初建樹, 殷宗學(xué), 劉金媛

(中遠船務(wù)集團工程有限公司， 遼寧 大連 116600)

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變頻控制技術(shù)在3 600TEU集裝箱船的應(yīng)用

初建樹, 殷宗學(xué), 劉金媛

(中遠船務(wù)集團工程有限公司， 遼寧 大連 116600)

航運業(yè)的發(fā)展造就了船舶行業(yè)的進步，但是隨之而來的海洋和大氣污染問題也逐漸引起各國人們的關(guān)注。以新技術(shù)、新能源為基礎(chǔ)的綠色船舶概念正逐漸進入人們的視野。著重介紹了3 600TEU集裝箱船中變頻控制技術(shù)的使用和節(jié)能效應(yīng)。

綠色船舶 變頻控制 集裝箱船

0 引言

綠色船舶的提出由來已久，海洋環(huán)境的保護已越來越受到人們的關(guān)注。隨著航運業(yè)的發(fā)展，船舶逐漸成為海洋和大氣的主要污染源之一。因此，國際海事組織IMO近些年不斷推出新的更高的要求，以強制性公約、規(guī)范等形式加強對海洋環(huán)境乃至大氣環(huán)境的保護。這些要求在很大程度上影響了船舶的設(shè)計和建造理念，決定船舶市場的競爭力。綠色船舶是指采用相對先進的技術(shù)，能在生命周期內(nèi)經(jīng)濟地滿足其預(yù)定功能和性能，同時實現(xiàn)節(jié)約資源和能源、減少或消除環(huán)境污染，并對操作和使用人員具有良好保護的船舶。

本文主要從電氣變頻控制技術(shù)方面對船舶節(jié)能減排進行分析介紹，以在建3 600TEU集裝箱船設(shè)計為例，簡要剖析變頻控制技術(shù)對該型船舶節(jié)能環(huán)保所起到的積極作用。

1 變頻控制技術(shù)的優(yōu)點

目前，變頻控制技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛，主要應(yīng)用于各行業(yè)旋轉(zhuǎn)類設(shè)備的調(diào)速中。此技術(shù)通過對電能的電壓、電流、頻率和相位進行變換，使設(shè)備運行在相對高效、節(jié)能、平穩(wěn)的狀態(tài)，可以降低能耗，延長設(shè)備使用壽命等。隨著人們節(jié)能環(huán)保意識的不斷加強，變頻控制的應(yīng)用也越來越普及。在航運和船舶領(lǐng)域，隨著各種強制性公約、規(guī)范的不斷實施，綠色船舶和智能船舶概念不斷提出，變頻控制技術(shù)的使用也出現(xiàn)了大幅度的增長，局部系統(tǒng)變頻設(shè)備的使用比例越來越高。其主要的效益表現(xiàn)在三個方面：(1) 節(jié)能提效；(2) 無級調(diào)速；(3) 提高系統(tǒng)自動化程度。

2 變頻設(shè)備控制的主要方式

通常情況下，變頻設(shè)備通過傳感器采集溫度、壓力或流量的采樣信息，然后將采樣信息反饋到控制系統(tǒng)，通過控制系統(tǒng)對變頻器的控制最終達到控制泵和風(fēng)機的目的。其控制方式主要包含以下三種。

2.1 溫度T(溫差ΔT)控制

將冷卻水出口溫度、供水總管供水溫度或者回水溫差等作為控制器的信號采樣輸入。將該輸入采樣值與溫度設(shè)定值進行比較，得出輸出信號，并傳送給控制器(變頻器)以控制泵或者風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，最終，使冷卻水的流量或者水管溫度滿足系統(tǒng)要求。其基本的閉環(huán)控制圖如圖1所示。

圖1 溫度閉環(huán)控制

從圖1中可以看出，溫度控制的時效性可能會比較差，環(huán)境溫度對傳感器采樣的精確性有影響。所以一般情況下，在船舶設(shè)備控制中，溫度控制通常在通風(fēng)系統(tǒng)中使用，通過比較采集環(huán)境溫度和設(shè)定溫度的溫差實現(xiàn)對風(fēng)機的變頻控制。

