陽(yáng)世榮

（中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430064）

1 引言

隨著世界能源緊缺趨勢(shì)的進(jìn)一步加劇，在燃油價(jià)格上漲與運(yùn)費(fèi)下跌的雙重作用下，國(guó)際航運(yùn)業(yè)面臨著巨大壓力［1］。船舶節(jié)能技術(shù)通過(guò)提高能源利用效率，能夠在船舶所攜能源不增加的前提下，盡量提升續(xù)航力；或者在維持同樣續(xù)航力的前提下，減少能源裝載以增加貨物裝載，從而緩解國(guó)際航運(yùn)業(yè)面臨的成本壓力，也符合當(dāng)前國(guó)家節(jié)能減排的政策要求。因此，船舶節(jié)能技術(shù)已成為當(dāng)前船舶設(shè)計(jì)、制造及航運(yùn)行業(yè)的研究熱點(diǎn)。

推進(jìn)負(fù)荷與輔機(jī)負(fù)荷是船舶的兩大能耗對(duì)象。目前，船舶節(jié)能技術(shù)研究主要側(cè)重于推進(jìn)節(jié)能方面，如優(yōu)化推進(jìn)主機(jī)提高能源利用效率、改進(jìn)螺旋槳提高推進(jìn)效率、優(yōu)化船型降低航行阻力、減少船體表面附著物降低粘性阻力等等［1～4］。然而，船舶輔機(jī)節(jié)能技術(shù)研究尚未得到足夠的重視。船舶輔機(jī)主要包括數(shù)量眾多的泵與風(fēng)機(jī)，一般由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此船舶輔機(jī)是船舶電網(wǎng)的主要用電負(fù)荷。由于船舶所攜能源有限，輔機(jī)耗電量過(guò)大必然會(huì)占用船舶主推進(jìn)設(shè)備所需的能源份額，影響船舶航行續(xù)航力的提升，從而導(dǎo)致航運(yùn)成本增加。所以，研究輔機(jī)節(jié)能技術(shù)，降低輔機(jī)的耗電量，是實(shí)現(xiàn)船舶節(jié)能的重要途徑。

輔機(jī)一般用于向船舶各系統(tǒng)提供水量、風(fēng)量及油量等，輔機(jī)的功耗與其提供的介質(zhì)流量、揚(yáng)程等有關(guān)。根據(jù)當(dāng)前的設(shè)計(jì)規(guī)范，輔機(jī)額定功率一般按照滿足系統(tǒng)最大工況需求的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，而輔機(jī)的控制方式往往只有簡(jiǎn)單的啟動(dòng)、停止控制，因此輔機(jī)一旦開(kāi)機(jī)就運(yùn)行在額定功率或接近額定功率的范圍內(nèi)。但是，系統(tǒng)的實(shí)際工況需求一般不會(huì)達(dá)到最大值，因此，輔機(jī)經(jīng)常處于“大馬拉小車(chē)”的工作狀態(tài)，造成了大量的能源浪費(fèi)現(xiàn)象。所以，通過(guò)改進(jìn)輔機(jī)控制方式，實(shí)現(xiàn)輔機(jī)輸出功率的實(shí)時(shí)平滑可調(diào)，進(jìn)而根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際工況需求實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輔機(jī)的功率輸出，就能夠達(dá)到輔機(jī)節(jié)能的目的。由于船舶系統(tǒng)的實(shí)際工況需求與航行工況、外部海洋環(huán)境等諸多因素相關(guān)，且變化情況多樣，要實(shí)現(xiàn)輔機(jī)功率與系統(tǒng)實(shí)際工況需求的最佳匹配必然是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題。因此，輔機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)必須具備知識(shí)學(xué)習(xí)能力和自適應(yīng)能力，其控制模型不只是單一的數(shù)學(xué)解析模型，而是數(shù)學(xué)解析模型與專(zhuān)家知識(shí)系統(tǒng)相結(jié)合的廣義模型，即所謂智能控制系統(tǒng)［5］。

本文介紹了一種基于智能控制的船舶輔機(jī)節(jié)能技術(shù)，通過(guò)智能控制，實(shí)現(xiàn)輔機(jī)輸出功率的實(shí)時(shí)平滑可調(diào)，并且匹配系統(tǒng)實(shí)際的工況需求，從根本上消除“大馬拉小車(chē)”的能源浪費(fèi)現(xiàn)象，降低輔機(jī)的能耗。

