基于變頻控制的中央冷卻系統(tǒng)性能研究

唐 強(qiáng)，張維競(jìng)，許婉瑩

(上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

0 引言

現(xiàn)代的大型船舶一般均采用中央冷卻系統(tǒng)。這種冷卻系統(tǒng)利用舷外的海水通過中央冷卻器對(duì)淡水進(jìn)行冷卻，被冷卻的淡水再去冷卻其他換熱設(shè)備。在這種冷卻系統(tǒng)中，海水不再接觸各種換熱器和主機(jī)設(shè)備，很好地解決了設(shè)備和管路的腐蝕問題，降低了維護(hù)費(fèi)用，提高了系統(tǒng)的可靠性及使用壽命［1－2］。

為了保證船舶安全航行的需要，中央冷卻系統(tǒng)海水泵的設(shè)計(jì)排量是按照船舶的設(shè)計(jì)工況選取的，該工況海水溫度保持32℃，主機(jī)運(yùn)行在最大設(shè)計(jì)功率點(diǎn)［3］。但實(shí)際上，船舶大部分時(shí)間是在低于32℃的海域上航行，而船舶正常航行的主機(jī)功率低于最大設(shè)計(jì)功率，如果中央冷卻系統(tǒng)仍采用傳統(tǒng)的定速泵，由于其轉(zhuǎn)速和流量無法隨系統(tǒng)工況的變化而變化，必然會(huì)導(dǎo)致能源的浪費(fèi)［4］。特別在船舶能效設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)正式實(shí)施的背景下［5］，中央冷卻系統(tǒng)采用變頻技術(shù)，使船舶在不同的運(yùn)行工況下，自動(dòng)調(diào)節(jié)海水泵的運(yùn)行參數(shù)，有利于實(shí)現(xiàn)船舶的節(jié)能減排，降低船舶的運(yùn)營(yíng)成本。

1 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

中央冷卻系統(tǒng)由淡水系統(tǒng)和海水系統(tǒng)兩部分組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1 所示。淡水系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力裝置各設(shè)備進(jìn)行冷卻，使其溫度保持在有效工作范圍內(nèi)［6］，而海水系統(tǒng)則利用低溫海水對(duì)淡水進(jìn)行冷卻，使被冷卻的淡水在淡水回路中循環(huán)利用。

圖1 中央冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

中央冷卻系統(tǒng)的主要換熱元件為中央冷卻器，該冷卻器的作用是將冷卻系統(tǒng)的全部熱負(fù)荷傳遞給海水，使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡。中央冷卻器為板式冷卻器，采用逆流換熱方式，海水和淡水以相反的流動(dòng)方向從熱交換板兩側(cè)的空間流過實(shí)現(xiàn)熱量的交換。

根據(jù)板式冷卻器的換熱原理［7］，分別對(duì)淡水側(cè)和海水側(cè)的換熱過程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。淡水側(cè)的動(dòng)態(tài)方程為

式中 tfi——淡水的進(jìn)口溫度/℃;

tfo——淡水的出口溫度/℃;

mf——淡水側(cè)流量/kg·s－1;

cf——淡水的定壓比熱容/kJ·kg－1·℃－1;

A——中央冷卻器的換熱面積/m2。

ΔT 為中央冷卻器的平均溫差，根據(jù)實(shí)際的換熱原理，計(jì)算采用對(duì)數(shù)平均溫差。其表達(dá)式為

式中 tsi——海水的進(jìn)口溫度/℃;

tso——海水的出口溫度/℃。

中央冷卻器的總傳熱系數(shù)K，可根據(jù)板式冷卻器的傳熱過程［8］，由下式計(jì)算得到

f

－2

℃－1;

αs——海水側(cè)的換熱系數(shù)/kW·m－2·℃－1;

δ——板片的厚度/m;

λ——板片的導(dǎo)熱系數(shù)/kW·m－1·℃－1;

γf——淡水側(cè)的污垢熱阻/m2·℃·kW－1;

γs——海水側(cè)的污垢熱阻/m2·℃·kW－1。

W1為冷卻淡水側(cè)的熱容量，

計(jì)算表達(dá)式為

式中 Mf——冷卻淡水側(cè)的質(zhì)量/kg;

Mc——冷卻器換熱板片的質(zhì)量/kg;

Cc——換熱板片合金的比熱容/kJ·kg－1

·℃－1。

同理，海水側(cè)的換熱方程為

式中

W2——冷卻海水側(cè)的總熱容量/kJ·℃－1;

ms——海水側(cè)流量/kg·s－1;

