半潛打撈船機(jī)艙風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邵坤明，張興權(quán)，王同盟

（招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇南通 226116）

0 引言

機(jī)艙是船舶動力設(shè)備布置最集中的處所，通常會布置主機(jī)、主發(fā)電機(jī)組，以及鍋爐、空壓機(jī)等相關(guān)輔機(jī)設(shè)備。主機(jī)、主發(fā)電機(jī)組和鍋爐等設(shè)備在工作時(shí)需要消耗大量空氣并產(chǎn)生大量熱量，需要配備機(jī)艙風(fēng)機(jī)為這些設(shè)備提供足夠的空氣，并將熱量及有害氣體排到室外，以保證機(jī)艙內(nèi)溫度合適、空氣足夠。在船舶運(yùn)營過程中，不同工況下主機(jī)和主發(fā)電機(jī)組等設(shè)備的使用情況不同，對機(jī)艙內(nèi)新風(fēng)的需求量也不同。在進(jìn)行機(jī)艙風(fēng)機(jī)的選型時(shí)，一般根據(jù)最大工況需要的風(fēng)量來確定風(fēng)機(jī)功率，對于未安裝變頻控制系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)，在任何工況下風(fēng)機(jī)均按額定功率進(jìn)行工作，這往往會造成電能浪費(fèi)。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻控制技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，為節(jié)能降耗提供了重要手段[1]。利用變頻控制技術(shù)，根據(jù)不同工況對風(fēng)量的需求調(diào)節(jié)機(jī)艙風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)量，進(jìn)而減少能耗。

本文以某半潛打撈船為例，對機(jī)艙風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、溫度傳感器和壓差傳感器的布置要求及變頻控制邏輯進(jìn)行分析，在保障機(jī)艙內(nèi)壓力維持在20～50 Pa的前提下，根據(jù)機(jī)艙溫度調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的自動運(yùn)行。

1 項(xiàng)目概況

本船為長約250 m、寬約60 m的四島式，無常規(guī)艏樓，方艉半潛打撈船。船舶航行于無限航區(qū)，具備DP2（Dynamic Positioning 2）級動力定位能力，采用全電力推進(jìn)，可用于大型船舶的整體打撈，以及大型海洋油氣裝備、超大型海上裝備的運(yùn)輸工作。

本船在運(yùn)營過程中工況較多，且各個(gè)工況對電力負(fù)荷的需求差異較大，導(dǎo)致不同工況對機(jī)艙風(fēng)量的需求差異較大。

2 機(jī)艙風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本船的機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)依據(jù)ISO 8861: 1998標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]，機(jī)艙內(nèi)保持輕微的正壓，且不大于50 Pa。在正常工況時(shí)，送風(fēng)機(jī)吸入外界35 ℃的新風(fēng)，并送入機(jī)艙，風(fēng)量滿足機(jī)艙內(nèi)所有設(shè)備在 100%負(fù)荷下正常運(yùn)行的要求。

本船機(jī)艙分為前后2個(gè)區(qū)域，通風(fēng)相互獨(dú)立。每個(gè)機(jī)艙分為上、下兩層，2層間的空氣可自由混合。每個(gè)機(jī)艙由2臺變頻軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行送風(fēng)，機(jī)艙的廢氣通過煙囪棚上的排風(fēng)百葉窗排出。機(jī)艙風(fēng)機(jī)采用變頻控制，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）根據(jù)采集到的機(jī)艙內(nèi)外的壓差值和機(jī)艙內(nèi)實(shí)際溫度偏離預(yù)先設(shè)定值的情況，自動調(diào)節(jié)變頻風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，保證將機(jī)艙內(nèi)的壓力和溫度控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。變頻控制根據(jù)機(jī)艙內(nèi)和室外環(huán)境的具體情況，通過調(diào)整機(jī)艙內(nèi)送入的新風(fēng)量來滿足設(shè)備的要求，使機(jī)艙內(nèi)達(dá)到相對適宜的環(huán)境，同時(shí)也可減少機(jī)艙風(fēng)機(jī)的能耗[3]。

2.1 機(jī)艙風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)的組成

機(jī)艙的變頻風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)包括變頻器、溫度傳感器（Temperature Transmitter，TT）、壓差傳感器（Differential Pressure Transmitter，DPT）、PLC控制單元及液晶觸摸操作屏等。本船機(jī)艙風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)組成情況見圖1。

