徐立豐

集裝箱船貨艙風(fēng)機節(jié)能控制邏輯

徐立豐

（中遠(yuǎn)海運重工有限公司，上海 200011）

集裝箱船貨艙風(fēng)機一般用電量較大，為了降低貨艙風(fēng)機的能耗，本文通過對貨艙風(fēng)機進(jìn)行自動邏輯控制，合理分配貨艙風(fēng)機的運行臺數(shù)及時間，達(dá)到良好的節(jié)能效果。

集裝箱船 貨艙風(fēng)機 控制邏輯 節(jié)能

0 引言

集裝箱船保證貨艙內(nèi)集裝箱通風(fēng)量的方式一般為直接通風(fēng)，即直接向貨艙內(nèi)鼓風(fēng)，來降低貨艙溫度，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，現(xiàn)在的貨艙通風(fēng)系統(tǒng)一般都采用這種形式[1]。但這種方式需要安裝大量的貨艙風(fēng)機，功率消耗很大。

貨艙內(nèi)的熱負(fù)荷是隨著航行狀態(tài)而動態(tài)變化的，然而貨艙風(fēng)機的轉(zhuǎn)速是恒定不變的，大部分時間，艙內(nèi)溫度遠(yuǎn)低于設(shè)計溫度，造成不必要的能源浪費[2]。

為了解決定速風(fēng)機帶來的以上問題，通常的做法是將定速風(fēng)機改為具有較大節(jié)能潛力的變頻調(diào)速風(fēng)機[3]，并配以適當(dāng)?shù)目刂品椒ā５冾l風(fēng)機及變頻器的初始投資較高，回收周期較長。

本文提供一套針對常規(guī)定速風(fēng)機的自動控制邏輯，同樣能夠達(dá)到良好的節(jié)能效果。該邏輯控制程序通過船舶中央控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：

自動計算風(fēng)量，使風(fēng)機運行臺數(shù)維持在最低數(shù)量，降低能耗；當(dāng)貨艙裝載冷箱時，服務(wù)于冷箱的風(fēng)機自動運行，保證直接送風(fēng)到每個冷箱；自動控制貨艙溫度在設(shè)定值以下；自動控制CO2濃度在設(shè)定值以下；貨艙內(nèi)通風(fēng)均布（包括艙底）；風(fēng)機定期啟動及切換，提高風(fēng)機壽命；其它（如故障處理、不頻繁起動等）。

1 控制邏輯主程序

每個貨艙的風(fēng)機均由中央控制系統(tǒng)單獨進(jìn)行控制，程序?qū)⒏鶕?jù)船舶貨物狀態(tài)（程序開始時由手動選擇貨艙裝載干貨或危險貨物、以及換氣次數(shù)）自動執(zhí)行以下程序。邏輯見圖1。

1）根據(jù)檢測到的貨艙溫度執(zhí)行“貨艙溫度控制程序”（詳見2.1）。

2）根據(jù)檢測到的貨艙CO2濃度執(zhí)行“貨艙CO2濃度控制程序”（詳見2.2）。

3）由裝載計算機提供是否裝載冷箱及冷箱的裝載位置執(zhí)行“裝載冷箱控制程序”或 “裝載非冷箱控制程序”（詳見3.1與3.2）。

2 貨艙溫度及CO2濃度控制程序

為保證貨物安全，貨艙溫度及CO2濃度需要在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。

圖1 主邏輯

圖2 貨艙溫度控制邏輯

2.1 貨艙溫度控制程序

貨艙內(nèi)需至少安裝2個溫度傳感器用于檢測貨艙平均溫度，在羅經(jīng)甲板安裝1個溫度傳感器用于檢測室外溫度。

當(dāng)貨艙溫度高于15℃、貨艙溫度高于室外溫度加10℃且高于設(shè)定溫度時，起動當(dāng)前關(guān)停的風(fēng)機來降低貨艙溫度。

當(dāng)貨艙溫度低于上述提及的溫度減5℃時，將執(zhí)行“切換風(fēng)機程序”（詳見4.1）用以關(guān)停合理數(shù)量的風(fēng)機。起動與停止風(fēng)機之間5℃的溫差，目的是防止風(fēng)機頻繁起停，以降低能耗及提高風(fēng)機壽命。

