金文剛

(新大洋造船有限公司,江蘇 揚州 225107)

0 引言

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，能源危機和氣候變暖正成為全球性的難題，船舶作為世界貿(mào)易運輸?shù)闹饕d體，能源消耗和排放巨大。國際海事組織近些年不斷推出的包括船舶能效設(shè)計指數(shù)、限制氮排放物和硫排放物的規(guī)則等，旨在進(jìn)一步降低能耗，減少污染，促使船舶設(shè)計和建造更加關(guān)注節(jié)能和環(huán)保。

商業(yè)運輸船舶的冷卻水系統(tǒng)通常設(shè)計為中央冷卻水系統(tǒng)，其原理是利用海水泵輸送海水進(jìn)入中央冷卻系統(tǒng)來冷卻淡水，被冷卻后的高低溫淡水再去冷卻相關(guān)負(fù)載，包括主機、發(fā)電機等重要船用設(shè)備。目前常規(guī)設(shè)計中，海水泵恒定運行在最大工況，即滿足船舶在熱帶32 ℃的水溫下滿負(fù)荷的全速航行，并未考慮相關(guān)變化因數(shù)。

事實上，無限航區(qū)船舶跨越的緯度較大，四季變換時海水的溫度變化也較大。同時，船舶因港口、貨運及海況等原因，主輔機的負(fù)荷也變化不一，因此海水泵很多時候并不需要滿負(fù)荷運行。針對上述現(xiàn)狀，有必要設(shè)計一種隨著海水溫度和船舶負(fù)荷變化調(diào)節(jié)流量的冷卻水系統(tǒng)方案，以節(jié)省電能并降低燃油消耗量。隨著變頻驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，通過將此技術(shù)運用于船舶海水泵控制，能達(dá)到去除冗余設(shè)計，實現(xiàn)按需調(diào)節(jié)海水流量，滿足冷卻水系統(tǒng)運行的目的。本文以63 500 t散貨船海水冷卻系統(tǒng)為研究對象，在分析船舶中央冷卻水系統(tǒng)和海水泵調(diào)速原理基礎(chǔ)上，提出在中央冷卻水系統(tǒng)主海水泵上增加變頻控制功能的改造設(shè)計方案。

1 船舶中央冷卻水系統(tǒng)介紹

1.1 工作原理

63 500 t散貨船的冷卻水系統(tǒng)為中央冷卻水系統(tǒng)，其原理圖見圖1。該系統(tǒng)采用2臺中央冷卻器，每臺承擔(dān)50%的最大冷卻量。海水側(cè)配置了3臺使用功率各30 kW的離心式海水泵，正常工作時同時使用2臺泵，備用1臺，具備故障自動切換功能。經(jīng)過海水泵運轉(zhuǎn)，海水從高位海底門或者低位海底門進(jìn)入，作為冷卻介質(zhì)進(jìn)入冷卻器與低溫淡水進(jìn)行熱交換后，直接由海水管路排至舷外。

圖1 冷卻水系統(tǒng)原理圖

1.2 海水側(cè)和淡水側(cè)的流量控制

原設(shè)計中，海水側(cè)通過海水泵出口管路上的閥門或加設(shè)節(jié)流孔板來調(diào)節(jié)流量。這種方式通常無法保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，控制精度不高，而且不可避免地會造成較大的漩渦和局部撞擊，也就是局部損失。中央冷卻器淡水管一側(cè)，在淡水出口總管上設(shè)置了1只按照負(fù)載冷卻量變化進(jìn)行自動調(diào)節(jié)的電動三通溫控閥，該閥由船舶集控室進(jìn)行控制和設(shè)置。在保證泄漏量的前提下，該閥按照反饋信號自動實現(xiàn)流量分配，穩(wěn)定進(jìn)行溫度控制。