2.2 壓力P(壓差ΔP)控制

壓力控制是通過傳感器采集管路上的壓力信號，以設(shè)定值與采集信號壓差作為變頻控制器的輸入值，從而改變泵的轉(zhuǎn)速。當(dāng)管路負載發(fā)生變化時，相關(guān)管路上的閥門開度變化引起管路壓力變化，控制系統(tǒng)監(jiān)測到該處壓力變化后，按照預(yù)先設(shè)定的程序計算出偏差ΔP,最終產(chǎn)生輸出信號以控制水泵電機轉(zhuǎn)速。其基本的閉環(huán)控制圖如圖2所示。

圖2 壓力閉環(huán)控制

從圖2中可以看出，基本的閉環(huán)控制邏輯同溫度控制是一致的。但是在實際的變頻控制中，制約的因素多樣、采集的信息源很多，最終的控制邏輯往往比較復(fù)雜。

2.3 流量F控制

流量控制主要是通過實際檢測水量或風(fēng)量來調(diào)節(jié)水泵或風(fēng)機，從而達到供需平衡。但在實際的船舶系統(tǒng)控制中，對管路和風(fēng)道有嚴格的規(guī)范。在實際的控制系統(tǒng)中，僅僅通過流量控制很難達到控制要求，所以流量信息采集更多是以輔助溫度和壓力控制的方式出現(xiàn)在整個控制系統(tǒng)中。

3 變頻控制技術(shù)在3 600TEU集裝箱船的應(yīng)用

3 600TEU集裝箱船在變頻技術(shù)的使用上幾乎涵蓋了所有重要系統(tǒng)，如主冷卻系統(tǒng)、貨艙通風(fēng)系統(tǒng)、機艙通風(fēng)系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、冷藏箱系統(tǒng)等。

在主冷卻系統(tǒng)中，系統(tǒng)的控制功能中共包含了六種控制方式，分別為：(1) 中央冷卻器出口溫度控制；(2) 低溫淡水冷卻器溫度控制；(3) 空氣冷卻器溫度控制；(4) 低溫淡水流量控制；(5) 高溫淡水溫度控制；(6) 低溫冷卻器溫度控制。

以中央冷卻器出口溫度控制為例，其控制的主要方法是通過調(diào)節(jié)兩臺主海水泵的泵速(頻率)，保持海水出口溫度最大不超過最高設(shè)定溫度48℃， 同時確保ME SAC(淡水空冷器)不超過10℃。

圖3 中央冷卻器溫度控制

從圖3可以看出，假設(shè)入口三通閥FW 107(Mark3)全打開且淡水冷卻器ME SAC(Mark6)溫度設(shè)定超過10℃，這時主海水泵(Mark1)NO.2和NO.3的泵速將逐漸增加以提升冷卻淡水通過中央冷卻器的流量，通過調(diào)節(jié)泵速來調(diào)節(jié)冷卻水換熱量，將ME SAC的溫度維持在設(shè)定值以下。

當(dāng)ME SAC的溫度降低后，主海水泵泵速逐漸降低，同時保持主海水泵出口溫度(Mark1位置)不超過48℃。如果ME SAC的溫度降低且最終低于10℃，主海水泵也將會逐步降低泵速，最終保持泵轉(zhuǎn)速大于最低泵速。綜上所述，當(dāng)海水泵出口溫度和ME SAC的溫度均低于其設(shè)定溫度時，主海水泵將維持最低轉(zhuǎn)速運行。

可以看出，主冷卻系統(tǒng)的溫度控制最終體現(xiàn)在泵速的調(diào)節(jié)上，通過泵速的調(diào)節(jié)達到換熱的目的，最終將溫度控制在設(shè)定值以內(nèi)。在上述控制中，主要有兩個定量，分別是主海水泵出口設(shè)定最高溫度48℃和ME SAC設(shè)定最高溫度10℃。同時還有兩個變量，分別是主海水系統(tǒng)出口實際溫度e1和ME SAC實際溫度e2。 通過檢測溫差e1和e2，將差值反饋到中央控制系統(tǒng)，通過中央控制系統(tǒng)設(shè)計的PID控制程序調(diào)節(jié)海水泵泵速進而調(diào)整溫差。泵速與溫差差值e呈正比。