以上提及的溫度，程序中均可進(jìn)行人為設(shè)定（例如圖2邏輯中 S1及S5為可調(diào)設(shè)定，默認(rèn)值分別為35℃和10℃）。

2.2 貨艙CO2濃度控制程序

貨艙CO2濃度控制邏輯可參見2.1溫度控制邏輯，在此不再贅述。

3 貨艙風(fēng)量控制程序

貨艙風(fēng)量控制的目的是保證貨物的風(fēng)量需求并最大程度的降低風(fēng)機運行時間及臺數(shù)以降低能耗。

根據(jù)是否裝載冷箱，將分別執(zhí)行“裝載冷箱控制程序” （見3.1）及“裝載非冷箱控制程序” （見3.2）來控制風(fēng)量。

3.1 裝載冷箱控制程序

將貨艙最高溫度作為考核指標(biāo)，送風(fēng)模式比排風(fēng)模式更好一些[4]，因此當(dāng)貨艙裝載冷箱時，程序自動將所有風(fēng)機設(shè)定為供風(fēng)模式。邏輯見圖3。

貨艙中通常既裝有冷箱也裝有非冷箱，對于冷箱，執(zhí)行“服務(wù)冷箱風(fēng)機運行程序”（詳見4.4），起動直接送風(fēng)到冷箱位置的風(fēng)機；對于非冷箱，不需要考慮直接送風(fēng)，貨物需求的風(fēng)量是整個貨艙艙容的2倍或6倍（根據(jù)程序開始時設(shè)定）。程序?qū)Ξ?dāng)前運行并服務(wù)冷箱的風(fēng)機風(fēng)量與非冷箱貨物的需求風(fēng)量進(jìn)行比較，若前者大于后者，說明服務(wù)冷箱的風(fēng)機既能滿足冷箱對風(fēng)量的需求，也能滿足非冷箱對風(fēng)量的需求，無需起動額外風(fēng)機。反之，需要執(zhí)行“風(fēng)機分區(qū)控制程序”（詳見4.3）起動風(fēng)機。

由于風(fēng)機故障、貨艙溫度高等原因會減少或增加風(fēng)機的運行臺數(shù)，因此程序需要監(jiān)控當(dāng)前運行風(fēng)機的總通風(fēng)量，若當(dāng)前運行風(fēng)機總風(fēng)量大于需求風(fēng)量時，執(zhí)行“切換風(fēng)機程序”（詳見4.1）關(guān)停合理數(shù)量和位置的風(fēng)機，反之則執(zhí)行“風(fēng)機分區(qū)控制程序”（詳見4.3），起動合理數(shù)量和位置的風(fēng)機來保證通風(fēng)量并使貨艙通風(fēng)均勻。

3.2 裝載非冷箱控制程序

當(dāng)貨艙不裝載冷箱時，程序?qū)H控制可逆風(fēng)機且設(shè)為排風(fēng)模式，供風(fēng)機關(guān)停并設(shè)為不可用。

相比“裝載冷箱控制程序”，此控制程序僅需考慮當(dāng)前運行風(fēng)機通風(fēng)量與貨艙需求風(fēng)量的關(guān)系，執(zhí)行“切換風(fēng)機程序”或“風(fēng)機分區(qū)控制程序”。

圖3 裝載冷箱控制邏輯

4 功能子程序

以上是整個控制邏輯的主要框架，下面將對涉及到的各功能相關(guān)主要子程序進(jìn)行說明。

4.1 切換風(fēng)機程序

若當(dāng)前運行風(fēng)機的風(fēng)量超過需求風(fēng)量時，程序?qū)慈缦铝鞒膛袛嗍欠耜P(guān)停部分風(fēng)機使得當(dāng)前運行風(fēng)機的風(fēng)量最小程度的滿足風(fēng)量需求：

當(dāng)上一級程序調(diào)用該子程序時，首先檢測每個分區(qū)（分區(qū)概念詳見4.2）內(nèi)當(dāng)前運行的風(fēng)機臺數(shù)，當(dāng)分區(qū)內(nèi)風(fēng)機臺數(shù)超過1臺時，程序?qū)㈩A(yù)判關(guān)停1臺風(fēng)機后是否仍然能夠滿足風(fēng)量需求，在滿足風(fēng)量需求的前提下，將既不服務(wù)冷箱也不用于送風(fēng)到艙底的風(fēng)機關(guān)停。若程序準(zhǔn)備關(guān)停的風(fēng)機是所有運行風(fēng)機中唯一送風(fēng)到艙底的風(fēng)機，則保留該風(fēng)機的運行以保證對艙底的通風(fēng)，繼續(xù)判斷其它風(fēng)機是否可以關(guān)停。

4.2 風(fēng)機分區(qū)劃分程序

由于風(fēng)機及其風(fēng)管在布置上是均勻分布在貨艙內(nèi)的，若把風(fēng)機按編號順序分成連續(xù)的若干組（相當(dāng)于將貨艙分成了若干區(qū)域），并且每組包含的風(fēng)機數(shù)量基本一致，則每組風(fēng)機對應(yīng)的貨艙各區(qū)域的大小也基本一致，如果分組數(shù)量等于需要運行的風(fēng)機數(shù)量，則每組內(nèi)僅需有一臺風(fēng)機運行，就能保證貨艙內(nèi)通風(fēng)的均勻。