1.3 海水泵電機啟動和運行方式

原設(shè)計中，3臺海水泵電機的額定電流均為50 A，采用星三角啟動方式。實際測量顯示，電機瞬間的啟動電流約175 A?？紤]到發(fā)電機容量只有680 kW, 這樣高的電流會瞬間沖擊電網(wǎng)并影響電機的使用壽命。同時，啟動時的機械沖擊力和水泵突然停止時的水錘效應(yīng)會對閥門和管路等造成破壞，增加機械設(shè)備長期安全使用的風(fēng)險。

2 海水泵的調(diào)速原理

2.1 海水泵的特性

離心泵工作平穩(wěn)，流量連續(xù)均勻，適用流量范圍大，轉(zhuǎn)速高而且易于調(diào)節(jié)。離心式海水泵的調(diào)速基于泵的相似性原理,即泵的轉(zhuǎn)速與流量、揚程、功率成一定正比，關(guān)系如下：

Q/Q0=n/n0H/H0= (n/n0)2

P/P0= (n/n0)3

(1)

式中：n0、Q0、H0、P0分別為水泵在額定工況下的轉(zhuǎn)速、流量、揚程、功率；n、Q、H、P分別為水泵在實際工況下的轉(zhuǎn)速、流量、揚程、功率。

由此推算得出，如果海水泵流量由100%降為80%，根據(jù)式(1)推出，則水泵的軸功率僅為額定功率的51%，理論上節(jié)省49%的電量，節(jié)能效果很明顯。設(shè)計過程中，還要參照泵的特性曲線進(jìn)行合理選擇。

2.2 變頻控制的特性

船用海水泵大多采用三相交流異步電動機，其轉(zhuǎn)速原理的表達(dá)式如下：

N= 60f(1-S)/a

(2)

式中：N為電機的轉(zhuǎn)速，r/min；f為電機的電源頻率,Hz；S為電機轉(zhuǎn)差率；a為電機定子繞組極對數(shù)。

由此可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率S恒定，改變電機的頻率f時就可改變電機轉(zhuǎn)速。盡管改變定子頻率會導(dǎo)致磁通擾動變化，并帶來不良影響，但現(xiàn)代變頻技術(shù)的發(fā)展，則很好地解決了這個問題。交流異步電機變頻調(diào)速主要有矢量控制型和脈沖寬度調(diào)制型兩種。

盡管變頻調(diào)速可以有效降低轉(zhuǎn)速，但也不意味著可以無限降低。從電機的角度來講，轉(zhuǎn)速的降低會導(dǎo)致比轉(zhuǎn)速的減少，從而導(dǎo)致電機效率和變頻器的效率降低。從管路系統(tǒng)設(shè)計來講，冷卻水系統(tǒng)需要最低流量的保證，所以選擇合理的調(diào)速范圍非常重要。

3 節(jié)能控制方案設(shè)計

3.1 節(jié)能控制系統(tǒng)的工作原理

該船中央冷卻水系統(tǒng)的主海水泵增加變頻控制的功能，遵循反饋—運算—控制—調(diào)整的原則，通過監(jiān)測海水溫度和冷卻淡水溫度的變化實現(xiàn)對主海水泵負(fù)荷的自動調(diào)節(jié)。此節(jié)能控制的改造設(shè)計方案見圖2。

Tf—淡水側(cè)淡水溫度；Hf—淡水壓力；

3臺海水泵均由變頻控制，任意2臺泵主用，另1臺泵作為備用。每臺泵額定流量為50%的總設(shè)計流量。方案是以淡水側(cè)淡水溫度Tf、淡水壓力Hf、海水側(cè)的海水入口溫度TS與海水進(jìn)口壓力HS作為輸入的核心控制信號，同時結(jié)合低溫水三通控制閥的開度指示4～20 MA信號作為反饋參考和修正，形成了完整的冷卻水系統(tǒng)輸入信號。基于這些信號的參數(shù)經(jīng)過控制單元的計算處理后，對比預(yù)設(shè)定的數(shù)值，發(fā)出信號控制海水泵變頻器，對主海水泵進(jìn)行自動無極調(diào)速以滿足各種工況下的海水流量，這樣的控制系統(tǒng)也形成了穩(wěn)定的閉環(huán)控制。