泵速增加： e1> 0 或 e2> 0；

泵速不變： e1= 0 和 e2= 0；

泵速減低： e1< 0 和 e2< 0。

其自動控制邏輯如圖4所示。

圖4 主冷卻系統(tǒng)溫度控制

因為該系統(tǒng)為變頻控制，所以其泵速可以從最小速度調(diào)節(jié)到100%轉(zhuǎn)速，對應(yīng)的控制信號為4 mA～20 mA。從中控系統(tǒng)發(fā)出到變頻器，設(shè)定范圍為最小轉(zhuǎn)速對應(yīng)4 mA(42%轉(zhuǎn)速)， 最大轉(zhuǎn)速對應(yīng)20 mA=100%轉(zhuǎn)速。通過對泵的變頻控制，系統(tǒng)可以將溫度保持在設(shè)定值附近，保持泵的平滑啟動，并控制速度變化，這和常用的主冷卻控制系統(tǒng)有很大的不同。主要區(qū)別如下：

(1) 常用的主冷卻系統(tǒng)泵轉(zhuǎn)速保持不變，過量的冷卻水需要通過溫控閥和三通閥排出回路，這樣雖然可以保證主冷卻系統(tǒng)功能的使用，但排出的冷卻水卻造成了比較大的浪費。

(2) 常用的主冷卻系統(tǒng)泵的啟動電流比較大，即使采用降壓啟動也只能減小一部分啟動電流，但卻是以犧牲功率為代價的。所以，頻繁啟動不僅會對電動機本身造成影響，也會浪費功率。

(3) 變頻控制啟動時馬達可以從最小轉(zhuǎn)速逐步啟動，啟動電流小，啟動平滑，對電網(wǎng)沖擊小，可以減小發(fā)電機常備負荷，從而減少燃料的使用，降低排放，實現(xiàn)綠色環(huán)保的目的。 圖5為常用主冷卻系統(tǒng)和在變頻控制下主冷卻系統(tǒng)中泵能量損失的大致區(qū)間。

圖5 主冷卻系統(tǒng)泵能量損失對比圖

從廠家提供的相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)也可以看出，當(dāng)系統(tǒng)通過冷卻水流量控制溫度時，系統(tǒng)流量為可變量，使用常規(guī)溫控閥改變流量的方式其能耗接近使用變頻控制系統(tǒng)能耗的一倍，當(dāng)流量需求越低即泵速越低時，變頻控制系統(tǒng)消耗的能量越少，如表1所示。

表1 能耗統(tǒng)計

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4 結(jié)語

相較于傳統(tǒng)常規(guī)的工業(yè)控制變頻控制在節(jié)約能源、增加設(shè)備效率等方面具有積極的意義。如今在全世界積極提倡和推廣綠色船舶、智能船舶的概念，對船舶節(jié)能減排、綠色環(huán)保、控制溫室氣體排放等方面提出了更高的要求，未來變頻控制技術(shù)在船舶工業(yè)領(lǐng)域?qū)懈鼜V闊的發(fā)展前景。

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Application of Frequency Control Technical on 3 600TEU Container Carrier

CHU Jian-shu, YIN Zong-xue, LIU Jin-yuan

(COSCO Shipyard Group Co., Ltd., Dalian Liaoning 116600, China)

The development of ship industry improve ship building industry, but the sea and atmospheric pollution caused more and more focus from different countries. So the concept of green ship based on new technical and new energy resource will step into the view of people. The utilization of variable speed/frequency control technical and energy saving in 3 600TEU container carrier was introduced.

Green ship Frequency control Container carrier

初建樹(1982-)，男，工程師，研究方向為支線集裝箱船舶、智能船舶電氣。

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