謝志豪 鄭超 顧佳磊 段文利

中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院

1 引言

船用冷水機組是船舶空調(diào)系統(tǒng)中的重要設(shè)備，目前主要有活塞式冷水機組和螺桿式冷水機組兩種形式?；钊嚼渌畽C組熱效率高、高速、多缸、能量可調(diào)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易損件多，常用于中、小制冷量場合。螺桿式冷水機組結(jié)構(gòu)簡單，沒有往復(fù)運動部件和吸氣、排氣閥等，轉(zhuǎn)速較高，適用于中等以上制冷量場合[1]。

相較于陸用冷水機組，船用冷水機組工作環(huán)境惡劣，更易發(fā)生故障，一旦故障，會對整個制冷系統(tǒng)造成巨大影響[2]。筆者以螺桿式冷水機組為研究對象，提出引入先進(jìn)的健康管理技術(shù)運用于機組管理，通過編譯健康管理軟件嵌入機組控制管理系統(tǒng)或研制獨立的健康管理設(shè)備，實現(xiàn)對機組的健康評估及預(yù)警，對常見故障進(jìn)行診斷，為管理使用人員提供了健康的輔助決策。

2 健康管理的功能

2.1 冷水機組健康評估及預(yù)警

冷水機組的制冷循環(huán)由壓縮、放熱（冷凝）、節(jié)流和吸熱（蒸發(fā)）四個主要熱力過程組成[3]。機組運行過程中，一旦某個或幾個運行參數(shù)超出正常閾值，都會導(dǎo)致其他很多運行參數(shù)發(fā)生變化，可以預(yù)示冷水機組自身運行狀態(tài)變化趨勢。為了幫助船員實時掌握機組運行情況，冷水機組健康管理應(yīng)具備對冷水機組健康情況評估及預(yù)警功能。

通過連接冷水機組自帶傳感器或配備額外傳感器采集機組運行參數(shù)，并對參數(shù)進(jìn)行儲存、處理、分析、評價，實現(xiàn)機組運行狀態(tài)自檢評估，對機組故障提前預(yù)警。具體采集參數(shù)可參考表1。

表1 機組采集數(shù)據(jù)表

可將冷水機組健康情況按健康、預(yù)警、故障分為三級，對采集運行參數(shù)進(jìn)行分析，按照固定標(biāo)準(zhǔn)對機組健康性進(jìn)行評估，供船員掌握整機的使用情況，具體評估情況可參考表2。

表2 機組健康情況評估表

2.2 冷水機組健康輔助決策

冷水機組故障主要可分為電氣故障、熱力故障、機械故障三大類。目前常見的維修方式是定期對設(shè)備進(jìn)行檢修，但各種故障發(fā)生時間難以確定，所以健康管理需要具備對冷水機組進(jìn)行常見三大類故障進(jìn)行檢測診斷的功能，并將對應(yīng)故障診斷結(jié)果鏈接到相應(yīng)的維修信息管理庫，指導(dǎo)船員進(jìn)行維修，實現(xiàn)為冷水機組提供健康輔助決策功能。同時設(shè)置定時提醒，提醒船員定期對機組進(jìn)行預(yù)防性檢修。

2.2.1 電氣故障檢測診斷

冷水機組常見電氣故障主要有傳感器掉線故障、固定偏差故障和電子膨脹閥執(zhí)行器固定偏差故障。一旦機組中傳感器發(fā)生故障，則機組采集的參數(shù)便無法真實反應(yīng)機組的運行情況，使機組的控制系統(tǒng)做出錯誤調(diào)節(jié)，影響機組正常運行[4]。

傳感器掉線故障是指無論運行參數(shù)實際值怎么變化，其傳感器顯示值都保持一個固定的讀數(shù)而不再改變。固定偏差故障是指顯示值和真實值相差某一固定常數(shù)，其系統(tǒng)誤差是一個常數(shù)[4]。重要位置的傳感器故障將直接影響機組的自動運行。

冷水機組的電動執(zhí)行器有三個位置，干燥過濾器后的供液電子膨脹閥執(zhí)行器、熱氣旁通管路上的電子膨脹閥執(zhí)行器、冷卻水進(jìn)出口管路上的電動三通水量調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器。對于電子膨脹閥執(zhí)行器故障，其故障檢測可通過機組開機前自檢進(jìn)行。機組開機前，電動執(zhí)行器通過modbus485 通訊發(fā)出信號，得到閥位反饋信號，通過將電流信號與閥位信號進(jìn)行對應(yīng)，可由此來判斷執(zhí)行器是否存在卡死或動作不暢等現(xiàn)象。

電氣故障檢測邏輯可參考圖1。

圖1 電氣故障檢測邏輯

2.2.2 熱力故障檢測診斷

冷水機組常見熱力故障有干燥過濾器臟堵、冷凝器水側(cè)臟堵、蒸發(fā)器水側(cè)臟堵、制冷劑充注不足等?？梢酝ㄟ^對冷凝器逼近溫度、冷凝器水側(cè)壓差、蒸發(fā)器水側(cè)壓差和過冷度等故障特征進(jìn)行判斷是否存在故障。