Cs——海水的定壓比熱容/kJ·kg－1·℃－1。

2 系統(tǒng)變頻控制方案

傳統(tǒng)的中央冷卻系統(tǒng)在選型設(shè)計(jì)時(shí)一般采用定速泵，雖然定速泵的控制和維護(hù)比較簡(jiǎn)單，但由于定速泵不能實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，其在運(yùn)行時(shí)能耗較大［9－10］。隨著航運(yùn)界對(duì)船舶節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高和變頻技術(shù)的日益成熟，變頻泵在中央冷卻系統(tǒng)中得到了推廣和應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在不同工況下的控制要求，需要制定相應(yīng)的變頻控制方案，使控制系統(tǒng)合理地調(diào)整海水泵的運(yùn)行參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

船舶工況的變化主要包括兩種情況，分別為主機(jī)負(fù)荷的變化和海水溫度的變化。當(dāng)主機(jī)運(yùn)行功率降低時(shí)，冷卻系統(tǒng)的熱負(fù)荷降低，所需的冷卻水量減少，變頻泵的能耗降低;當(dāng)海水溫度降低時(shí)，海水的冷卻能力增強(qiáng)，也可減少所需的冷卻水流量，降低變頻泵的能耗。

為了保證各換熱設(shè)備正常、可靠運(yùn)行，需保證冷卻水的進(jìn)出口溫度在一定范圍之內(nèi)，對(duì)于不同類型的船舶，溫度要求略有不同。一般情況下，控制系統(tǒng)的受控參數(shù)為淡水三通閥出口溫度和海水出口溫度?？刂迫ㄩy出口溫度，即保證了冷卻淡水進(jìn)入各換熱器的溫度恒定，確保各設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。而監(jiān)控海水的出口溫度，原因在于如果海水溫度過高，會(huì)導(dǎo)致海水流經(jīng)的設(shè)備和管路出現(xiàn)大量結(jié)垢，從而降低冷卻器的傳熱效率，影響設(shè)備的使用壽命。根據(jù)以上的控制目標(biāo)，制定船舶在不同工況下的變頻控制方案，如圖2 所示。

圖2 變頻控制方案邏輯圖

在圖2 中，三通閥出口溫度T1作為控制系統(tǒng)的主要受控參數(shù)，為了保證各設(shè)備正常運(yùn)行，其溫度保持在設(shè)定溫度36℃。將船舶的工況參數(shù)輸入到中央冷卻系統(tǒng)的模型中，監(jiān)測(cè)此時(shí)系統(tǒng)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)。當(dāng)T1超過設(shè)定的36℃時(shí)，表明系統(tǒng)冷卻不充分，此時(shí)提高變頻泵的頻率，增加冷卻水量;當(dāng)T1小于36℃時(shí)，表明系統(tǒng)冷卻過量，需要降低變頻泵的頻率，減少冷卻水量。而變頻泵的運(yùn)行頻率還要受到系統(tǒng)邊界條件的制約。

海水出口溫度T2以及變頻泵安全運(yùn)行頻率作為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的邊界條件。為了防止海水溫度過高而發(fā)生大量鹽析，當(dāng)海水出口溫度達(dá)到或超過安全界限值48℃時(shí)，海水泵不能再進(jìn)一步降速，此時(shí)需要調(diào)節(jié)系統(tǒng)輔助控制量——三通閥開度來控制淡水的出口溫度，通過減小三通閥開度，減少淡水進(jìn)入中央冷卻器與海水熱交換的流量，可降低海水出口溫度，此時(shí)為了使T1回到設(shè)定溫度，需適當(dāng)提高變頻泵頻率。與此同時(shí)，為了保證變頻泵安全高效運(yùn)行，達(dá)到足夠的出口壓力，其運(yùn)行的頻率值需高于最低安全頻率f0。當(dāng)變頻泵頻率降到f0時(shí)，不能再進(jìn)一步降速，如果此時(shí)T1仍小于36℃，同樣可以通過調(diào)節(jié)三通閥開度來控制淡水出口溫度。

控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的受控參數(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻泵頻率以及三通閥開度，通過循環(huán)判別，以滿足相應(yīng)的邊界條件和控制目標(biāo)，最終保證系統(tǒng)進(jìn)入安全、平穩(wěn)運(yùn)行模式，并獲得此時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。

3 系統(tǒng)仿真分析

結(jié)合前文所述的中央冷卻系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型以及變頻控制方案，對(duì)以某57 000 t 散貨船中央冷卻系統(tǒng)為原型的科研樣機(jī)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真建模。

