)洋船員學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，27（2）：5-8.

［5］丁睿，唐建文，董威.電力推進(jìn)船舶中央冷卻系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性建模及控制仿真［J］.制冷與空調(diào)，2006（5）：99-101.