陳麗霞

(南通象嶼海洋裝備有限責任公司，江蘇 南通 226368)

0 引言

燃料消耗費用一直是船舶運營成本中最大的一筆。船舶在航行過程中工況經常會發(fā)生變化，且工況非常復雜，而在船舶設計的初期，設備的功率選型均按照最大的工況進行選擇，這無形會造成船舶燃油消耗的浪費。因此，船舶節(jié)能性越來越受到船東的重視。根據(jù)實際工況，合理控制設備運行狀態(tài)，提高船舶整體性能，是綠色船舶追逐的目標。

利用變頻器實現(xiàn)調速運行是節(jié)約能源的有效措施。通過改變電源的頻率，得到不同的轉速[1]；設定不同的運行速度，得到不同的功率[2-3]。因此，進行自動有效地調速，根據(jù)船舶航行的實際工況得到最佳的運行速度，是實現(xiàn)節(jié)能的關鍵。為此，本文分析了風機變頻調速節(jié)能原理，對機艙風機的PID調節(jié)控制進行研究，并計算63 500 t散貨船變頻控制的機艙風機燃油量。

1 風機的變頻調速節(jié)能原理

變頻風機的頻率不是固定的，而是可以進行動態(tài)調整的。綜合考慮到成本及實際工況，變頻風機的頻率一般選擇為30～60 Hz可調。

電機是船舶機艙風機的動力源。機艙風機主要依靠電機轉速來驅動風機葉輪。根據(jù)異步電動機的工作原理，交流異步電動機的轉速按式(1)計算[4]：

(1)

式中：s、p、f分別為轉差率、極對數(shù)、電源頻率。

s、p為常值，因此根據(jù)式(1)可知：只要改變電源頻率，就可以改變風機的轉速。

通過改變電機轉速來改變風機轉速時，其電機效率基本不變，但風量qv與轉速成正比，功率P與轉速的n立方成正比[2]。故風量、功率與轉速有如下關系：

(2)

式中：P1為實船功率；P2為額定功率；n1為實船轉速；n2為額定轉速。

由式(1)和式(2)可以看出，當風機頻率降低時，風機的轉速也會降低。風機的轉速降低后其風量降低，有效功率也大幅降低[2]。這就是變頻風機節(jié)能的主要理論論據(jù)。

2 機艙風機的PID調節(jié)控制

2.1 典型PID控制及作用

“P”是比例控制。單獨的比例控制也稱“有差控制”，輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關系，偏差越大輸出越大。

“PI”是比例積分控制。比例控制不能最終消除余差的缺點限制了它的單獨使用，克服余差的辦法就是在比例控制的基礎上增加積分控制作用。積分控制器的輸出與輸入偏差對時間的積分成正比。只要偏差存在，輸出就會不斷累積(輸出值越來越大或越來越小)，一直到偏差為零，累積才會停止?！癙I”將兩者結合，既能通過比例控制作用加快響應速度，又能通過積分控制作用消除余差，但卻降低了響應速度。

“PID”是比例積分微分控制，也是最為理想的控制方式。它集三者之長，既能通過比例作用加快響應速度，又能通過積分作用消除余差，還能通過微分作用實現(xiàn)超前控制。PID調節(jié)器加快了系統(tǒng)的動作，減少了調整時間，從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。

2.2 機艙風機的PID調節(jié)控制

在船舶實例運用中，將機艙溫度和機艙內外壓差作為PID調節(jié)的依據(jù)，將正常環(huán)境的溫度值和內外壓差值作為PID調節(jié)的最終目標，從而實現(xiàn)無偏差調節(jié)。在科技發(fā)達的今天，正是由于PID功能的優(yōu)越性、靈活性、廣泛性，使得變頻器的功能大都集成了PID，簡稱“內置PID”。典型的機艙風機變頻PID調節(jié)控制原理圖見圖1。

圖1 變頻器內置PID調節(jié)控制原理圖

圖1中：

比例控制P就是機艙風機輸出的風量是否滿足船舶航行時機艙設備所需的風量，是否能夠達到正常的設定值。

比例積分控制PI按照一定的邏輯判斷，根據(jù)船舶實際的工況對風機的運行速度進行控制。如果機艙溫度變高或者機艙內外壓差變大，就增加風機轉速；反之，機艙溫度降低或者機艙內外壓差減小，就降低風機轉速。

比例積分微分控制PID根據(jù)各個傳感器測量的數(shù)據(jù)進行分析比較。當實際的情況與設定值差距很大時，則快速地提高或降低風機的運行速度；當實際情況與設定值接近時，則緩慢地調速，直到無限接近或達到設定值[5]。

3 實船應用

63 500 t散貨船的機艙配有4臺機艙供風機，風機頻率可調，范圍為30～60 Hz，并選用施耐德變頻器及配套PLC控制模塊。根據(jù)上述PID調節(jié)方案，通過監(jiān)測機艙環(huán)境溫度及機艙內外壓差與設定值進行比較，從而進行實時調節(jié)。