模擬試驗(yàn)采用的科研樣機(jī)為某57 000 t 散貨船中央冷卻系統(tǒng)按照40∶1 縮比后的物理試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況時(shí)，海水入口溫度為32℃，中央冷卻器理論換熱量為180 kW，冷卻海水流量16 m3/h，冷卻淡水流量12．5 m3/h。將各設(shè)備和元件的初始參數(shù)輸入到模型中，建立該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型，如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)仿真模型圖

為了驗(yàn)證該仿真模型的準(zhǔn)確性，對(duì)該樣機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)周期以海水溫度進(jìn)行劃分，以試驗(yàn)當(dāng)季海水最低溫度為起點(diǎn)，梯度遞增至設(shè)計(jì)工況的32℃，以模擬船舶航行在不同海域的情況。實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，選取9℃、17℃、25℃和32℃四個(gè)海水溫度試驗(yàn)點(diǎn)。

樣機(jī)試驗(yàn)的每一個(gè)海水溫度測(cè)試點(diǎn)又分別選取船舶航行和進(jìn)出港兩類典型工況進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)，記錄各工況的主要運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)，并與對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果進(jìn)行比較。其中，冷卻海水流量和變頻泵功率對(duì)比趨勢(shì)圖如圖4 和圖5 所示。

圖4 冷卻海水流量對(duì)比趨勢(shì)圖

圖5 變頻泵功率對(duì)比趨勢(shì)圖

由圖4 和圖5 的對(duì)比趨勢(shì)圖可以看出，試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果基本位于仿真曲線附近，試驗(yàn)值和仿真值的吻合度較高?？紤]到運(yùn)行試驗(yàn)時(shí)，儀表的數(shù)據(jù)很難穩(wěn)定，存在一定的波動(dòng)，因此從總體上來看差異在工程允許范圍內(nèi)。通過以上趨勢(shì)圖可以看出，當(dāng)主機(jī)負(fù)荷下降或海水溫度降低時(shí)，系統(tǒng)所需的冷卻海水流量減小，變頻泵功率也大幅降低，而當(dāng)工況點(diǎn)進(jìn)一步下降時(shí)，由于受到控制系統(tǒng)邊界條件的制約，海水流量和變頻泵功率不再降低，基本保持在各自的極限位置。研究結(jié)果表明，該仿真模型可以實(shí)現(xiàn)中央冷卻系統(tǒng)的變頻自動(dòng)控制，通過試驗(yàn)值和仿真值的結(jié)果比較，驗(yàn)證了仿真模型的合理性和正確性。

通過變頻泵功率的對(duì)比趨勢(shì)圖可以看出，當(dāng)系統(tǒng)熱負(fù)荷下降或海水溫度降低時(shí)，變頻泵消耗的功率沿相應(yīng)曲線下降，可實(shí)現(xiàn)無極、連續(xù)變化，節(jié)能效果比較明顯?，F(xiàn)模擬船舶在23℃海域穩(wěn)定航行這一工況，為滿足該系統(tǒng)的冷卻要求，根據(jù)仿真計(jì)算可得此時(shí)所需冷卻海水流量為6．7 m3/h，此時(shí)變頻泵運(yùn)行頻率為14． 6 Hz，變頻泵電機(jī)的能耗為0．39 kW。若該系統(tǒng)海水泵組以傳統(tǒng)的配置方式采用三臺(tái)定速泵，按3 ×50%方式配置，每臺(tái)海水泵的排量為8 m3/h，則該工況下定速泵的能耗約為1．2 kW，則與原定速泵的方案相比，采用變頻泵節(jié)能67．5%。該試驗(yàn)的樣機(jī)系統(tǒng)是實(shí)船中央冷卻系統(tǒng)的縮比模型，兩系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同，其節(jié)能效果可以推廣到實(shí)船上的系統(tǒng)，因此中央冷卻系統(tǒng)采用變頻技術(shù)，可以有效的降低船舶能耗。

4 結(jié)論

本文結(jié)合中央冷卻系統(tǒng)的工作原理建立系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，為了使船舶滿足更高的能效標(biāo)準(zhǔn)，中央冷卻系統(tǒng)采用變頻技術(shù)，并運(yùn)用動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)建立仿真模型對(duì)提出的變頻控制方案加以實(shí)現(xiàn)，通過與樣機(jī)試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。從仿真結(jié)果來看，海水泵采用變頻泵可以有效的降低船舶能耗，對(duì)實(shí)現(xiàn)船舶的節(jié)能減排，提高船舶運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

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