1）干燥過濾器臟堵

干燥過濾器臟堵大多是由管路焊接時產(chǎn)生氧化皮雜質(zhì)所導(dǎo)致。一般輕微的堵塞對系統(tǒng)的性能影響較小，嚴(yán)重的堵塞則對系統(tǒng)的性能影響較大。管路阻塞會使高壓升高、低壓降低。

可通過試驗?zāi)M干燥過濾器臟堵，調(diào)節(jié)安裝在過濾器前的截止閥的開度，逐步關(guān)小，相當(dāng)于在制冷劑進(jìn)入膨脹閥前先進(jìn)行了一次節(jié)流，記錄機組運行數(shù)據(jù)。

2）冷凝器水側(cè)臟堵

冷凝器是冷水機組重要組件，是機組制冷循環(huán)中的冷源，其將壓縮機排出的過熱制冷劑蒸氣進(jìn)行冷凝，變?yōu)橐簯B(tài)制冷劑。在機組長時間運行后，冷凝器水側(cè)表面往往會出現(xiàn)結(jié)垢，導(dǎo)致管壁增厚。如不及時清洗冷凝器水垢，導(dǎo)致熱阻增大，冷凝效果下降，冷凝溫度/壓力升高，機組功率增大，冷卻水進(jìn)出口阻力變大。

可通過試驗?zāi)M冷凝器水側(cè)臟堵故障，手動調(diào)節(jié)冷卻水出水閥門開度，逐步降低冷卻水流量，從而模擬冷凝器水管路阻塞工況，計算不同流量情況下冷卻水進(jìn)出口壓差[3]。

3）蒸發(fā)器水側(cè)臟堵

蒸發(fā)器結(jié)垢會對換熱性能產(chǎn)生不良影響，冷媒水進(jìn)出口阻力變大，蒸發(fā)效果差，蒸發(fā)壓力低，吸氣過熱度減小。

可通過試驗?zāi)M蒸發(fā)器水側(cè)臟堵故障，手動調(diào)節(jié)冷媒水出水閥門開度，減小冷媒水流量，從而逐步降低模擬冷媒水側(cè)阻塞，計算出不同流量情況下進(jìn)出口壓差。

4）制冷劑充注不足

目前船用的制冷劑大多滲透性較強，在機組制冷循環(huán)中一旦制冷劑發(fā)生泄露，會造成蒸發(fā)器供液不足，導(dǎo)致制冷量和蒸發(fā)溫度下降，壓縮機吸氣溫度升高，電流減小，功率下降。蒸發(fā)器缺液也可能是膨脹閥開度太小。進(jìn)入膨脹閥的液體含有氣體。膨脹閥兩端壓差減小。換熱管存在泄漏點等。

可通過試驗?zāi)M制冷劑充注不足故障，先將系統(tǒng)抽真空，手動改變制冷劑充注量，先模擬制冷劑嚴(yán)重不足的工況，如制冷劑充注量比正常值小50%，然后逐步增加充注量，模擬其他工況，記錄各種充注量工況下冷水機組的運行數(shù)據(jù)。

2.2.3 壓縮機故障檢測診斷

壓縮機是機組重要部件，壓縮機常見故障主要包括轉(zhuǎn)子故障，螺桿嚙合不良和軸承故障等，需要對與這些故障相關(guān)的振動特征信號進(jìn)行檢測，判斷其是否超過閾值以便進(jìn)行及時預(yù)警。

壓縮機軸承座直接承受機器基本動載荷，是決定壓縮機運行狀態(tài)的關(guān)鍵部位?？梢栽谂c軸承座直接相連的機體側(cè)排氣法蘭上安裝加速度測量傳感器，對壓縮機振動參數(shù)進(jìn)行采集分析，從而實現(xiàn)壓縮機故障檢測診斷。

2.2.4 預(yù)防性維修輔助決策

在機組運行中常需要對機組部件進(jìn)行定期進(jìn)行預(yù)防性維修，并對損耗部件進(jìn)行更換，如定期將冷凝器端蓋上的防蝕塊進(jìn)行換新。清洗冷凝器傳熱管。清洗干燥過濾器并更換干燥過濾器濾芯。檢查機組控制箱內(nèi)外部接線盒數(shù)據(jù)顯示控制功能等。

通過預(yù)防性維修，可減少機組故障率，且相對于故障修理難度較小，適合船員日常航行中完成。健康管理應(yīng)具備定時提醒船員進(jìn)行預(yù)防性修理的功能，并自動連接到預(yù)防性維修信息庫，通過視頻教程或文字教程等方式指導(dǎo)船員進(jìn)行預(yù)防性修理。

2.2.5 故障維修輔助決策

當(dāng)健康管理診斷出機組故障時，應(yīng)及時進(jìn)行機組健康性報警，并自動將故障鏈接到到相應(yīng)的維修信息管理庫，針對不同故障信息提供不同的維修輔助決策，通過視頻教程或文字教程等方式指導(dǎo)船員或維修人員進(jìn)行相應(yīng)維修操作，排除故障。

