江海濤

（廣船國際技術(shù)中心 )

機(jī)艙變頻風(fēng)機(jī)應(yīng)用

江海濤

（廣船國際技術(shù)中心 )

本文介紹52 300 DWT系列化學(xué)品/成品油船機(jī)艙變頻風(fēng)機(jī)的應(yīng)用，為日后大型船舶機(jī)艙通風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考與借鑒。

節(jié)能 變頻 機(jī)艙變頻風(fēng)機(jī)

0 前言

節(jié)能意味著節(jié)約成本，獲得更多的經(jīng)濟(jì)效益。為船上配置更多的節(jié)能設(shè)備，以便降低營運(yùn)成本，提高營運(yùn)效率，是每個(gè)船東孜孜以求的目標(biāo)。變頻技術(shù)便是眾多節(jié)能方式中的一種。

船上一般配置普通風(fēng)機(jī)給機(jī)艙通風(fēng)，風(fēng)機(jī)工作時(shí)電機(jī)以固定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，將額定新風(fēng)送進(jìn)機(jī)艙。當(dāng)機(jī)艙對新風(fēng)的需求量低于額定供風(fēng)量時(shí)，普通風(fēng)機(jī)不能隨之改變供風(fēng)量，電功率也就降不下來。采用變頻風(fēng)機(jī)，供風(fēng)量可根據(jù)需要改變，風(fēng)機(jī)可以降功率使用，從而達(dá)到節(jié)能目的。本文重點(diǎn)介紹變頻風(fēng)機(jī)在52 300 DWT油船上應(yīng)用，為今后船舶機(jī)艙通風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 變頻風(fēng)機(jī)

變頻風(fēng)機(jī)就是配備了變頻器的常規(guī)風(fēng)機(jī)。變頻器是利用半導(dǎo)體元件的通斷作用，改變電源頻率的裝置。其原理是：電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與工作電源頻率成正比關(guān)系：n=60f/p，利用變頻器改變電機(jī)工作電源頻率，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。又因?yàn)轱L(fēng)機(jī)排量與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，通過降低電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以減少風(fēng)機(jī)的排量。風(fēng)機(jī)有效功率與流量及壓頭成正比關(guān)系：功率=流量×壓頭，當(dāng)流量變小時(shí)，有效功率也隨之變小。所以，變頻風(fēng)機(jī)可以節(jié)能。

裝有變頻器的電機(jī)具備交流異步電機(jī)的軟起動(dòng)、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因數(shù)、過流/過壓/過載保護(hù)等功能。變頻風(fēng)機(jī)除節(jié)能外，還可以降低交流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，減少大功率電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對船舶電網(wǎng)的沖擊。但是變頻器價(jià)格昂貴，對于小功率的普通電機(jī)，節(jié)能效果與成本之間的性價(jià)比不太高，機(jī)艙風(fēng)機(jī)屬于較大功率的船用設(shè)備，采用變頻風(fēng)機(jī)節(jié)能效果比較明顯，節(jié)能與成本之間的性價(jià)比較高。

2 52 300 DWT油船機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)分析

52 300 DWT油船配置了4臺(tái)軸流式機(jī)艙送風(fēng)機(jī)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)量為50 000 m3/h。其中No.3及No.4號(hào)風(fēng)機(jī)為可逆轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)。必要時(shí)可逆轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)可以作為抽風(fēng)機(jī)使用。

4臺(tái)風(fēng)機(jī)均安裝在C甲板各自獨(dú)立的風(fēng)機(jī)室內(nèi)。風(fēng)機(jī)吸取新風(fēng)后排至結(jié)構(gòu)風(fēng)管，各種風(fēng)管組成機(jī)艙通風(fēng)網(wǎng)，將新風(fēng)均勻地送至機(jī)艙各處所。詳見機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)圖1和圖2。

從圖中可以看出：No.1號(hào)風(fēng)機(jī)主要向機(jī)艙左舷前部送風(fēng)，包括分油機(jī)室、機(jī)修間、機(jī)艙底層左舷； No.2號(hào)風(fēng)機(jī)全部供給主機(jī)；No.3號(hào)風(fēng)機(jī)主要向機(jī)艙左舷后部供風(fēng)，包括鍋爐平臺(tái)、發(fā)電機(jī)室、集控室、電工間、儲(chǔ)物間等；No.4號(hào)風(fēng)機(jī)主要向機(jī)艙右舷送風(fēng)，機(jī)艙右舷布置著：主海水泵組、淡水冷卻泵組、中冷器組、主滑油冷卻器、中心冷卻管系、空壓機(jī)、啟動(dòng)空氣管系等，為主輔機(jī)服務(wù)的動(dòng)力設(shè)備及管系；同時(shí)也為空調(diào)/冷藏壓縮機(jī)、污水處理裝置等其它機(jī)械設(shè)備供風(fēng)。

