船舶主海水冷却泵变频控制的设计应用

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(1.青岛扬帆船舶制造有限公司，山东 青岛 266209；2.中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071)

大型商业运输船舶的冷却系统通常设计为中央冷却系统，即船上所有设备均用淡水冷却，包括主机、辅柴油机、空压机、空调及冷藏装置、大气冷凝器等。船上设置2台(1用1备)或3台(2用1备)电动海水泵提供海水用于冷却淡水，淡水用来冷却船用设备，充分利用了海水的冷量。大型商业运输船舶多为无限航区，跨越纬度较大，包括冰区。在如此宽的纬度范围内，海水表层温度变化也很大(4～30 ℃)；主海水冷却泵设计参数均考虑极限设计(海水温度32 ℃)，且留有一定的余量，冗余较大；且海水泵在航行期间持续运行，是船上的耗电大户。在实际使用中，海水泵几乎是不会满负载运行的，存在较大的节省空间，节能潜力大。综上考虑，设计随海水温度变化自动调整冷却水流量的控制系统。以205 000 DWT散货船为例，介绍船用主海水冷却泵改为变频自动控制系统的设计应用。

1 系统介绍

1.1 工作原理

海水冷却泵(设计参数见表1)为3台66 kW电动离心泵，2台正常使用，1台备用，自动切换。海水泵提供海水做为冷却介质进入2台中央淡水冷却器(设计参数见表2[1])与淡水进行热交换。海水冷却系统见图1，淡水冷却系统见图2，在大部分海水温度较低海区，海水冷却泵容量较大且为持续运行，这样必然消耗大量能源, 海水泵将做大量无用功, 使航行成本增加。

表1 海水泵设计参数

表2 中央淡水冷却器参数

注：换热量为8 470 kW;冷却面积为261 m2。

1.2 海水采用节流调节，淡水采用温控阀调节

通过海水泵出口的阀门来调节流量，不可避免地造成较大的截留损失，高压力等现象，系统稳定性差。而且调节速度慢，控制精度差，浪费了大量的电能。为了保证淡水出口温度恒定，在淡水出口总管设置气动三通温控阀(见图2)，随着负载的变化自动调节旁通水流量。

1.3 海水泵电机采用Y-Δ启动

海水泵电机是采用Y-Δ启动而非直接启动，但启动电流仍然很大，为电机额定电流的3.6倍，高达370 A，这样大的冲击电流严重影响了电网与电机的使用寿命，同时，启动时的机械冲力和水泵停止时的水锤效应容易对机械散件、阀门、管道等造成破坏，从而增加了机械设备的维护费用。

图1 海水冷却管系

图2 淡水冷却管系

2 海水泵可采用的简单节能方式

2.1 设置温度传感器

在海水泵出口总管设PT100温度传感器(见图1)，温度传感器连续测量海水温度，信号反馈给自动控制系统，海水温度低于设定值即可自动停止1台泵，仅1台泵运行，海水温度高于设定值时自动启动第2台泵。

2.2 海水温度的设定值

仅1台海水泵运行时，进入每台冷却器的海水流量需减半，即为250 m3/h。依此计算(见表3)，要满足系统换热量不变的要求，海水温度需要小于等于20.26 ℃。因此在自动控制系统中海水温度值设定为20 ℃，海水温度在设定的20 ℃时，将会自动停止1台泵。

此方式的节能效果非常有限，海水泵不能随着海水温度的变化自动调整冷却水的流量，且负载变化时无法进行自动调节。海水温度为20～32 ℃时，还需要2台泵运行，海水温度低于20 ℃时，也无法再进行节能调节。

表3 中央淡水冷却器参数

注：换热量为8 470 kW；冷却面积261 m2。

2.3 此种节能方式的特点

海水泵采用此方式节能，投资成本低，系统相对简单，但节能效果不明显，系统稳定性差，调节速度慢，调节范围小，与未进行改造的方式几乎无差别。

3 海水泵变频的设计应用

变频技术在近年来有较大的发展，已成功应用于船舶的电力推进与船舶设备，节能效果明显，为船东带来了可观的经济效益[1-2]。

3.1 变频后的工作原理

1)系统介绍。在中央冷却器淡水出口处安装一只PT100温度传感器(见图2)，连续测量冷却器排出口总管淡水温度，信号反馈给变频自动控制系统。设定淡水温度值(36 ℃)，排出口监测的温度值反馈到自动调频系统，进行±频率调整，驱动海水泵电机根据频率的变化而改变转速，海水泵的流量也随之变化，由此构成一闭环自动调节系统。

2)电气原理。实践中，由于变频器投资成本较高，可采用调速与定速混合供水，根据温度变化，第1台海水泵变频启动转为工频后，再变频启动第2台海水泵。考虑到同型号的水泵一调速一定速并列运行时，虽然调度灵活，但由于无法兼顾到调速泵与定速泵的高效工作阶段，此种情况下调速运行的范围是很小的。因此，本系统电气部分设计为全变频驱动，原理设计见图3[2]，M1～M3为海水泵驱动电机。

图3 电气系统原理

电气控制原理如下，设定冷却淡水出口温度为36 ℃。

启动本系统→1#变频器驱动1#海水泵电机→温度高于设定值→系统由 1#变频器+2#变频器驱动1#、2#海水泵电机。见图4。考虑到本系统各海水泵电机有冗余设计，若任一台变频器损坏，由PLC发出控制信号至切换装置，系统可在需2台泵工作时，1台变频器+工频启动器工作。