具體故障維修決策表見可參考表3。

表3 故障維修決策表

2.3 自我學(xué)習(xí)更新功能

機組健康輔助決策是健康管理的其核心功能，即使是相同型號冷水機組因其所在船只的使用情況不同，實際運行情況也會有明顯差異。在航行過程中機組運行數(shù)據(jù)不斷累積，健康管理需要具備對這些歷史數(shù)據(jù)自我學(xué)習(xí)的功能，進(jìn)一步優(yōu)化修正自身輔助決策模型，實現(xiàn)自我學(xué)習(xí)更新。

可由船員設(shè)置輔助決策模型更新周期，在機組停止運行時，選擇、讀取數(shù)據(jù)庫中歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行自我學(xué)習(xí)更新，學(xué)習(xí)結(jié)果保存到模型文件，再次運行時就使用經(jīng)過自我學(xué)習(xí)的新模型，根據(jù)實時數(shù)據(jù)調(diào)用新模型進(jìn)行診斷及預(yù)測。

3 技術(shù)重難點分析

冷水機組系統(tǒng)較為復(fù)雜，具有控制點多、控制參數(shù)多的特點，診斷過程易受到很多干擾，為實現(xiàn)精確的機組健康輔助決策，需要攻克穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)判別優(yōu)化和故障檢測診斷模型優(yōu)化這兩個技術(shù)重難點。

3.1 穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)判別優(yōu)化

在對機組進(jìn)行健康管理時，首先需要對采集的機組運行數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)判別，剔除其中異常的測量信息。自動排除開停機時機組未達(dá)到穩(wěn)定時的運行數(shù)據(jù)。剔除由于控制的變化，導(dǎo)致的機組瞬態(tài)變化較大的運行數(shù)據(jù)。

通過穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的判別優(yōu)化，可以保留系統(tǒng)運行達(dá)到穩(wěn)定時的數(shù)據(jù)，作為健康管理的有效輸入。換言之，系統(tǒng)的瞬態(tài)數(shù)據(jù)不能作為健康管理的可靠輸入，易導(dǎo)致健康管理在對機組進(jìn)行健康評估和故障檢測中出現(xiàn)誤診斷、漏檢測等錯誤的判斷。所以需要開發(fā)穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)判別模型，提高健康管理的效率和正確率。

可以參考常用的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)判別方法Moving-Window 法，其過程如圖2。

圖2 穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)判別步驟

第一步：通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到冷水機組運行狀態(tài)的原始參數(shù)。

1）選取其中重要運行參數(shù)。

2）將重要物理參數(shù)的測量值作為穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)判別的有效輸入。

第二步：穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)判別。

采用Moving-Window 統(tǒng)計數(shù)學(xué)模型，完成以下的內(nèi)容：

1）讀取冷水機組當(dāng)前的運行參數(shù)。

2）模型計算出當(dāng)前一段時間內(nèi)的統(tǒng)計指標(biāo)：均值、方差等。

3）采用Moving-Window 模型，計算判斷當(dāng)前時刻的參數(shù)是否含有瞬態(tài)數(shù)據(jù)。

4）若含有瞬態(tài)數(shù)據(jù)，則剔除該數(shù)據(jù)，等待下一個采樣時刻。

第三步：獲得處理完畢的數(shù)據(jù)，等待診斷。

1）第二步模型的輸出作為穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，作為后續(xù)健康管理模型的輸入。

2）根據(jù)篩選及其預(yù)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行機組健康評估與故障檢測。

3.2 故障檢測診斷模型優(yōu)化

健康管理需要能在船舶航行時對機組實時穩(wěn)態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析，通過故障檢測診斷模型實現(xiàn)輔助決策功能。

過去幾十年，很多專家學(xué)者的研究已經(jīng)取得了顯著成果，眾多研究者將主元分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機、支持向量數(shù)據(jù)描述等技術(shù)應(yīng)用于冷水機組故障檢測與診斷領(lǐng)域[5]。關(guān)于建立機組故障檢測診斷模型，不斷細(xì)分各故障判斷方法和具體診斷邏輯，可參考陸用冷水機組故障診斷策略相關(guān)文獻(xiàn)資料，或與在冷水機組故障檢測診斷方面有較好成果的企業(yè)、高校、科研機構(gòu)聯(lián)合研究開發(fā)船用冷水機組故障檢測診斷模型，攻克技術(shù)難點。

4 展望

隨著現(xiàn)代船舶技術(shù)發(fā)展，船舶系統(tǒng)設(shè)備更新速度加快。本文對健康管理技術(shù)在船用冷水機組的應(yīng)用提出了功能要求和初步技術(shù)路線，對今后實船冷水機組健康管理設(shè)備研制有一定的參考意義。目前智能船舶是船舶設(shè)備研究發(fā)展的重要方向[6]，將健康管理等先進(jìn)技術(shù)運用于船舶空調(diào)、冷藏、通風(fēng)等領(lǐng)域，可以將艦船裝備研究、設(shè)計提高到新水平。