當(dāng)檢測到海水溫度降低或者冷卻淡水溫度降低時，海水泵會被降低頻率，實現(xiàn)減小海水流量的功能；當(dāng)系統(tǒng)中海水溫度或冷卻淡水溫度升高時，海水泵會被升高頻率，實現(xiàn)加大海水流量的功能。

3.2 海水泵變頻控制的流程

海水變頻控制的流程是系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)，基于信號反饋不斷比較和自動調(diào)整的過程，流程圖見圖3。供電后變頻器開始運行，給出信號啟動海水泵，海水泵達(dá)到預(yù)設(shè)定的最大轉(zhuǎn)速運行，通過冷卻淡水側(cè)溫度傳感器反饋的實際溫度值來比較是否低于設(shè)定值。如果溫度高于設(shè)定值：則提高泵的轉(zhuǎn)速直至全速；如果溫度值低于設(shè)定值，則說明海水冷卻能力過剩，需要降低海水泵的轉(zhuǎn)速來匹配溫度值。如果是2臺海水泵同時運行的話，流量低至1臺泵的額定流量，則可以停掉其中1臺泵。

流量穩(wěn)定后，當(dāng)冷卻負(fù)載的負(fù)荷變化時，系統(tǒng)通過控制單元，將程序內(nèi)設(shè)定的冷卻淡水溫度值來對比實際冷卻淡水的溫度。如果高于設(shè)定值，則說明海水冷卻能力不足，則變頻系統(tǒng)會相應(yīng)提高泵轉(zhuǎn)速和海水流量；如果低于設(shè)定值，則變頻系統(tǒng)會相應(yīng)降低泵轉(zhuǎn)速和海水流量。同時，系統(tǒng)也會根據(jù)海水的溫度，換算出相應(yīng)換熱量，從而調(diào)節(jié)泵的流量。循環(huán)該過程能根據(jù)負(fù)荷情況和海水溫度將海水泵運行在最經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)。同時，系統(tǒng)能實時監(jiān)測熱交換器海水出口溫度。當(dāng)海水出口溫度高于50 ℃時，海水會有大量鹽晶體析出，在管路中影響冷卻能力。

圖3 冷卻系統(tǒng)自動控制流程

該變頻控制系統(tǒng)在配電板的海水泵啟動器上還設(shè)置有手動旁通功能，旁通轉(zhuǎn)換后，就恢復(fù)到非節(jié)能的星三角控制運行狀態(tài)。3臺泵也能實現(xiàn)備用泵的切換控制。當(dāng)壓力開關(guān)檢測到壓力低于限值，備用泵啟動。根據(jù)設(shè)定，3臺泵可并行7～10 s，再停止壓力低的故障泵，同時發(fā)出報警信號并輸出至監(jiān)測報警系統(tǒng)。經(jīng)過檢查排除故障后，該泵才能夠恢復(fù)到備用狀態(tài)。

3.3 海水泵變頻節(jié)能設(shè)計的參數(shù)推算

要實現(xiàn)海水泵的變頻控制，首先必須掌握所需冷卻設(shè)備在各種工況下所產(chǎn)生的熱負(fù)荷以及淡水熱平衡量；然后根據(jù)熱平衡計算，得出海水泵需要提供多少海水流量來滿足整個系統(tǒng)的冷卻需求。下面以目標(biāo)船中央冷卻水系統(tǒng)熱平衡計算進(jìn)行相關(guān)參數(shù)推算分析。

本船選用阿法拉伐提供的板式換熱器，板片為鈦合金材料。

按照其設(shè)計原理，傳熱基本方程式為：

Q=KA△T

(3)

式中：K為換熱器總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為總傳熱面積，m2；△T為換熱介質(zhì)的平均溫差，℃。