圖1 機(jī)艙上平臺(tái)通風(fēng)系統(tǒng)圖

發(fā)電機(jī)、鍋爐均存在不同工況，對燃燒及散熱所需的新風(fēng)量也不同，只是變化量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于主機(jī)工況變化對新風(fēng)的需求，對這些區(qū)域采用變頻風(fēng)機(jī)的節(jié)能效果不是十分明顯。而分油機(jī)室、機(jī)修間、集控室、機(jī)艙底層等處所要求有比較穩(wěn)定的新風(fēng)供給。因此，No.1號(hào)及No.3號(hào)風(fēng)機(jī)采用變頻風(fēng)機(jī)性價(jià)比不高。

No.2號(hào)風(fēng)機(jī)主要是向主機(jī)供應(yīng)新風(fēng)，主機(jī)運(yùn)行存在多種工況，不同的工況燃燒及散熱所需新風(fēng)量變化比較大，采用變頻風(fēng)機(jī)的性價(jià)比較高；No.4號(hào)風(fēng)機(jī)所提供的新風(fēng)主要供為主機(jī)輔服務(wù)的動(dòng)力設(shè)備散熱，它們與主機(jī)的運(yùn)行工況息息相關(guān)，冷卻這些設(shè)備后的熱風(fēng)還要進(jìn)一步冷卻熱態(tài)主機(jī)，甚至補(bǔ)充主機(jī)燃燒所需的空氣，所以No.4號(hào)風(fēng)機(jī)適合采用變頻風(fēng)機(jī)。

圖2 機(jī)艙下平臺(tái)通風(fēng)系統(tǒng)圖

經(jīng)過分析最終決定：No.1號(hào)及No.3號(hào)風(fēng)機(jī)采用普通風(fēng)機(jī)；No.2、No.4號(hào)風(fēng)機(jī)采用變頻風(fēng)機(jī)。

規(guī)格書的要求，4臺(tái)風(fēng)機(jī)中有1臺(tái)風(fēng)機(jī)可作為應(yīng)急風(fēng)機(jī)，由應(yīng)急配電板供電。根據(jù)以上分析，No.4號(hào)風(fēng)機(jī)作為應(yīng)急風(fēng)機(jī)較為合適。在常態(tài)下主配電板有一路電源供應(yīng)急配電板，通過應(yīng)急配電板給幾個(gè)應(yīng)急設(shè)備供電。在應(yīng)急狀態(tài)下，應(yīng)急配電板與主配電板脫鉤，由應(yīng)急配電板給No.4號(hào)風(fēng)機(jī)供電，啟動(dòng)這臺(tái)風(fēng)機(jī)就能給中冷系統(tǒng)、啟動(dòng)空氣系統(tǒng)、No.3號(hào)發(fā)電機(jī)供新風(fēng)，保證主發(fā)電機(jī)安全平穩(wěn)啟動(dòng)。由于No.4號(hào)風(fēng)機(jī)是變頻風(fēng)機(jī)，啟動(dòng)時(shí)可以降低對應(yīng)急配電板及應(yīng)急電網(wǎng)的沖擊。

3 機(jī)艙變頻風(fēng)機(jī)應(yīng)用

3.1 變頻風(fēng)機(jī)的參數(shù)確定

本船是在母型船通風(fēng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，在不改變原有通風(fēng)管路的情況下，將No.2及No.4號(hào)風(fēng)機(jī)改用變頻風(fēng)機(jī)。為了滿足系統(tǒng)的有效性，作者利用ANSYS軟件，建立風(fēng)管模型，詳見圖3和圖4，模擬計(jì)算風(fēng)管阻力。計(jì)算結(jié)果顯示：No.2號(hào)風(fēng)管的壓降為427Pa， No.4號(hào)風(fēng)管的壓降為507Pa，考慮一定的裕度，最終確定：No.2號(hào)風(fēng)機(jī)參數(shù)為50 268 m3/h × Ps:650 Pa，No.4號(hào)風(fēng)機(jī)參數(shù)為50 370 m3/h × Ps:680 Pa。