2 智能控制的節(jié)能原理

如前文所述，船舶輔機(jī)大多為風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載［6～7］，以滿足船舶各系統(tǒng)的風(fēng)量、水量、油量等需求。隨著船舶航行工況、航行海區(qū)的海洋環(huán)境、季節(jié)或晝夜的變化，船舶各系統(tǒng)的風(fēng)量、水量、油量等需求也在不斷變化。因此，要實(shí)現(xiàn)輔機(jī)節(jié)能，輔機(jī)的流量輸出必須自適應(yīng)的跟隨系統(tǒng)需求變化，以實(shí)現(xiàn)功率的最佳匹配，而對(duì)復(fù)雜環(huán)境的自適應(yīng)能力正是智能控制系統(tǒng)的顯著特征［8］。

由于船舶輔機(jī)的額定功率一般按滿足最大流量需求的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此，船舶輔機(jī)的流量調(diào)節(jié)大多為向下調(diào)節(jié)。對(duì)風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載而言，改變流量的方式一般有兩種：1）改變管路的阻力特性，最常用的方法就是調(diào)節(jié)管路上閥門(mén)的開(kāi)度；2）改變風(fēng)機(jī)或泵的流量揚(yáng)程特性，即改變轉(zhuǎn)速。

目前，由于風(fēng)機(jī)、泵的控制大多為簡(jiǎn)單的啟、?？刂?，所以改變流量通常采用方式1），即調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度。當(dāng)需要減小流量時(shí)，則減小出口處風(fēng)門(mén)或閥門(mén)的開(kāi)度，此時(shí)管路阻力增加，風(fēng)機(jī)、泵的出口壓力增高，流量減小，閥門(mén)兩端的壓力差增大，但是，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速基本不變，電功率基本不變，大量電能白白浪費(fèi)在管路損失上。同時(shí)，閥門(mén)的振動(dòng)和磨損也增加，進(jìn)而縮短使用壽命。因此，這種方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)輔機(jī)節(jié)能。

智能調(diào)速控制則為方式2）的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)途徑，根據(jù)系統(tǒng)工況需求變化自適應(yīng)的改變風(fēng)機(jī)、泵的轉(zhuǎn)速，從而改變風(fēng)機(jī)或泵的流量揚(yáng)程特性，能夠取得明顯的節(jié)能效果。下面以水泵為例進(jìn)行具體分析。

智能調(diào)速節(jié)能的關(guān)鍵點(diǎn)在于提高了水泵的能量利用率。能量利用率是對(duì)水泵機(jī)組能耗評(píng)價(jià)的重要標(biāo)志。能量利用率η的表達(dá)式如式（1）或式（2）所示：

式中，ηp為泵的運(yùn)行效率；ηm為電機(jī)的運(yùn)行效率；HB為需要泵的揚(yáng)程；HA為泵出口的實(shí)際揚(yáng)程；HΔ為泵的剩余揚(yáng)程，HΔ＝HA－HB。

由式（1）與式（2）可知，要提高能量利用率，就應(yīng)提高泵和電機(jī)的運(yùn)行效率，減小泵的剩余揚(yáng)程。當(dāng)泵和電機(jī)已經(jīng)確定時(shí)，泵組的能量利用率主要與泵的剩余揚(yáng)程有關(guān)。智能調(diào)速節(jié)能主要是通過(guò)減少剩余揚(yáng)程來(lái)提高能量利用率的。如圖1所示，M為管路調(diào)節(jié)閥門(mén)全開(kāi)時(shí)的工作點(diǎn)，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速n、流量qVM、揚(yáng)程HM和管路特性曲線I。當(dāng)泵的流量需要減小時(shí)，采用降低轉(zhuǎn)速的方式，管路阻力特性曲線I沒(méi)有變化，泵的特性曲線平行下移，管路系統(tǒng)的工作點(diǎn)從M點(diǎn)移至B點(diǎn)，泵的出口揚(yáng)程與管路總壓降相等，HΔ＝0，沒(méi)有揚(yáng)程損失。根據(jù)相似原理，調(diào)速后的泵的效率近似相等，泵仍處在高效區(qū)運(yùn)行，因此，智能調(diào)速控制能夠提升泵的能量利用率，從而降低能耗。

