机舱变频风机应用

江海涛

（广船国际技术中心 )

机舱变频风机应用

江海涛

（广船国际技术中心 )

本文介绍52 300 DWT系列化学品/成品油船机舱变频风机的应用，为日后大型船舶机舱通风设计提供参考与借鉴。

节能 变频 机舱变频风机

0 前言

节能意味着节约成本，获得更多的经济效益。为船上配置更多的节能设备，以便降低营运成本，提高营运效率，是每个船东孜孜以求的目标。变频技术便是众多节能方式中的一种。

船上一般配置普通风机给机舱通风，风机工作时电机以固定转速运转，将额定新风送进机舱。当机舱对新风的需求量低于额定供风量时，普通风机不能随之改变供风量，电功率也就降不下来。采用变频风机，供风量可根据需要改变，风机可以降功率使用，从而达到节能目的。本文重点介绍变频风机在52 300 DWT油船上应用，为今后船舶机舱通风设计提供参考。

1 变频风机

变频风机就是配备了变频器的常规风机。变频器是利用半导体元件的通断作用，改变电源频率的装置。其原理是：电动机的转速与工作电源频率成正比关系：n=60f/p，利用变频器改变电机工作电源频率，从而改变电动机的转速。又因为风机排量与转速成正比关系，通过降低电动机的转速就可以减少风机的排量。风机有效功率与流量及压头成正比关系：功率=流量×压头，当流量变小时，有效功率也随之变小。所以，变频风机可以节能。

装有变频器的电机具备交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。变频风机除节能外，还可以降低交流电动机的启动电流，实现软启动，减少大功率电动机启动时对船舶电网的冲击。但是变频器价格昂贵，对于小功率的普通电机，节能效果与成本之间的性价比不太高，机舱风机属于较大功率的船用设备，采用变频风机节能效果比较明显，节能与成本之间的性价比较高。

2 52 300 DWT油船机舱通风系统分析

52 300 DWT油船配置了4台轴流式机舱送风机，每台风机风量为50 000 m3/h。其中No.3及No.4号风机为可逆转风机。必要时可逆转风机可以作为抽风机使用。

4台风机均安装在C甲板各自独立的风机室内。风机吸取新风后排至结构风管，各种风管组成机舱通风网，将新风均匀地送至机舱各处所。详见机舱通风系统图1和图2。

从图中可以看出：No.1号风机主要向机舱左舷前部送风，包括分油机室、机修间、机舱底层左舷； No.2号风机全部供给主机；No.3号风机主要向机舱左舷后部供风，包括锅炉平台、发电机室、集控室、电工间、储物间等；No.4号风机主要向机舱右舷送风，机舱右舷布置着：主海水泵组、淡水冷却泵组、中冷器组、主滑油冷却器、中心冷却管系、空压机、启动空气管系等，为主辅机服务的动力设备及管系；同时也为空调/冷藏压缩机、污水处理装置等其它机械设备供风。

图1 机舱上平台通风系统图

发电机、锅炉均存在不同工况，对燃烧及散热所需的新风量也不同，只是变化量远远低于主机工况变化对新风的需求，对这些区域采用变频风机的节能效果不是十分明显。而分油机室、机修间、集控室、机舱底层等处所要求有比较稳定的新风供给。因此，No.1号及No.3号风机采用变频风机性价比不高。

No.2号风机主要是向主机供应新风，主机运行存在多种工况，不同的工况燃烧及散热所需新风量变化比较大，采用变频风机的性价比较高；No.4号风机所提供的新风主要供为主机辅服务的动力设备散热，它们与主机的运行工况息息相关，冷却这些设备后的热风还要进一步冷却热态主机，甚至补充主机燃烧所需的空气，所以No.4号风机适合采用变频风机。

图2 机舱下平台通风系统图

经过分析最终决定：No.1号及No.3号风机采用普通风机；No.2、No.4号风机采用变频风机。

规格书的要求，4台风机中有1台风机可作为应急风机，由应急配电板供电。根据以上分析，No.4号风机作为应急风机较为合适。在常态下主配电板有一路电源供应急配电板，通过应急配电板给几个应急设备供电。在应急状态下，应急配电板与主配电板脱钩，由应急配电板给No.4号风机供电，启动这台风机就能给中冷系统、启动空气系统、No.3号发电机供新风，保证主发电机安全平稳启动。由于No.4号风机是变频风机，启动时可以降低对应急配电板及应急电网的冲击。

3 机舱变频风机应用

3.1 变频风机的参数确定

本船是在母型船通风系统基础上加以改进，在不改变原有通风管路的情况下，将No.2及No.4号风机改用变频风机。为了满足系统的有效性，作者利用ANSYS软件，建立风管模型，详见图3和图4，模拟计算风管阻力。计算结果显示：No.2号风管的压降为427Pa， No.4号风管的压降为507Pa，考虑一定的裕度，最终确定：No.2号风机参数为50 268 m3/h × Ps:650 Pa，No.4号风机参数为50 370 m3/h × Ps:680 Pa。

图3 No.2 号风机风管阻力

图4 No.4号风机风管阻力

3.2 变频风机组成及控制模式

该变频风机系统主要由风机、变频器、启动器、变频器控制面板(含HMI控制器)、温度及压差传感器组成，见图5。

3.2.1 风机运行模式

⑴ 海上模式

海上模式是船舶在航行状态下，两台变频风机可以随主机的需求自动调节。当主机工况改变时，对变频风机系统发出同步信号，风机控制系统接收到“Stand-by of Me”信号，即海上模式时，自动调整变频风机的排风量，最终达到机舱总送风量与需求量的平衡。