圖1 本船風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)組成情況

2.2 溫度傳感器和壓差傳感器安裝位置的選擇

本船的機(jī)艙風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)根據(jù)機(jī)艙內(nèi)外的壓差值和機(jī)艙內(nèi)溫度值偏離設(shè)定值的情況對變頻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，進(jìn)而滿足機(jī)艙設(shè)備的要求。壓差傳感器和溫度傳感器的安裝位置對風(fēng)機(jī)的變頻控制起到至關(guān)重要的作用。

本船機(jī)艙最主要的散熱設(shè)備為主柴油機(jī)組和鍋爐。利用計(jì)算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件分析機(jī)艙壓力場和溫度場的分布情況，并確定壓差傳感器和溫度傳感器的數(shù)量和安裝位置。

在進(jìn)行溫度傳感器和壓差傳感器安裝位置的選擇時(shí)，需要滿足以下要求：

1）在每個(gè)柴油機(jī)組增壓器的附近布置壓差傳感器和溫度傳感器。

2）在1號機(jī)艙和2號機(jī)艙的煙囪區(qū)域布置壓差傳感器和溫度傳感器，避免煙囪區(qū)域溫度過高。

3）在鍋爐附件等易產(chǎn)生過高溫度的位置布置壓差傳感器和溫度傳感器。

4）在分油機(jī)間布置溫度傳感器。

5）在氣流組織均勻處布置壓差傳感器和溫度傳感器，要注意避開排氣管、冷風(fēng)機(jī)出口、熱油加熱管等熱源和冷源。

本船機(jī)艙壓差傳感器和溫度傳感器的配置情況見表 1，下層和上層機(jī)艙壓差傳感器和溫度傳感器的布置情況分別見圖2和圖3。

圖2 下層機(jī)艙壓差傳感器和溫度傳感器布置情況

圖3 上層機(jī)艙壓差傳感器和溫度傳感器布置情況

表1 本船機(jī)艙壓差傳感器和溫度傳感器的配置情況

2.3 變頻控制原理和控制邏輯

本船將壓力控制的優(yōu)先級設(shè)為最高級別，保證機(jī)艙內(nèi)始終為正壓，且將機(jī)艙內(nèi)的壓力維持在20～50 Pa。在滿足機(jī)艙壓力的要求下，根據(jù)溫度對風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)。機(jī)艙溫度與壓力的關(guān)系曲線見圖4。在機(jī)艙溫度低于15 ℃時(shí)，機(jī)艙壓力保持在20 Pa；在機(jī)艙溫度高于35 ℃時(shí)，機(jī)艙壓力保持在50 Pa；在機(jī)艙溫度介于15 ℃～35 ℃時(shí)，機(jī)艙壓力隨機(jī)艙溫度的增加線性增加。

圖4 機(jī)艙溫度與壓力的關(guān)系曲線

通常情況下，PLC控制單元根據(jù)機(jī)艙內(nèi)外的壓差值和機(jī)艙內(nèi)溫度值偏離設(shè)定值的情況對變頻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。當(dāng)機(jī)艙內(nèi)外的壓力差低于最低設(shè)定值（20 Pa）時(shí)，加大風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；當(dāng)機(jī)艙內(nèi)外的壓力差高于最高設(shè)定值（50 Pa）時(shí)，減小風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。在設(shè)定的壓力范圍內(nèi)，再根據(jù)機(jī)艙內(nèi)的溫度情況調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)機(jī)艙溫度低于 15 ℃時(shí)，減小風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；當(dāng)機(jī)艙溫度高于 35 ℃時(shí)，加大風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。機(jī)艙風(fēng)機(jī)變頻控制邏輯流程圖見圖5。

圖5 機(jī)艙風(fēng)機(jī)變頻控制邏輯流程圖

3 結(jié)論

機(jī)艙是船舶動力設(shè)備布置最集中的處所，保障機(jī)艙設(shè)備安全運(yùn)行非常重要。本文基于某半潛打撈船，對機(jī)艙風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、溫度傳感器和壓差傳感器的布置要求及變頻控制邏輯進(jìn)行分析，可得到如下結(jié)論：

1）該系統(tǒng)可根據(jù)機(jī)艙內(nèi)壓力和溫度的變化控制機(jī)艙風(fēng)機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷，不僅能滿足機(jī)艙設(shè)備運(yùn)行所需的新風(fēng)，還能保障機(jī)艙風(fēng)機(jī)在不同工況下的自動化運(yùn)行。

2）該系統(tǒng)可有效減少能耗，并降低運(yùn)營成本。