如果采用減小閥門(mén)開(kāi)度的方式減小流量，如圖1所示，管路的阻力特性曲線上移由I變?yōu)镮′，泵轉(zhuǎn)速基本不變，其特性曲線也不變，管路系統(tǒng)新的工作點(diǎn)為A點(diǎn)，此時(shí)，泵的出口揚(yáng)程大于管路需要的泵揚(yáng)程HB，剩余揚(yáng)程消耗在調(diào)節(jié)閥節(jié)流上，造成節(jié)流損失，而且泵的工作點(diǎn)往往偏離了高效區(qū)，水泵的能量利用率較低，造成不必要的浪費(fèi)。

風(fēng)機(jī)、泵是典型的平方轉(zhuǎn)矩類(lèi)型負(fù)載，其流量q、揚(yáng)程H、功率P和轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系如式（3）所示。

圖1 調(diào)速方式減小流量與截流方式減小流量的對(duì)比

從式（3）可以看出，風(fēng)機(jī)、泵的流量與配套電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，所消耗的電功率與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比，且電功率正比于流量與揚(yáng)程的乘積。所以圖1中陰 影部 分 面 積 HA－A－BHB表示采用調(diào)速方式減小流量時(shí)所節(jié)省的電能。

從上述分析可以看出，采用智能控制調(diào)速的方式減小流量，能夠取得明顯的節(jié)能效果，尤其是當(dāng)輔機(jī)處于連續(xù)運(yùn)行工作制的條件下時(shí)，節(jié)省的電能是相當(dāng)可觀的。

需要說(shuō)明的是，從圖1和式（3）可以看出，當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速降低時(shí)，水泵的揚(yáng)程也成平方關(guān)系下降，因此，應(yīng)用智能控制技術(shù)進(jìn)行輔機(jī)節(jié)能時(shí)，還必須考慮揚(yáng)程是否能滿足系統(tǒng)的要求。因而調(diào)速范圍不能太大，一般在額定轉(zhuǎn)速70%～100%的范圍之內(nèi)［9］。

3 輔機(jī)智能控制節(jié)能技術(shù)方案

根據(jù)上文的分析結(jié)論，采用智能調(diào)速控制能夠有效的降低輔機(jī)能耗。目前，應(yīng)用最廣泛的船舶輔機(jī)電動(dòng)機(jī)為交流異步電動(dòng)機(jī)。交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式如式（4）所示。

式（4）中，n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；f為供電頻率；p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。

從式（4）可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速與供電頻率成正比，因此采用變頻的方式對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)是最佳的調(diào)速方式。隨著大功率電力電子器件發(fā)展日新月異，電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展也日益成熟，為船舶輔機(jī)運(yùn)行的變頻調(diào)速節(jié)能提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

根據(jù)式（1）與式（2），提升電動(dòng)機(jī)效率是減少輔機(jī)能耗的有效途徑。特別對(duì)于航行期間處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)的輔機(jī)，如冷卻水泵、滑油泵、通風(fēng)機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)等，即使電動(dòng)機(jī)效率僅提高一點(diǎn)點(diǎn)，整個(gè)航行期間累計(jì)節(jié)省的電能也是相當(dāng)可觀的。目前在船舶上得到廣泛應(yīng)用的交流異步電機(jī)只有工作在額定點(diǎn)附近時(shí)才能保證較高的效率和功率因數(shù)，當(dāng)因工況需求變化要求將轉(zhuǎn)速調(diào)至偏離額定工作點(diǎn)時(shí)，其效率和功率因數(shù)將大幅下降，能耗將大幅增加。因此，要提升電動(dòng)機(jī)效率則必須采用新的高效節(jié)能型電機(jī)。

近年來(lái)發(fā)展迅速的永磁同步電動(dòng)機(jī)，為解決船舶輔機(jī)電動(dòng)機(jī)存在的上述問(wèn)題、提高電動(dòng)機(jī)能效，提供了一條新的技術(shù)途徑。永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子由永磁體材料構(gòu)成，轉(zhuǎn)子側(cè)無(wú)感應(yīng)電流，不存在轉(zhuǎn)子磁滯損耗和渦流損耗［10］，提高了電機(jī)效率；由于無(wú)需轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，電機(jī)功率因數(shù)可接近于1［10］，減小了定子電流，進(jìn)一步提高了電機(jī)效率，同時(shí)也改善了電網(wǎng)品質(zhì)，降低了網(wǎng)損；全功率范圍內(nèi)效率高，即使負(fù)載降低到額定負(fù)載的25%時(shí)，永磁電動(dòng)機(jī)效率仍可達(dá)到90%以上，特別適用于具有調(diào)速需求的應(yīng)用場(chǎng)合。另外，永磁電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，在需要重載啟動(dòng)的輔機(jī)系統(tǒng)中，可以用較小容量的永磁電機(jī)替代較大容量的一般電機(jī)，能夠克服“大馬拉小車(chē)”的現(xiàn)象［11］。此外，永磁電動(dòng)機(jī)還具有溫升低、體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，并且不存在電刷，維護(hù)性好，特別適合作為船舶輔機(jī)電動(dòng)機(jī)。