⑵ 港口模式

港口模式也就是船舶停靠港口时，两台变频风机的运行模式。在港口码头主机处于停车状态，风机控制系统接收到“Finish of ME”信号，即港口模式时，自动将No.2风机停止运转；让No.4号风机在预先设置好的转速下运行；或者让No.4号风机处于自动变频模式，因为，在港口模式下锅炉负荷及其它设备的散热量并不是固定的，由于No.1号、No.3号风机的供风量是不可调的，通过No.4号变频风机可以对港口状态整个机舱通风进行调整，这样能充分利用变频风机的优点。

3.2.2 变频风机控制方式

图5 变频风机控制系统

规格书要求机舱保持正风压，通常设定机舱内气压比外界气压大～50pa。众所周知不同温度下的空气密度不同，温度越低则空气密度越大。从空气燃烧作用考虑，在相同质量风量需求下，温度越低则需求的体积流量越小；从冷却作用考虑，机舱温度越低也说明冷却效果也越好，理论上外界温度越低，风机的排量相应降低。由于压力的变化呈复杂的函数关系，难以作为风量变化的控制参数。但压差与温度却是呈一一对应关系，也就是说只要找到温度值，就能够得到相应的压差值，温度变化呈简单的线性关系是理想的风量变化监控参数。根据此特性，决定采用温度补偿的控制方式，依照图6的“温度补偿曲线”进行压差设定值的自动调整, 即机舱空气温度越高，则压差设定值越高，反之，压差设定值则越低。系统安装温度传感器来实现此控制功能，安装压差传感器来检验机舱正压的正确性与合理性，压差传感器还可以实现高压报警功能，本船设定的高压报警值为100Pa。当机舱与外界的气压差值达到100Pa时，适当的延时过后产生报警，以提示控制故障。

图6 温度补偿曲线

⑴ 软件控制模式

软件控制模式即所有的控制可以通过控制面板操作，操作模式有手动模式及自动模式。

① 手动模式

在手动模式下风机可以：启动、停止、变速，也可以手动选择港口模式或海上模式。

② 自动模式

在HMI控制器中可以设定港口模式及海上模式下风机的工作工况。在自动模式下，主机遥控系统的“Finish of ME”信号能自动启动港口模式，“Stand-by of ME”信号则能启动海上模式。

⑵硬件控制模式

硬件控制模式即控制面板具有“风机越控”选择开关，此开关打到“ON”位置时，HMI控制器被旁通，只能通过变频器控制面板上的“启动”旋钮以及“速度调节”旋钮，来手动启动风机，或者手动调节风机转速。

⑶ 4#风机反转控制模式

4#风机反转控制模式：利用变频器控制面板上“反转” 旋钮实现4#风机反向运转。风机反转模式下，2#及4#风机均会停止，当两台风机完全停止后，4#风机开始反向旋转，吸收机舱内的风朝船外排放。

3.3 变频风机系统布置

本船机舱风机部分选用变频风机后，风机系统部分设备布置发生改变。其中No.1号及No.3号风机启动器安装在集控室的No.1号组合启动屏上。No.2号风机的启动器则安装在集控室的No.2号组合启动屏上。No.4号风机启动器则安装在应急发电机室，由应急配电板供电，在No.2号组合启动屏安装了该风机的遥控启停按钮。

由于集空室布满了各种设备，没有空间布置风机变频器及变频器控制板，只好将No.2号风机的变频器及No.2&4号风机变频控器布置在变压器间。变压器间与集控室一墙之隔，在这道壁上开有一道门，可以从集控室直接进入该处所。No.4号风机的变频器则布置在应急发电机室内，与启动器布置在一起。

温度传感器安装在气流或热源影响最小的地方，以便传感器反馈正确的机舱温度。压差传感器一端需要延伸到机舱外感应大气压，另一端应保留在机舱内部，为了减少探测管的压力损失，将压差传感器安装于上甲到A甲板之间的机舱围井前壁处。

4 实船验证

本船试航过程中，通风系统运行正常。但是在船倒车时，出现了风压高报警。检查发现本船的机舱出风口布置在机舱烟囱围壁后侧，当倒车时，出风口变成了迎风口，导致机舱风压升高，并超过100 Pa的报警值。分析认为报警延时设定时间太短，只有100 s，在倒车过程中，风机没有足够时间将风压降低到正常范围。将此报警延时调整为300 s后，没有再出现该报警。交船后未收到关于通风系统方面的故障报告，船东表示变频风机系统已经产生一定的节能效果。

5 结束语

本文对机舱变频风机可行性分析、参数确定、布置、实船检验等做了详细描述，结果证明工况变化较大的货船，机舱配备部分变频风机，初始成本增加微乎其微，但节能效果明显，营运效益可以持续提高，是可被船东接受的方案。能够为后续船舶设计提供借鉴与参考。

[1]本船机舱风机控制厂家图，NOVENCO，2013年5月29日

[2] Basic Specification/Engine RoomFaNControl，NOVENCO，2011年2月25日

[3] 本船主配电板及应急配电板厂家图，TERASAKI，2012年10月23日

10.3969/j.issn.2095-4506.2016.04.001

2015-11-6）

江海涛（1979--），男，工程师，船舶轮机。