為了保證反饋裝置的準確性，需要進行多點采集數(shù)據(jù)。由于船舶機艙較大，故根據(jù)船舶運行的特點，分別對機艙的3臺發(fā)電機上方和主機的上方這4個重要設備周圍的空氣溫度進行監(jiān)測，并以這些主要設備周圍的溫度作為機艙整體溫度的依據(jù)。為了客觀地反映出真實的室內外壓差，最終將壓差傳感器定位在進機艙入口處。

船舶正常航行時，機艙的環(huán)境溫度設定為40 ℃；機艙通風維持正壓，通常不超過50 Pa[6]，該船機艙內外壓差設為50 Pa。為保證測量的準確性，機艙溫度傳感器量程設為0～100 ℃，壓差傳感器量程設為0～100 Pa。

在船舶設計之初，機艙的設計溫度決定了機艙風機的選型，且船舶設備對環(huán)境溫度的要求較高。若溫度過高，會導致設備不能正常運行甚至停機，故確保機艙環(huán)境溫度尤為重要。機艙風機PID調節(jié)示意圖見圖2。從流程圖中可以看到，在PID調節(jié)中，若機艙環(huán)境溫度大于或等于40 ℃，此時不考慮機艙內外壓差，優(yōu)先考慮降溫，直接快速將風機轉速調至最大，變頻器100%輸出，使機艙區(qū)域快速進行熱交換，將溫度降至設計溫度以下，以保證設備的正常運行，保證船舶運行安全。

圖2 機艙風機PID調節(jié)示意圖

船舶機艙區(qū)域與室外大氣壓差應保持50 Pa正壓差，若出現(xiàn)負壓，則表示機艙的進氣量不足，機艙設備運行所需的空氣不足。在確保機艙環(huán)境溫度低于40 ℃時，進行邏輯判斷，若此時的機艙內外壓差小于50 Pa，則表示此時機艙的供風量不夠，PLC給出增加轉速判斷，通過變頻器增加頻率來增加風機轉速；當機艙內外壓差大于50 Pa，則表示此時機艙的供風量有富余，PLC給出降低轉速判斷，通過變頻器降低頻率來減少風機轉速；若此時機艙內外壓差正好維持在50 Pa，則保持風機轉速不變，變頻器保持當前的頻率以保持風機轉速。

從圖2看出，PID調節(jié)是一個閉環(huán)調節(jié)過程。風機的轉速根據(jù)實際情況進行調節(jié)，使得最終機艙溫度及內外壓差達到或者無限接近設定值，滿足船舶運行要求。

4 基于PID調節(jié)的變頻控制系統(tǒng)的

節(jié)能計算

機艙風機的PID調節(jié)是基于機艙風機的可變頻控制，若機艙風機為定頻風機，則無法進行調速，PID調節(jié)也無法進行，機艙風機將無法進行自動調節(jié)。因此，PID調節(jié)實現(xiàn)了無人化機艙的升級，解放了船員的雙手。但歸根結底，變頻系統(tǒng)的發(fā)展與關注，源于它對船舶燃油消耗所作出的貢獻。

由式(2)可知，采用變頻調速后，風機的實際輸出功率與實際的流量和額定的流量比值的3次方成正比[2]，即

(3)

調速后，n1

綜合船舶實際工況，63 500 t散貨船機艙每臺風機的額定功率P2為21 kW，一個航次航行60 d，機艙風機綜合設定運行的轉速約為額定轉速的80%，根據(jù)式(4)計算如下：

(4)

一個航次機艙風機可以節(jié)約功率P3為：

P3=(P2-P1)×24×60×4=59 028.48 kW

查閱63 500 t散貨船發(fā)電機資料，發(fā)電機的燃油消耗量為194 g/kWh。因此通過變頻控制的機艙風機所能節(jié)約的燃油量Q為：Q=194P3≈11.5 t

從上述理論計算可以看出，在一個航次過程中，機艙風機的變頻控制降低了實際船舶燃油消耗量。僅一個航次的航行，變頻控制就為船東節(jié)約了約11.5 t燃油，因此船舶中的變頻控制越來越受到船東的歡迎。

5 結論

(1)基于PID調節(jié)的機艙風機變頻控制系統(tǒng)，風機可以依據(jù)機艙內環(huán)境的溫度及機艙內外壓差的變化自動調整轉速。PID調節(jié)是一個實時監(jiān)測、反饋、比較的過程，響應速度快，調節(jié)速度快，最終達到供需平衡。

(2)機艙風機變頻系統(tǒng)通過調整風機轉速，使得在滿足機艙供風量的同時，可以大大降低風機的功率，從而降低船舶的燃油消耗，達到節(jié)能效果。

(3)相比傳統(tǒng)的定頻風機，在船舶運行過程中風機消耗的電能會大大減小，有利于節(jié)能減排；相比傳統(tǒng)的手工變頻調節(jié)，基于PID調節(jié)的變頻控制解決了由于船員經驗不足導致手工調節(jié)出現(xiàn)失誤、造成船舶設備無法正常運行的問題。