(中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

現(xiàn)代大型船舶冷媒水船舶冷媒水系統(tǒng)一般為閉式循環(huán)的管路，采用供、回水總管的設(shè)計,統(tǒng)一供給冷源[1]，由總管就近分出所需支管，向各用戶供冷。系統(tǒng)具有管網(wǎng)、設(shè)備多且分布廣的特點，依靠傳統(tǒng)的輔助系統(tǒng)管理方式需要花費較多的人力資源，隨著船舶信息化、自動化技術(shù)的發(fā)展，這種落后的管理逐漸趨不能滿足現(xiàn)代船舶的發(fā)展要求[2]。由于大型船舶冷源需求是動態(tài)變化的，特別是空調(diào)用戶的差異性很大，對冷源的準(zhǔn)確供應(yīng)帶來了挑戰(zhàn)，需要更加合理地調(diào)節(jié)冷媒水系統(tǒng)的運行工況，及時應(yīng)對系統(tǒng)用戶的使用需求，實現(xiàn)資源統(tǒng)一調(diào)度[3]。針對上述問題，大型船舶逐步開始裝備應(yīng)用輔機監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)對冷媒水系統(tǒng)管網(wǎng)及主要設(shè)備的監(jiān)控。依托現(xiàn)代通信技術(shù)，針對冷水機組、管網(wǎng)隔離閥的狀態(tài)監(jiān)測、故障報警和遠(yuǎn)程控制功能較為容易實現(xiàn)，而冷媒水管網(wǎng)的冷量平衡供應(yīng)往往需要通過人工判斷和決策，動態(tài)響應(yīng)能力不足。決策過程缺乏計算機輔助和數(shù)據(jù)支撐，信息化程度不高。為此，對冷媒水管網(wǎng)的冷水機組加減機輔助決策技術(shù)進行應(yīng)用分析，實現(xiàn)大型船舶冷媒水系統(tǒng)管網(wǎng)的冷量計算，并根據(jù)系統(tǒng)的固有特性給出冷水機組加減機輔助決策建議。

1 輔助決策系統(tǒng)的構(gòu)建

大型船舶典型冷媒水系統(tǒng)管網(wǎng)形式見圖1。

圖1 典型冷媒水管網(wǎng)原理圖

為了實現(xiàn)對冷水機組加減機輔助決策功能，需要采集冷媒水系統(tǒng)必要的運行工況數(shù)據(jù)，作為系統(tǒng)的計算輸入，這些數(shù)據(jù)主要有：全船冷媒水各用戶支路的實時流量及供水溫度、回水溫度，全船各冷水機組的運行參數(shù)，如冷媒水出水溫度、冷媒水回水度、出水溫度下降速率、冷水機組累計運行時間和運行狀態(tài)、冷媒水泵運行狀況、冷卻水泵運行狀況等，冷水機組與管網(wǎng)閥件的邏輯聯(lián)動關(guān)系。

上述系統(tǒng)運行工況數(shù)據(jù)的獲取，需要在冷媒水系統(tǒng)各用戶支路增設(shè)流量傳感器、溫度傳感器，在系統(tǒng)總管設(shè)置遙控型管網(wǎng)隔斷閥，并搭建一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或依托大型船舶的輔機監(jiān)控系統(tǒng)采集傳感器、閥門的數(shù)據(jù)。

考慮到冷水機組、管路傳感器、管網(wǎng)隔斷閥的布置一般較為分散，實施系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集時，可以由冷水機組自帶控制箱就近采集冷水機組出水溫度、回水溫度、機組運行參數(shù)、冷卻水泵運行參數(shù)、冷媒水泵運行參數(shù)，由分布設(shè)置的數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集管網(wǎng)溫度傳感器、流量傳感器及管網(wǎng)隔斷閥的數(shù)據(jù)。監(jiān)控計算機統(tǒng)一收集分析冷水機組控制箱、數(shù)據(jù)采集設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成見圖2。

圖2 冷媒水系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成

監(jiān)控計算機運行輔助決策軟件，分析冷媒水機系統(tǒng)的運行狀態(tài)，綜合計算全船冷源的負(fù)荷狀況，比對當(dāng)前處于運行狀態(tài)的冷水機組最大制冷能力，特別是回水溫度，利用合適的判據(jù)進行冷水機組加機、減機需求計算，通過適當(dāng)?shù)乃惴Q策出需要啟動或停止運行的冷水機組，向用戶提供輔助決策建議。輔助決策流程見圖3。

圖3 冷媒水系統(tǒng)輔助決策流程

2 全船冷源負(fù)荷計算

當(dāng)冷媒水系統(tǒng)管網(wǎng)隔離閥打開，全船冷媒水管網(wǎng)合并運行時，需計算全船所有用戶支路的冷源能量負(fù)荷；當(dāng)冷媒水系統(tǒng)管網(wǎng)隔離閥關(guān)閉，全船冷媒水管網(wǎng)分區(qū)獨立運行時，需計算該分區(qū)所有用戶支路的冷源能量負(fù)荷，并按分區(qū)提供輔助決策建議。