采用變頻調(diào)速和永磁電動(dòng)機(jī)解決了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和電機(jī)效率問(wèn)題后，還必須解決輔機(jī)功率調(diào)節(jié)自適應(yīng)系統(tǒng)工況需求變化的問(wèn)題，這就要求輔機(jī)智能控制系統(tǒng)必須采集系統(tǒng)運(yùn)行工況信息，并進(jìn)行計(jì)算和辨識(shí)，從而自適應(yīng)的調(diào)節(jié)輔機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)能量最佳匹配。

以船舶冷卻水泵為例，典型的輔機(jī)智能控制節(jié)能技術(shù)方案如圖2所示。

圖2 船舶冷卻水泵智能控制節(jié)能技術(shù)方案

圖2中，1為永磁同步電動(dòng)機(jī)，2為變頻調(diào)速控制器，3為入口溫度傳感器，4為出口溫度傳感器，5為入口壓力傳感器，6為出口壓力傳感器，7為流量傳感器，8為船舶冷卻水泵，9為船舶熱負(fù)荷。該節(jié)能技術(shù)方案的基本工作原理如下：

1）變頻調(diào)速控制器2根據(jù)所接收的船舶熱負(fù)荷9的工況狀態(tài)信號(hào)，確定船舶熱負(fù)荷9的實(shí)際運(yùn)行工況；

2）變頻調(diào)速控制器2根據(jù)入口溫度傳感器3、出口溫度傳感器4傳送的冷卻水進(jìn)、出口溫度信號(hào)，以及入口壓力傳感器5、出口壓力傳感器6傳送的冷卻水進(jìn)、出口壓力信號(hào)，并結(jié)合熱負(fù)荷運(yùn)行工況需求，實(shí)時(shí)計(jì)算求出滿足船舶熱負(fù)荷9實(shí)際運(yùn)行工況所需的冷卻水給定流量值；

3）變頻調(diào)速控制器2根據(jù)流量傳感器7傳送的冷卻水實(shí)際流量信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓和電流的大小、頻率，以改變永磁同步電動(dòng)機(jī)1的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)船舶冷卻水泵8的供水流量，使得實(shí)際流量與給定流量一致，經(jīng)濟(jì)節(jié)能地滿足船舶熱負(fù)荷9的實(shí)際工況冷卻水需求。

因此，采用智能控制技術(shù)方案，能夠根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需求自適應(yīng)的調(diào)節(jié)輔機(jī)功率輸出，實(shí)現(xiàn)流量既不多給也不少給，從而杜絕了電能浪費(fèi)現(xiàn)象，達(dá)到輔機(jī)節(jié)能的目的。

4 基于船舶平臺(tái)信息的多輔機(jī)系統(tǒng)智能控制節(jié)能

圖2所示智能控制方案能夠解決單臺(tái)輔機(jī)的節(jié)能技術(shù)問(wèn)題。但是，船舶平臺(tái)各系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行期間往往有多臺(tái)輔機(jī)聯(lián)合工作，并且系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況較為復(fù)雜，除了與船舶的航行工況有關(guān)之外，某一系統(tǒng)運(yùn)行還往往受到船舶平臺(tái)其他系統(tǒng)運(yùn)行工況以及航行期間各種外部環(huán)境因素的影響。因此，要實(shí)現(xiàn)聯(lián)合工作模式下的多臺(tái)輔機(jī)節(jié)能，則要求智能控制系統(tǒng)應(yīng)用信息技術(shù)獲取船舶平臺(tái)信息，如本系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行工況參數(shù)、其他相關(guān)系統(tǒng)的工況參數(shù)以及相關(guān)外部環(huán)境參數(shù)，并結(jié)合船舶系統(tǒng)運(yùn)行的專(zhuān)家知識(shí)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際工況需求進(jìn)行辨識(shí)，進(jìn)而計(jì)算得出最優(yōu)的節(jié)能運(yùn)行方案，由操作人員或控制系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行輔機(jī)控制調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)各輔機(jī)功率輸出的自適應(yīng)匹配，從而達(dá)到多輔機(jī)系統(tǒng)節(jié)能的目的。