圖3 No.2 號(hào)風(fēng)機(jī)風(fēng)管阻力

圖4 No.4號(hào)風(fēng)機(jī)風(fēng)管阻力

3.2 變頻風(fēng)機(jī)組成及控制模式

該變頻風(fēng)機(jī)系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、變頻器、啟動(dòng)器、變頻器控制面板(含HMI控制器)、溫度及壓差傳感器組成，見圖5。

3.2.1 風(fēng)機(jī)運(yùn)行模式

⑴ 海上模式

海上模式是船舶在航行狀態(tài)下，兩臺(tái)變頻風(fēng)機(jī)可以隨主機(jī)的需求自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)主機(jī)工況改變時(shí)，對變頻風(fēng)機(jī)系統(tǒng)發(fā)出同步信號(hào)，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)接收到“Stand-by of Me”信號(hào)，即海上模式時(shí)，自動(dòng)調(diào)整變頻風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量，最終達(dá)到機(jī)艙總送風(fēng)量與需求量的平衡。

⑵ 港口模式

港口模式也就是船舶停靠港口時(shí)，兩臺(tái)變頻風(fēng)機(jī)的運(yùn)行模式。在港口碼頭主機(jī)處于停車狀態(tài)，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)接收到“Finish of ME”信號(hào)，即港口模式時(shí)，自動(dòng)將No.2風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)；讓No.4號(hào)風(fēng)機(jī)在預(yù)先設(shè)置好的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行；或者讓No.4號(hào)風(fēng)機(jī)處于自動(dòng)變頻模式，因?yàn)?，在港口模式下鍋爐負(fù)荷及其它設(shè)備的散熱量并不是固定的，由于No.1號(hào)、No.3號(hào)風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量是不可調(diào)的，通過No.4號(hào)變頻風(fēng)機(jī)可以對港口狀態(tài)整個(gè)機(jī)艙通風(fēng)進(jìn)行調(diào)整，這樣能充分利用變頻風(fēng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。

3.2.2 變頻風(fēng)機(jī)控制方式

圖5 變頻風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)

規(guī)格書要求機(jī)艙保持正風(fēng)壓，通常設(shè)定機(jī)艙內(nèi)氣壓比外界氣壓大～50pa。眾所周知不同溫度下的空氣密度不同，溫度越低則空氣密度越大。從空氣燃燒作用考慮，在相同質(zhì)量風(fēng)量需求下，溫度越低則需求的體積流量越??；從冷卻作用考慮，機(jī)艙溫度越低也說明冷卻效果也越好，理論上外界溫度越低，風(fēng)機(jī)的排量相應(yīng)降低。由于壓力的變化呈復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，難以作為風(fēng)量變化的控制參數(shù)。但壓差與溫度卻是呈一一對應(yīng)關(guān)系，也就是說只要找到溫度值，就能夠得到相應(yīng)的壓差值，溫度變化呈簡單的線性關(guān)系是理想的風(fēng)量變化監(jiān)控參數(shù)。根據(jù)此特性，決定采用溫度補(bǔ)償?shù)目刂品绞剑勒請D6的“溫度補(bǔ)償曲線”進(jìn)行壓差設(shè)定值的自動(dòng)調(diào)整, 即機(jī)艙空氣溫度越高，則壓差設(shè)定值越高，反之，壓差設(shè)定值則越低。系統(tǒng)安裝溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)此控制功能，安裝壓差傳感器來檢驗(yàn)機(jī)艙正壓的正確性與合理性，壓差傳感器還可以實(shí)現(xiàn)高壓報(bào)警功能，本船設(shè)定的高壓報(bào)警值為100Pa。當(dāng)機(jī)艙與外界的氣壓差值達(dá)到100Pa時(shí)，適當(dāng)?shù)难訒r(shí)過后產(chǎn)生報(bào)警，以提示控制故障。

圖6 溫度補(bǔ)償曲線

⑴ 軟件控制模式

軟件控制模式即所有的控制可以通過控制面板操作，操作模式有手動(dòng)模式及自動(dòng)模式。

① 手動(dòng)模式

在手動(dòng)模式下風(fēng)機(jī)可以：啟動(dòng)、停止、變速，也可以手動(dòng)選擇港口模式或海上模式。

② 自動(dòng)模式

在HMI控制器中可以設(shè)定港口模式及海上模式下風(fēng)機(jī)的工作工況。在自動(dòng)模式下，主機(jī)遙控系統(tǒng)的“Finish of ME”信號(hào)能自動(dòng)啟動(dòng)港口模式，“Stand-by of ME”信號(hào)則能啟動(dòng)海上模式。