全船或分區(qū)的冷源能量負(fù)荷計算公式如下。

(1)

式中：Qc為全船或分區(qū)內(nèi)當(dāng)前冷媒水系統(tǒng)冷源能量負(fù)荷，該值為動態(tài)變量，隨冷源用戶的變化而變化；C1為計算系數(shù)，含單位換算系數(shù)；N為全船或分區(qū)內(nèi)冷媒水系統(tǒng)用戶支路數(shù)量；qk為全船或分區(qū)內(nèi)冷媒水系統(tǒng)用戶支路的流量；to(k)為全船或分區(qū)內(nèi)冷媒水系統(tǒng)用戶支路供水溫度；ti(k)為全船或分區(qū)內(nèi)冷媒水系統(tǒng)用戶支路回水溫度。

3 冷水機組加機輔助決策

3.1 系統(tǒng)加機需求判斷

1)將計算得到的系統(tǒng)當(dāng)前負(fù)荷Qc和冷水機組額定總制冷量進行比對，Qc應(yīng)高于運行冷水機組當(dāng)前工況最大制冷能力的一定比例，判據(jù)如下。

(2)

式中：C2為常數(shù)，一般取值0.9～1.0；M為全船或分區(qū)內(nèi)當(dāng)前正處于正常工況狀態(tài)的冷水機組的數(shù)量，若為0時，則直接建議冷水機組加機1臺；Qr(k)為單臺冷水機組的額定制冷量。

2)當(dāng)前所有處于運行中的冷水機組冷媒水出水溫度均高于X1(X1值一般為5 ℃～10 ℃)。

3)當(dāng)前所有處于運行中的冷水機組出水溫度下降速率小于Y(Y值一般不大于1 ℃/min)。

在滿足以上三項條件后，可視為冷媒水系統(tǒng)冷源供應(yīng)不足，有增加冷水機組投入運行的需求。

3.2 冷水機組加機策略

1)每次決策只給加機1臺的建議。

2)每次決策時從未開機的冷水機組中選擇累積運行時間最短的冷水機組(還可以優(yōu)先啟動位于管網(wǎng)中部的冷水機組，有利于兼顧艏艉區(qū)域用戶)，以圖文形式給出啟動運行該冷水機組的輔助決策建議。

3)根據(jù)冷媒水系統(tǒng)的配置情況，聯(lián)動建議打開或關(guān)閉對應(yīng)的管路附件，如工況調(diào)節(jié)閥等。

4)每次執(zhí)行完成加機操作后，應(yīng)至少間隔30 min才允許進行下一次決策，且該時間間隔應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的水力特性確定，在實際應(yīng)用時予以標(biāo)定。

決策出建議啟動的冷水機組后，向用戶發(fā)出提示，并引導(dǎo)用戶進行操作。

4 冷水機組減機輔助決策

4.1 系統(tǒng)減機需求判斷

1)當(dāng)前運行的冷水機組多于1臺。

2)將計算得到的系統(tǒng)當(dāng)前負(fù)荷Qc和冷水機組運行狀態(tài)額定制冷量進行比對，Qc應(yīng)低于減機后系統(tǒng)最大制冷能力的一定比例，判據(jù)如下。

(3)

式中：M為全船或分區(qū)內(nèi)當(dāng)前正常工況狀態(tài)的冷水機組的數(shù)量，應(yīng)大于1,當(dāng)M=1時，若式(3)成立，建議關(guān)閉當(dāng)前運行的冷水機組，直接用系統(tǒng)中的海水-淡水換熱器(若有時)進行冷源供應(yīng)。

3)當(dāng)前所有處于運行中的冷水機組冷媒水出水溫度均高于X2(X1值一般為5 ℃～10 ℃，且X2

在滿足以上三項條件后，認(rèn)為冷媒水系統(tǒng)冷源供應(yīng)有富余，有減少冷水機組運行的需求，可以減至少1臺冷水機組運行。

4.2 冷水機組減機策略

1)每次決策只給減機1臺的建議。

2)每次決策時從已開機的冷水機組中選擇累積運行時間最長的冷水機組(還可以優(yōu)先關(guān)閉位于管網(wǎng)艏艉部的冷水機組，保留舯部的冷水機組)，以圖文形式給出停止運行該冷水機組的輔助決策建議。

3)根據(jù)冷媒水系統(tǒng)的配置情況，聯(lián)動建議打開或關(guān)閉對應(yīng)的管路附件，如工況調(diào)節(jié)閥等。

4)每次執(zhí)行完成減機操作后，應(yīng)至少間隔30 min才進行下一次決策，根據(jù)系統(tǒng)的水力特性確定該時間間隔，在實際應(yīng)用時予以標(biāo)定。