即正常工作时有两种工作状况：①1台驱动电机变频工作；②2台驱动电机变频工作。在设备有故障时，即任一台电机或变频器发生过流、短路等状态时，信号反馈至PLC控制器，切换装置自动转换到其它备用装置，保证系统的安全与可靠性。

图4 电气控制原理

3.2 自动变频控制系统频率下限设定

根据主海水冷却泵所需的最小扬程，计算电机的最低所需转速，进而设定变频最低下限。

1)水泵的特性。水泵属于平方转矩负载，其轴功率、转速、流量存在如下的关系。

Q1/Q2=n1/n2

(1)

p1/p2=(n1/n2)2

(2)

P1/P2=(n1/n2)3

(3)

式中：n——电机的转速，n1为之前的转速，n2为降低后的转速；

Q——流量，Q1为之前的流量，Q2为降低转速后的流量；

p——压力，p1为之前的压力，p2为降低转速后的压力；

P——电机轴输出功率，P1为之前的输出功率，P2为降低转速后的输出功率。

2)根据电机转速计算频率与流量下限，取5%冗余。

当泵工作时，随着转速的减小，压力也成比例减小，减小到一定程度就满足不了系统的要求。根据管系的实际布置、管系阻力及压力损失可知，泵的最小扬程应为11 m。因此根据最小扬程计算电机转速与频率下限。

电机转速下限：由式(2)得出电机的最小转速1 094 r/min，取5%冗余，为1 148.7 r/min。

泵流量下限：由式(1)得出泵的最小流量为323.4 m3/h。

电机频率下限：1 776 r/min时频率为60 Hz，则电机最低频率为38.8 Hz。

3)根据计算确定变频器及PLC参数。变频器参数设置：频率上限 60 Hz，频率下限38.8 Hz，频率控制输入信号4～20 mA (自PLC)。

PLC参数设置：内置PID调节器，考虑到系统热惯性较大，初步设定PID参数为：比例10%；积分3 min；微分1 min 。

3.3 经济分析

3.3.1 节约燃油费

按本船从中国行至澳大利亚1个来回的航程(约1万n mile)，海水平均温度25 ℃。计算出需要海水总流量为686 m3/h。

变频方案：泵均为变频控制，流量343 m3/h。

由式(1)得出电机转速为1 218.3 r/min，由式(3)得出功率为21.3 kW,所需总功率P=21.3×2=42.6 kW，每小时节约功率为66×2-42.6=89.4 kW·h。

节电率为89.4/(66×2)=67.7%，

发电机组燃油消耗率为201 g/kWh，航速为14.5 kn，

1个航次节约燃油为201/1 000×89.4×(10 000÷14.5)=12 392.69 kg,

1个航次节约燃油费,按600美元/t计，约为3 792元/t，12.39×3 792=46 983元人民币。

3.3.2 成本核算

增加66 kW变频器(2台)，国产价格约为1.5万/台，进口价格约 3万/台，增加PLC 控制器，约需2 000元人民币。

减少66 kW工频启动器(2台)，约6 000元人民币。

电缆及安装降低费用：每台海水泵的连接电缆原为2根3×25，改为变频启动后可改为1根3×50，电缆可节省约2 200元，安装工时费用可节省约4 000元，总增加成本为30 000×2+2 000-6 000-2 200-4 000=49 800元

通过分析可知，船用海水泵进行变频改造后，该项目增加建造成本约为5万元。若采用进口变频器，可在2个航次(约半年)收回成本；若采用国产变频器则1个航次即可收回成本，经济效益可观。

3.4 海水泵变频改造后对系统的影响

1)改善海水系统的运行条件。变频改造后海水泵出口的流量和压力比较平稳，使海水泵的运行条件得到改善，同时减少对海水出口管道、及板冷的水力冲击。

2)延长电机和海水泵的使用寿命。进行变频改造后，可以实现软启动和软制动，对电机几乎不产生冲击，可延长机械的使用寿命。

3)减小对调节阀的机械磨损，延长调节阀的使用寿命。海水泵正常运行时，通过变频器调节其转速，从而实现出口流量和压力的自动调节，避免了完全通过调节阀对流量和压力进行控制，减小了调节阀的机械磨损。

4)海水泵流量与压力的调节范围广，调节速度快，控制精度高。

5)当海水泵变频器发生故障时，系统可将变频器切除， 自动通过旁路柜切换到工频状态，保证海水冷却系统的安全运行。

3.5 变频器改造的缺点

1)变频器运行可靠性比电磁启动器差，可以通过旁路柜切换到工频状态运行以解决该缺点。

2)变频器在工作中由于整流和变频，易产生干扰电磁波，对船上的通讯电缆产生一定的干扰。通讯电缆敷设应注意与变频器电缆尽量分开布置。

4 结论

海水泵进行变频改造后，节能效果显著，且能使电机实现真正的软启动，减小了对海水管道、调节阀、板冷的水力冲击和磨损，使系统的运行更安全可靠，并且可大幅度节省这些设备的维护费用。随着变频调速技术的日益成熟与变频器价格的下降，变频技术在船舶(尤其是冰区加强型)海水泵上的应用将逐渐成为新趋势。

[1] 王荣生.船舶设计实用手册：轮机分册[M].北京：国防工业出版社，1999.

[2] 张燕宾.变频调速应用实践[M].北京：机械工业出版社，2005.