船舶冷卻海水泵變頻控制模式應(yīng)用研究

吳鵬飛，霍旭穎

（1. 上海外高橋造船有限公司，上海 200137；2. 上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所，上海 200135）

0 引 言

中央冷卻水系統(tǒng)是目前運(yùn)用最為廣泛的一種冷卻水系統(tǒng)，它由冷卻海水泵、中央淡水冷卻器、冷卻淡水泵、自動三通溫控閥以及被冷卻設(shè)備組成。冷卻淡水泵向各個需要冷卻的設(shè)備輸送冷卻淡水，自動三通溫控閥將冷卻后的淡水溫度控制在 36℃。中央淡水冷卻系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：1) 在設(shè)備內(nèi)循環(huán)的冷卻水是淡水，不易產(chǎn)生因水垢而發(fā)生傳熱效率下降乃至堵塞的現(xiàn)象；2) 由于淡水不受鹽分析出的溫度限制，其溫度可以達(dá)到85～95℃，這樣就可降低高溫件表面與冷卻水之間的溫差，被冷卻水帶走的熱量就可以降低，有利于提高設(shè)備的熱效率；3) 減少海水泵以及海水冷卻器的數(shù)量，降低成本；4) 由于減少海水冷卻器設(shè)備，因而減少了很多換熱器拆洗工作，大大減少了日常維護(hù)的工作[1]。

1 海水泵變頻節(jié)能系統(tǒng)

在設(shè)計(jì)中央冷卻水系統(tǒng)時，要求冷卻系統(tǒng)滿足船舶在熱帶航行時所有機(jī)艙水冷設(shè)備的冷卻需求，而對應(yīng)的海水溫度為 32℃，即當(dāng)船舶航行在非熱帶區(qū)域，機(jī)艙設(shè)備并未滿負(fù)荷運(yùn)行，整個系統(tǒng)的冷卻能力是過剩的。由于系統(tǒng)中淡水冷卻側(cè)的流量受制于設(shè)備的正常運(yùn)作，因此不能隨意調(diào)整變動。而對于海水側(cè)，由于其受熱情況取決于設(shè)備運(yùn)作負(fù)荷以及海水初始溫度，海水初始溫度越低，海水泵實(shí)際需要的流量越小，再加之為了提高營運(yùn)效益而主動降低主機(jī)負(fù)荷，導(dǎo)致冷卻海水泵的能力長期過剩。為了節(jié)約這部分能量，海水泵采用降速（功率）運(yùn)行，目前此項(xiàng)技術(shù)主要分為兩個方向，一是利用雙速電機(jī)作為冷卻海水泵的驅(qū)動電機(jī)，二是利用變頻技術(shù)使冷卻海水泵降速運(yùn)行。雙速電機(jī)投資少，實(shí)施簡單，但節(jié)能效果有限，而變頻技術(shù)的運(yùn)用使得海水泵負(fù)荷更加貼合水溫及負(fù)荷的實(shí)際情況，能節(jié)約更多能源，如圖1所示。使用變頻技術(shù)的水泵流量隨著負(fù)荷的降低而降低，且水溫越低，海水泵的流量也越低，同時其電機(jī)功率也降低。

圖1 海水量和負(fù)荷及溫度之間的關(guān)系

圖2 變頻控制冷卻海水泵系統(tǒng)

圖3 變頻控制冷卻海水泵邏輯圖

圖2 是典型的變頻冷卻海水泵的系統(tǒng)原理圖，淡水管路a處的溫度作為控制系統(tǒng)的主要控制量，自動三通溫控閥旁通管路開啟作為控制系統(tǒng)的次要控制量，海水管路的出口溫度作為系統(tǒng)安全控制量。當(dāng)a處溫度超過設(shè)定的36℃時，表明系統(tǒng)冷卻不充分，因此需增大海水泵的流量；當(dāng)a處的溫度小于36℃時，表明系統(tǒng)過冷，需要減少冷卻水量，同時還要兼顧海水出口溫度是否超出安全值（49℃），因?yàn)樵诤Ｋ髁拷档蜁r，海水的溫升會加大，為防止海水鹽分析出，海水出口溫度達(dá)到安全界限時海水泵不能再降速，只能依靠自動三通溫控閥來自動調(diào)節(jié)淡水溫度；當(dāng)a處的溫度等于36℃時，旁通管路開啟，表明系統(tǒng)的冷卻能力過剩，需要海水泵降速，迫使自動三通溫控閥動作，最終使所有的淡水都流向冷卻器，直至旁通管路完全關(guān)閉，系統(tǒng)進(jìn)入平穩(wěn)運(yùn)行的節(jié)能模式。如圖3所示，控制系統(tǒng)不斷地檢測淡水溫度，使海水泵的流量隨著負(fù)荷和外界溫度的變化而變化，來實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