船舶冷卻系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)及通風(fēng)系統(tǒng)都是典型的多輔機(jī)系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)中的冷卻水泵、空調(diào)系統(tǒng)中的空調(diào)裝置、通風(fēng)系統(tǒng)中的通風(fēng)機(jī)等輔機(jī)設(shè)備連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)、用電需求量大，而且其流量供給往往隨航行工況、熱負(fù)荷分布、季節(jié)、海水環(huán)境溫度等條件的變化而變化，因此應(yīng)用基于船舶平臺(tái)信息的智能控制節(jié)能技術(shù)方案，能夠取得較明顯的節(jié)能效果。

對(duì)于冷卻系統(tǒng)而言，首先應(yīng)該為冷卻水泵裝配永磁電動(dòng)機(jī)，提高設(shè)備本身的運(yùn)行效率。運(yùn)行期間可根據(jù)海洋環(huán)境溫度、船舶熱負(fù)荷工況狀態(tài)、冷卻水泵出口溫度及壓力等信息，通過(guò)實(shí)施變頻調(diào)速、冷卻水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)控制等技術(shù)措施實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)冷卻水的供給量，當(dāng)系統(tǒng)熱負(fù)荷較低或外部海水溫度較低、換熱效率較高時(shí)，可適當(dāng)降低冷卻水供給量，既能滿足系統(tǒng)溫升控制要求，又能最大程度節(jié)約電能。

對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)而言，采用變頻壓縮機(jī)及變頻調(diào)速空調(diào)風(fēng)機(jī)，根據(jù)艙室人員分布、艙室溫濕度、外部環(huán)境溫度、冷卻水溫度等信息，在滿足人員需求和艙室環(huán)境要求的前提下，自動(dòng)調(diào)節(jié)制冷量，實(shí)現(xiàn)空調(diào)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行?？照{(diào)裝置是航行期間的能耗大戶，主要是為人員服務(wù)的［12］，當(dāng)空調(diào)區(qū)域人員減少或者艙室環(huán)境溫度不高的情況下，通過(guò)調(diào)速自動(dòng)減小空調(diào)功率；當(dāng)空調(diào)區(qū)域無(wú)人時(shí)，及時(shí)關(guān)閉相應(yīng)的空調(diào)制冷，降低空調(diào)能耗。

對(duì)于通風(fēng)系統(tǒng)而言，除了應(yīng)當(dāng)采用永磁電動(dòng)通風(fēng)機(jī)組外，還可根據(jù)艙室大氣成分含量、大氣溫濕度、空氣壓力等信息，并結(jié)合航行工況狀態(tài)，采用變頻調(diào)速方式實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)供風(fēng)量。當(dāng)大氣環(huán)境質(zhì)量較好，可降低電機(jī)轉(zhuǎn)速以減少風(fēng)量供給，既節(jié)約了電能也降低了通風(fēng)噪聲。

5 結(jié)語(yǔ)

智能控制之所以能夠?qū)崿F(xiàn)船舶節(jié)能，除了應(yīng)用新型高效節(jié)能永磁電動(dòng)機(jī)提高運(yùn)行效率之外，最重要的是因?yàn)樵摷夹g(shù)從根本上改變了船舶輔機(jī)傳統(tǒng)的粗放式控制與運(yùn)行管理模式，使得輔機(jī)功率輸出能夠同步跟蹤系統(tǒng)實(shí)際需求變化，實(shí)現(xiàn)了能量的按需分配和精細(xì)管理，在滿足能量供給不多給、不少給、不滯后的前提下盡量降低輔機(jī)能耗，從而達(dá)到船舶節(jié)能的目的。

目前，倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保的智能電器及智能控制技術(shù)在電力、化工、冶金、采礦等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛，筆者認(rèn)為，在船舶行業(yè)大力推廣智能控制節(jié)能設(shè)備的技術(shù)條件已經(jīng)成熟，智能控制所能帶來(lái)的節(jié)能降耗效果，在世界能源緊張趨勢(shì)日益加劇的今天，有著積極的現(xiàn)實(shí)意義。

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