根據(jù)熱平衡方程，計算對數(shù)平均溫差△T：

△T=[(t0-T1)-(t1-T0)] /ln[(t0-T1)/

(t1-T0)]

(4)

式中：t0為淡水進(jìn)中央冷卻器的溫度，℃；t1為淡水出中央冷卻器的溫度，℃；T0為海水進(jìn)中央冷卻器的溫度，℃；T1為海水出中央冷卻器的溫度，℃。

中央冷卻器中淡水側(cè)與海水側(cè)的熱平衡方程式如下：

t0=t1+3.6C/(GCdρd)

(5)

T1=T0+3.6C/(QChρh)

(6)

式中：C為熱交換總量，kW；G為淡水流量，m3/h；Cd為淡水比熱，kJ/(kg·℃)；ρd為淡水密度，kg/m3；Q為海水流量，m3/h；ρh為海水比熱，kJ/(kg·℃)；Ch為海水密度，kg/m3。

在實船中央冷卻系統(tǒng)設(shè)計中，冷卻介質(zhì)只有淡水和海水，其比熱、密度均為已知量。冷卻淡水的總流量和總熱量通常由各主要設(shè)備供應(yīng)商給出。主機、輔機、空調(diào)、大氣冷凝器、滑油冷卻器、空壓機等主要設(shè)備在船舶正常航行和低速工況下最大需求熱交換量和冷卻淡水流量分別為6 917 kW、427 m3/h，最小需求熱交換量和冷卻淡水流量分別為2 076 kW、209 m3/h。根據(jù)熱平衡計算得出海水泵的流量至少為543 m3/h，船廠最終選定海水泵的額定流量為280 m3/h。

在中央冷熱器熱交換面積和冷卻淡水流量不變的情況下，各設(shè)備在不同工況下的熱交換量值和海水溫度值不同，海水所需的實際流量也相應(yīng)減少。從正常航行工況和低速工況下熱平衡計算可以得出每臺海水泵的實際流量范圍約為125～272 m3/h。據(jù)此，泵工作流量的變頻范圍系數(shù)可設(shè)定為50%～100%。

由于海水泵額定流量為280 m3/h，根據(jù)計算，得出管路的進(jìn)出口壓差為0.25 MPa，再結(jié)合不同轉(zhuǎn)速下的流量、揚程數(shù)據(jù)，繪制揚程、流量與效率曲線，見圖4。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下?lián)P程/流量、效率/流量的特性曲線

4 變頻節(jié)能方案的能效分析

4.1 變頻節(jié)能方案對船舶能效設(shè)計指數(shù)的影響

EEDI指數(shù)是衡量船舶能效水平的指標(biāo), 是根據(jù)二氧化碳(CO2)排放量和貨運能力的比值來表示船舶的能效。根據(jù)EEDI指數(shù)公式計算，63 500 t散貨船未使用海水泵變頻方案時的能效設(shè)計指數(shù)為3.940 6；使用海水泵變頻方案后，EEDI指數(shù)為3.898 5，下降了0.042 1。EEDI指數(shù)的數(shù)值越低，說明船舶更加環(huán)保節(jié)能。因此，該節(jié)能裝置的使用也是優(yōu)化EEDI指數(shù)的有效手段之一。

4.2 變頻節(jié)能方案收益推算分析

該海水泵變頻節(jié)能方案，使船舶營運具有很高的投入產(chǎn)出比，經(jīng)濟(jì)效益較好。從上述可知， 63 500 t散貨船的海水泵在定速設(shè)計工況下，2臺運行功率共為60 kW。根據(jù)交船后相關(guān)航運數(shù)據(jù)來設(shè)定，航行工況以經(jīng)濟(jì)航速占比約50%，低速航行約占20%來計；以全年海上航行天數(shù)250天計，春夏季與秋冬季各航行125天；春夏季和秋冬季的海水平均溫度分別為25．5 ℃和14 ℃。綜合溫度和工況，海水泵所需的功率值分別為51.2 kW和38 kW，故使用該海水節(jié)能裝置的總用電量約為：