為了便于說明，以下將各風(fēng)機分組及所對應(yīng)的貨艙區(qū)域定義為分區(qū)。

基于以上分析，分區(qū)的數(shù)量應(yīng)該等于需要運行的風(fēng)機臺數(shù)，需要運行的風(fēng)機臺數(shù)則由貨物的通風(fēng)量需求以及每臺風(fēng)機容量決定，這樣程序可以得到分區(qū)數(shù)量。為了使程序能夠識別每個風(fēng)機對應(yīng)的分區(qū)，還需要計算每個分區(qū)包含的風(fēng)機臺數(shù)，計算方法如下：

每個分區(qū)包含的風(fēng)機臺數(shù)（四舍五入取整）等于風(fēng)機總數(shù)/分區(qū)數(shù)量。

根據(jù)風(fēng)機編號順序及以上計算，程序?qū)L(fēng)機自動對應(yīng)到各個分區(qū)中，可以看出最后一個分區(qū)包含的風(fēng)機臺數(shù)可能與其它分區(qū)臺數(shù)略有不同。

4.3 風(fēng)機分區(qū)控制程序

根據(jù)4.2的“風(fēng)機分區(qū)劃分程序”劃分出分區(qū)后，程序在每一個分區(qū)中選擇一臺風(fēng)機起動。由于送風(fēng)到艙底的風(fēng)機相對數(shù)量不多，因此首先起動能夠送風(fēng)到艙底的風(fēng)機。每起動一臺風(fēng)機，程序就判斷一次當(dāng)前運行的風(fēng)量是否已滿足需求的風(fēng)量。當(dāng)每個分區(qū)均有一臺風(fēng)機運行后仍不滿足風(fēng)量需求后，就起動當(dāng)前運行風(fēng)機區(qū)間間隔最大且處于區(qū)間中間位置的風(fēng)機。在起動風(fēng)機前均需判斷電站容量是否能夠起動風(fēng)機。邏輯見圖4。

圖4 風(fēng)機分區(qū)控制邏輯

4.4 服務(wù)冷箱風(fēng)機運行程序

由于冷箱對風(fēng)量更敏感，每個冷箱均需要有風(fēng)機直接對其送風(fēng)。程序中預(yù)先設(shè)定每個冷箱位置與各風(fēng)機的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)裝載計算機提供的冷箱裝載位置，程序能夠自動判斷需要起動的風(fēng)機。若冷箱所對應(yīng)的風(fēng)機不可用，則起動離冷箱位置最近的風(fēng)機。如果在起動服務(wù)冷箱的風(fēng)機前，檢測到電站剩余功率不足，將關(guān)停供風(fēng)給非冷箱的風(fēng)機，保證冷箱供風(fēng)的優(yōu)先性。

5 結(jié)語

對于風(fēng)機保養(yǎng)，例如風(fēng)機運行超過一定時間自動切換、關(guān)停一定時間自動起動、排風(fēng)與送風(fēng)的轉(zhuǎn)換控制等，本文中沒有對其進(jìn)行擴展說明，需要讀者在程序設(shè)計時予以考慮。

本文提供的貨艙風(fēng)機控制邏輯，能夠很好的降低貨艙風(fēng)機功率消耗，此邏輯已在實際項目上進(jìn)行了應(yīng)用，可進(jìn)一步在集裝箱船上進(jìn)行推廣。

[1] 劉靜. 裝載冷藏集裝箱的貨艙通風(fēng)研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2008.

[2] 劉濤. 基于變風(fēng)量控制方式的冷藏集裝箱船艙通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能研究[D]. 上海: 上海海事大學(xué), 2007.

[3] 孫永明. 船舶冷藏集裝箱風(fēng)機變頻節(jié)能研究[J]. 集裝箱化, 2000, 11: 13-14.

[4] 吳興武. 1700TEU(XXX)集裝箱船貨艙通風(fēng)研究[D] .上海: 上海交通大學(xué), 2008.

Energy-Saving Control Logic for Cargo Hold Fans of Container Ship

Xu Lifeng

(COSCO Shipping Heavy Industry Co., Ltd, Shanghai 200011, China)

U674.131

A

1003-4862（2019）11-0023-04

2019-05-27

徐立豐(1980-)，男，工程師。研究方向：船舶電氣設(shè)計。E-mail: xu.lifeng@coscosshipping.com