由于該控制系統(tǒng)不能感知冷卻器中的污垢，如果污垢增多，會導(dǎo)致傳熱效率下降，控制系統(tǒng)會自動增加海水泵的流量以保證更高的溫差，確保冷卻系統(tǒng)正常運(yùn)行。這樣就會增加海水泵的能耗。目前采用系統(tǒng)定時使海水泵滿負(fù)荷運(yùn)行一段時間，通過冷卻器內(nèi)的壓力變化來沖走冷卻器內(nèi)的污垢，保證系統(tǒng)在低能耗狀態(tài)中運(yùn)行。

2 節(jié)能效果預(yù)估

由于冷卻海水泵為離心式水泵，由離心泵原理可知[2]：

式中：H——水泵的揚(yáng)程；Q——水泵的流量；N——水泵的輸出功率；n——水泵的轉(zhuǎn)速。

由計(jì)算式得知，如果海水泵的流量減半，就只需要原來一半的轉(zhuǎn)速，由此其軸功率只需要原來的1/8，其節(jié)能效果立竿見影。

然而，由于轉(zhuǎn)速減半，其揚(yáng)程只達(dá)到原來的1/4，對克服阻力是非常不利的，但對管路系統(tǒng)，其阻力損失也剛好和流量近似平方關(guān)系，當(dāng)海水泵的流量減半時，管路的阻力損失也只有約原來的1/4。只要海水泵在設(shè)計(jì)狀態(tài)下能夠克服管路阻力，那么其在降速狀態(tài)下也能夠克服與之對應(yīng)的管路阻力?；谶@一點(diǎn)，在設(shè)計(jì)變頻控制系統(tǒng)時就可忽略水泵與管系的特性匹配問題，只需考慮傳熱過程與節(jié)約功率。

系統(tǒng)的海水設(shè)計(jì)溫度為32℃，但海水的常年平均溫度約為17℃，因此，中央冷卻系統(tǒng)很少有時間處在滿負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)；如果船舶主動降低航速運(yùn)行更加不可能滿負(fù)荷工作，因此海水泵的節(jié)能空間很大，使用變頻技術(shù)來控制海水泵相當(dāng)有必要。

3 帶前端控制的冷卻海水泵變頻控制

由于整個系統(tǒng)屬于閉式控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的動作總是滯后于系統(tǒng)的實(shí)際變化，在機(jī)艙設(shè)備負(fù)荷突然增大時，熱負(fù)荷激增，使冷卻水不能在第一時間得到冷卻，導(dǎo)致某些機(jī)艙設(shè)備的部件發(fā)生冷卻水溫度高的故障報(bào)警，及海水出口溫度突然超過49℃出現(xiàn)鹽分大量析出，且對積垢無法探知。為了解決上述問題，提出帶前端控制的模式：由于機(jī)艙設(shè)備負(fù)荷發(fā)生變化最終反映為冷卻淡水溫度的變化，因此可以通過冷卻器的淡水入口溫度和流量以及海水入口溫度，分析出海水需要的流量，然后匹配對應(yīng)的轉(zhuǎn)速和輸入頻率，當(dāng)溫度變化后的淡水進(jìn)入冷卻器的同時海水流量也隨著變化，從而減少淡水溫度的波動，使冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定。

在圖2的基礎(chǔ)上在淡水回水管路b處加裝了溫度傳感器來感知冷卻系統(tǒng)熱負(fù)荷的變化，見圖4，這樣控制箱就可以通過淡水和海水溫度的變化來分析出海水流量，調(diào)整海水泵至適合流量。同樣，只有當(dāng)海水的出口溫度達(dá)到49℃時才開始使用溫控閥來調(diào)節(jié)，以防止海水溫度過高造成鹽分析出。為此提出如下兩套解決方案。

3.1 直接計(jì)算海水泵流量的控制方法

整個控制核心在中央淡水冷卻器上，通過淡水的出入口溫差以及淡水流量可以很容易地確定熱交換量：

對于已知的熱交換器的熱交換面積，由傳熱學(xué)公式：

熱交換器的熱交換率k和對數(shù)溫差mtΔ之間的變化，在確定熱交換率和對數(shù)溫差后海水出口溫度以及流量也就迎刃而解了。根據(jù)傳熱學(xué)公式，換熱器的傳熱系數(shù)k可由下列公式得出[3]：

圖4 帶前端控制的變頻冷卻海水泵系統(tǒng)