P1=267 600 kWh

使用該海水節(jié)能裝置前運行250天，總用電量約為：

P2=360 000 kWh

從上述數(shù)據(jù)對比可知，使用變頻節(jié)能方案后，一年可節(jié)省的電能達(dá)到92 400 kWh。按照輔機的單位燃油消耗量193 g/kWh和低硫柴油市場價6.8元/kg計算，一年可節(jié)省約121 000元。海水變頻控制方案的前期投資不算太大，綜合估算，一般安裝該節(jié)能裝置營運2年左右即可收回整個投資，效益非常明顯。隨著現(xiàn)代船舶的大型化，大功率海水泵的使用，變頻節(jié)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)回報越發(fā)明顯。

5 變頻裝置安裝使用的要點

該船冷卻水系統(tǒng)變頻節(jié)能控制裝置的單元組成包括組合控制屏、安裝于配電板上的啟動單元、安裝于集控臺上的觸摸屏遙控單元，以及安裝于管路上相應(yīng)的溫度和壓力傳感器等，組成單元見圖5。全套設(shè)備由廠家打包提供，所有組件的安裝使用正確與否對于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行至關(guān)重要，在前期的設(shè)計過程中應(yīng)注意下列要點：

圖5 節(jié)能控制裝置組成單元

(1)組合控制單元應(yīng)安裝于通風(fēng)良好的機艙處所或者有空調(diào)送風(fēng)的獨立艙室。

(2)組合控制單元含有變頻裝置，其自帶風(fēng)機噪聲大，盡量不要安裝在集控室。

(3)變頻器在工作中易于產(chǎn)生電磁干擾。變頻電纜的敷設(shè)要和其他電纜分開，特別是通信電纜，防止干擾其他系統(tǒng)的正常工作。

(4)變頻器通電前，應(yīng)確保關(guān)閉前蓋、電纜蓋以及機柜門。對電纜和電機做任何測試前，應(yīng)將變頻電纜和變頻器斷開。

(5)集控臺上的遙控單元應(yīng)設(shè)計包含所有泵組的控制功能，安裝于值班人員易于接近的位置。

6 結(jié)論

為進(jìn)一步節(jié)能減排，滿足國際海事組織對于綠色船舶的要求，本文通過分析，對船舶中央冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。產(chǎn)生如下影響：

(1)該節(jié)能系統(tǒng)的進(jìn)一步推廣使用，具有非常良好的經(jīng)濟(jì)和社會價值，必將逐漸成為船舶配置的新趨勢。

(2)變頻控制實現(xiàn)后，由于變頻軟啟動的使用，杜絕了大電流啟動對電機的沖擊，延長了泵電機的機械使用年限。

(3)變頻控制實現(xiàn)后，由于電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)了無極調(diào)速，平順穩(wěn)定，因而帶來海水泵出口流量和壓力的平穩(wěn)，降低了水流對管路的硬沖擊和對調(diào)節(jié)閥的機械磨損。

(4)變頻控制實現(xiàn)后，能夠達(dá)到對冷卻水系統(tǒng)的自動調(diào)控，減輕了船員在船上的工作負(fù)擔(dān)。

(5)變頻控制實現(xiàn)后，海水泵流量與壓力控制更加智能簡單，配合操作的模擬圖，能夠清晰地觀測到整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，手動狀態(tài)下的調(diào)節(jié)精度也非常高。

(6)變頻控制實現(xiàn)后，安全保障進(jìn)一步提高。海水變頻器作為主用控制方式，一旦發(fā)生故障時，系統(tǒng)可將變頻器控制切除，轉(zhuǎn)換到旁通狀態(tài)，恢復(fù)到配電板上的星三角控制模式，保障了海水系統(tǒng)的安全運行。