⑵硬件控制模式

硬件控制模式即控制面板具有“風(fēng)機(jī)越控”選擇開關(guān)，此開關(guān)打到“ON”位置時(shí)，HMI控制器被旁通，只能通過變頻器控制面板上的“啟動(dòng)”旋鈕以及“速度調(diào)節(jié)”旋鈕，來手動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，或者手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

⑶ 4#風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)控制模式

4#風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)控制模式：利用變頻器控制面板上“反轉(zhuǎn)” 旋鈕實(shí)現(xiàn)4#風(fēng)機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)。風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)模式下，2#及4#風(fēng)機(jī)均會(huì)停止，當(dāng)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)完全停止后，4#風(fēng)機(jī)開始反向旋轉(zhuǎn)，吸收機(jī)艙內(nèi)的風(fēng)朝船外排放。

3.3 變頻風(fēng)機(jī)系統(tǒng)布置

本船機(jī)艙風(fēng)機(jī)部分選用變頻風(fēng)機(jī)后，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)部分設(shè)備布置發(fā)生改變。其中No.1號(hào)及No.3號(hào)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)器安裝在集控室的No.1號(hào)組合啟動(dòng)屏上。No.2號(hào)風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)器則安裝在集控室的No.2號(hào)組合啟動(dòng)屏上。No.4號(hào)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)器則安裝在應(yīng)急發(fā)電機(jī)室，由應(yīng)急配電板供電，在No.2號(hào)組合啟動(dòng)屏安裝了該風(fēng)機(jī)的遙控啟停按鈕。

由于集空室布滿了各種設(shè)備，沒有空間布置風(fēng)機(jī)變頻器及變頻器控制板，只好將No.2號(hào)風(fēng)機(jī)的變頻器及No.2&4號(hào)風(fēng)機(jī)變頻控器布置在變壓器間。變壓器間與集控室一墻之隔，在這道壁上開有一道門，可以從集控室直接進(jìn)入該處所。No.4號(hào)風(fēng)機(jī)的變頻器則布置在應(yīng)急發(fā)電機(jī)室內(nèi)，與啟動(dòng)器布置在一起。

溫度傳感器安裝在氣流或熱源影響最小的地方，以便傳感器反饋正確的機(jī)艙溫度。壓差傳感器一端需要延伸到機(jī)艙外感應(yīng)大氣壓，另一端應(yīng)保留在機(jī)艙內(nèi)部，為了減少探測管的壓力損失，將壓差傳感器安裝于上甲到A甲板之間的機(jī)艙圍井前壁處。

4 實(shí)船驗(yàn)證

本船試航過程中，通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行正常。但是在船倒車時(shí)，出現(xiàn)了風(fēng)壓高報(bào)警。檢查發(fā)現(xiàn)本船的機(jī)艙出風(fēng)口布置在機(jī)艙煙囪圍壁后側(cè)，當(dāng)?shù)管嚂r(shí)，出風(fēng)口變成了迎風(fēng)口，導(dǎo)致機(jī)艙風(fēng)壓升高，并超過100 Pa的報(bào)警值。分析認(rèn)為報(bào)警延時(shí)設(shè)定時(shí)間太短，只有100 s，在倒車過程中，風(fēng)機(jī)沒有足夠時(shí)間將風(fēng)壓降低到正常范圍。將此報(bào)警延時(shí)調(diào)整為300 s后，沒有再出現(xiàn)該報(bào)警。交船后未收到關(guān)于通風(fēng)系統(tǒng)方面的故障報(bào)告，船東表示變頻風(fēng)機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)產(chǎn)生一定的節(jié)能效果。

5 結(jié)束語

本文對機(jī)艙變頻風(fēng)機(jī)可行性分析、參數(shù)確定、布置、實(shí)船檢驗(yàn)等做了詳細(xì)描述，結(jié)果證明工況變化較大的貨船，機(jī)艙配備部分變頻風(fēng)機(jī)，初始成本增加微乎其微，但節(jié)能效果明顯，營運(yùn)效益可以持續(xù)提高，是可被船東接受的方案。能夠?yàn)楹罄m(xù)船舶設(shè)計(jì)提供借鑒與參考。

[1]本船機(jī)艙風(fēng)機(jī)控制廠家圖，NOVENCO，2013年5月29日

[2] Basic Specification/Engine RoomFaNControl，NOVENCO，2011年2月25日

[3] 本船主配電板及應(yīng)急配電板廠家圖，TERASAKI，2012年10月23日

10.3969/j.issn.2095-4506.2016.04.001

2015-11-6）

江海濤（1979--），男，工程師，船舶輪機(jī)。