決策出建議啟動的冷水機組后，向用戶發(fā)出提示，并引導(dǎo)用戶進行操作。

5 冷媒水管網(wǎng)合并與分區(qū)原則

1)根據(jù)船舶本身使命任務(wù)確定冷媒水管網(wǎng)的合并或分區(qū)，如夏季冷卻需求最大，可以將管網(wǎng)合并運行，輪流使用冷水機組向全船供冷；冬季空調(diào)冷卻需求小，特種設(shè)備換熱需求大，可以分區(qū)運行。

2)為了節(jié)約全船冷量資源，實現(xiàn)冷源的合理供應(yīng)，可在平時打開隔斷閥使全船管網(wǎng)并網(wǎng)運行[4]，使用數(shù)量較少的冷水機組供應(yīng)全船用戶。

3)在某些特定工況下，需要專用保障時，或需要長期穩(wěn)定供應(yīng)冷源、避免其他用戶對特殊用戶的影響，可關(guān)閉隔離閥將管網(wǎng)分區(qū)運行，開啟分區(qū)內(nèi)的單臺或多臺冷水機組供應(yīng)特殊用戶。

4)局部管路破損時，應(yīng)當(dāng)分區(qū)運行，減少破損處對全船冷媒水系統(tǒng)的影響。

當(dāng)冷媒水管網(wǎng)分區(qū)運行時，由于分區(qū)內(nèi)冷水機組數(shù)量一般很少，一般只有1或2臺，進行冷水機組加減機輔助決策的實際意義已經(jīng)不大。因此，冷媒水系統(tǒng)輔助決策技術(shù)僅對配置有多臺(建議3臺以上)冷水機組的大型船舶有較好的應(yīng)用價值。

6 冷媒水系統(tǒng)輔助決策軟件開發(fā)

結(jié)合圖1表達的輔助決策流程，進行輔助決策軟件設(shè)計。某大型船舶的冷媒水輔助決策軟件基于冷媒水系統(tǒng)監(jiān)控軟件，采用面向?qū)ο缶幊陶Z言VB進行開發(fā)，與冷水機組控制箱、數(shù)據(jù)采集設(shè)備(用于采集管網(wǎng)支路溫度、流量參數(shù))之間采用Modbus TCP通信協(xié)議。軟件將所有采集到的參數(shù)均以測點ID(如61110010)的方式表達。

輔助決策功能集成在冷媒水管網(wǎng)監(jiān)控頁面，見圖4，設(shè)“決策查詢”功能按鈕，用于手動啟動輔助決策程序，程序代碼以腳本形式在后臺運行。

圖4 冷媒水系統(tǒng)監(jiān)控與決策軟件界面

軟件運行流程見圖5。

圖5 輔助決策軟件流程

啟動輔助決策軟件的程序算法表述如下。

1)運行輔助決策程序時，先比對軟件當(dāng)前時間與冷媒水系統(tǒng)中最后一臺冷水機組運行狀態(tài)(啟動或停止)變更的時間間隔，若大于30 min，則開始本次輔助決策運算;若不大于30 min，則提示等待系統(tǒng)達到平衡。

2)進入輔助決策運算，采用遍歷法計算所有當(dāng)前處于運行狀態(tài)的冷水機組的額定總制冷量，利用式(1)計算當(dāng)前冷媒水管網(wǎng)所有支路的冷量負(fù)載，利用加機需求判斷的3個判據(jù)檢查加機條件是否滿足，若滿足則進入加機決策，進入第3)步；若不滿足，則進入減機條件判斷，轉(zhuǎn)第4)。軟件相應(yīng)設(shè)置若干標(biāo)志位。

3)若進入加機決策，利用查詢最小值算法找出當(dāng)前處于停機狀態(tài)的冷水機組中找出累計運行時間最短的機組，在人機交互界面給出建議啟動該機組的信息，并提示相應(yīng)閥件的聯(lián)動關(guān)系。

4)若無加機需求，則利用冷水機組減機需求判斷的3個判據(jù)檢查減機條件是否滿足。若不滿足，則本次輔助決策結(jié)束，給出提示“建議保持系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)”；若滿足，則利用查詢最大值算法找出當(dāng)前處于停機狀態(tài)的冷水機組中找出累計運行時間最長的機組，在人機交互界面給出建議保留運行的機組信息，并提示相應(yīng)閥件的聯(lián)動關(guān)系。

7 結(jié)論

通過輔助決策技術(shù)的實施，可以進一步優(yōu)化系統(tǒng)運行工況，更加合理地搭配使用，將設(shè)計思想貫穿到系統(tǒng)使用過程中，驗證冷媒水系統(tǒng)的設(shè)計，為優(yōu)化改進提供反饋，統(tǒng)一調(diào)度冷媒水資源。關(guān)于冷媒水管網(wǎng)的合并與分區(qū)輔助決策技術(shù)，需要進一步研究算法，通過數(shù)據(jù)計算給出分區(qū)或合并決策建議。