式中：1h、2h——分別為冷卻器兩側(cè)流體的對流換熱系數(shù)，可使用對流換熱公式來確定：

式中： C , n, m——常數(shù)，可從冷卻器廠家處獲得。

當(dāng)?shù)臏囟劝l(fā)生變化時，其雷諾數(shù)Re和普朗特?cái)?shù)Pr發(fā)生變化，而流量未發(fā)生變化，則可以算出新的Nu，根據(jù) N u = h1·l/ λ 計(jì)算出淡水側(cè)的傳熱系數(shù)，接著將 h1帶入傳熱系數(shù)公式，這樣k就變成了與海水流量和海水溫度的函數(shù)，同時Δtm也是海水流量和海水溫度的函數(shù)，對確定的海水入口溫度，換熱量Φ′就成了只與海水流量有關(guān)的函數(shù)，如圖5所示。由于函數(shù)很難用解析解描述，故使用數(shù)值計(jì)算的方法來求解，求解流程如圖6所示。

控制過程如圖7，熱負(fù)荷和海水溫度發(fā)生變化時，控制器直接計(jì)算出對應(yīng)的海水流量，然后直接調(diào)整水泵至需要流量，這樣海水泵能在熱負(fù)荷和外界環(huán)境發(fā)生變化的第一時間作出反應(yīng)，而不是被動式地調(diào)整，從而削弱了系統(tǒng)的熱負(fù)荷沖擊。如果海水泵實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)比計(jì)算的狀態(tài)要差，說明冷卻器中有污垢存在，應(yīng)進(jìn)行清洗。

圖5 海水流量Q和熱交換量Φ′之間的關(guān)系Φ′=f(Q)

3.2 基于數(shù)據(jù)庫的控制方法

基于數(shù)據(jù)庫的控制方法不需知道換熱器的換熱公式，也不需要計(jì)算海水泵的流量和轉(zhuǎn)速，只需要“記住”不同狀態(tài)下海水泵的轉(zhuǎn)速，在下次遇到類似狀態(tài)時，通過“記憶”直接輸出對應(yīng)轉(zhuǎn)速，也能達(dá)到防止熱負(fù)荷沖擊的效果。該方法可視為對典型變頻控制系統(tǒng)的優(yōu)化，如圖8所示。該系統(tǒng)是根據(jù)淡水和海水的入口溫度向數(shù)據(jù)庫查找對應(yīng)的海水泵轉(zhuǎn)速，如果此轉(zhuǎn)速存在，直接調(diào)整海水泵轉(zhuǎn)速至需要值，如果數(shù)據(jù)庫不存在對應(yīng)的值，則以淡水溫度a作為主要控制對象，以旁通量作為次要控制對象，調(diào)整海水泵轉(zhuǎn)速至需要的數(shù)值，同時將此時的海水溫度c、淡水溫度b和海水泵轉(zhuǎn)速存入數(shù)據(jù)庫，以便下次直接讀取。

圖7 有前端計(jì)算控制的海水泵變頻控制

圖6 海水流量Q的數(shù)值計(jì)算過程

圖8 基于數(shù)據(jù)庫的海水泵變頻控制

由于污垢的客觀存在，所以存入的數(shù)據(jù)可能不是最佳數(shù)據(jù)，為此，系統(tǒng)應(yīng)能夠自動判別，如果已存入的舊數(shù)據(jù)比后來的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)結(jié)果要差，說明存入的舊數(shù)據(jù)對應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)含有污垢，那么就用新數(shù)據(jù)替代舊數(shù)據(jù)，為以后的運(yùn)行提供更準(zhǔn)確的指導(dǎo)。另外一方面，當(dāng)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)運(yùn)行狀態(tài)不能滿足實(shí)際運(yùn)行需求，說明冷卻器內(nèi)存在污垢，系統(tǒng)會調(diào)整海水泵進(jìn)行沖洗操作，使冷卻系統(tǒng)保持良好的運(yùn)行狀態(tài)，使海水泵更加節(jié)能。因此該系統(tǒng)同樣也能做到自動監(jiān)測污垢。

4 結(jié) 語

變頻控制冷卻海水泵能夠降低對船舶電站的負(fù)荷，從而節(jié)約了能源，降低了運(yùn)營成本，投資回報(bào)率相當(dāng)高，是一項(xiàng)值得推廣的技術(shù)。帶有前端控制的海水泵變頻控制技術(shù)能夠使海水泵對熱負(fù)荷和海水溫度的變化提前作出響應(yīng)，削減了對冷卻系統(tǒng)的熱沖擊，確保設(shè)備正常運(yùn)營，同時也能夠判斷換熱器內(nèi)是否存在污垢，保證了換熱器的高效使用。

[1] 陳紹綱，朱國偉，李渤仲，等. 輪機(jī)工程手冊[M]. 北京：人民交通出版社，1992.

[2] 姚壽廣. 船舶輔機(jī)第一版[M]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2004.

[3] 史美中，王中錚. 熱交換器原理與設(shè)計(jì)第二版[M]. 南京：東南大學(xué)出版社，2005.

[4] 楊世銘，陶文銓. 傳熱學(xué)第三版[M]. 北京：高等教育出版社，1998.