船舶冷卻海水泵變頻控制模式應用研究

吳鵬飛，霍旭穎

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

0 引 言

中央冷卻水系統是目前運用最為廣泛的一種冷卻水系統，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備組成。冷卻淡水泵向各個需要冷卻的設備輸送冷卻淡水，自動三通溫控閥將冷卻后的淡水溫度控制在 36℃。中央淡水冷卻系統具有如下優點：1) 在設備內循環的冷卻水是淡水，不易產生因水垢而發生傳熱效率下降乃至堵塞的現象；2) 由于淡水不受鹽分析出的溫度限制，其溫度可以達到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，有利于提高設備的熱效率；3) 減少海水泵以及海水冷卻器的數量，降低成本；4) 由于減少海水冷卻器設備，因而減少了很多換熱器拆洗工作，大大減少了日常維護的工作[1]。

1 海水泵變頻節能系統

在設計中央冷卻水系統時，要求冷卻系統滿足船舶在熱帶航行時所有機艙水冷設備的冷卻需求，而對應的海水溫度為 32℃，即當船舶航行在非熱帶區域，機艙設備并未滿負荷運行，整個系統的冷卻能力是過剩的。由于系統中淡水冷卻側的流量受制于設備的正常運作，因此不能隨意調整變動。而對于海水側，由于其受熱情況取決于設備運作負荷以及海水初始溫度，海水初始溫度越低，海水泵實際需要的流量越小，再加之為了提高營運效益而主動降低主機負荷，導致冷卻海水泵的能力長期過剩。為了節約這部分能量，海水泵采用降速（功率）運行，目前此項技術主要分為兩個方向，一是利用雙速電機作為冷卻海水泵的驅動電機，二是利用變頻技術使冷卻海水泵降速運行。雙速電機投資少，實施簡單，但節能效果有限，而變頻技術的運用使得海水泵負荷更加貼合水溫及負荷的實際情況，能節約更多能源，如圖1所示。使用變頻技術的水泵流量隨著負荷的降低而降低，且水溫越低，海水泵的流量也越低，同時其電機功率也降低。

圖1 海水量和負荷及溫度之間的關系

圖2 變頻控制冷卻海水泵系統

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原理圖，淡水管路a處的溫度作為控制系統的主要控制量，自動三通溫控閥旁通管路開啟作為控制系統的次要控制量，海水管路的出口溫度作為系統安全控制量。當a處溫度超過設定的36℃時，表明系統冷卻不充分，因此需增大海水泵的流量；當a處的溫度小于36℃時，表明系統過冷，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℃），因為在海水流量降低時，海水的溫升會加大，為防止海水鹽分析出，海水出口溫度達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節淡水溫度；當a處的溫度等于36℃時，旁通管路開啟，表明系統的冷卻能力過剩，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閉，系統進入平穩運行的節能模式。如圖3所示，控制系統不斷地檢測淡水溫度，使海水泵的流量隨著負荷和外界溫度的變化而變化，來實現節能目標。

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

2 節能效果預估

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——水泵的揚程；Q——水泵的流量；N——水泵的輸出功率；n——水泵的轉速。

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

然而，由于轉速減半，其揚程只達到原來的1/4，對克服阻力是非常不利的，但對管路系統，其阻力損失也剛好和流量近似平方關系，當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。只要海水泵在設計狀態下能夠克服管路阻力，那么其在降速狀態下也能夠克服與之對應的管路阻力。基于這一點，在設計變頻控制系統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約功率。

系統的海水設計溫度為32℃，但海水的常年平均溫度約為17℃，因此，中央冷卻系統很少有時間處在滿負荷運行的狀態；如果船舶主動降低航速運行更加不可能滿負荷工作，因此海水泵的節能空間很大，使用變頻技術來控制海水泵相當有必要。

3 帶前端控制的冷卻海水泵變頻控制

由于整個系統屬于閉式控制系統，控制系統的動作總是滯后于系統的實際變化，在機艙設備負荷突然增大時，熱負荷激增，使冷卻水不能在第一時間得到冷卻，導致某些機艙設備的部件發生冷卻水溫度高的故障報警，及海水出口溫度突然超過49℃出現鹽分大量析出，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：由于機艙設備負荷發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，然后匹配對應的轉速和輸入頻率，當溫度變化后的淡水進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，使冷卻水系統運行更加穩定。

在圖2的基礎上在淡水回水管路b處加裝了溫度傳感器來感知冷卻系統熱負荷的變化，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，調整海水泵至適合流量。同樣，只有當海水的出口溫度達到49℃時才開始使用溫控閥來調節，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，由傳熱學公式：

熱交換器的熱交換率k和對數溫差mtΔ之間的變化，在確定熱交換率和對數溫差后海水出口溫度以及流量也就迎刃而解了。根據傳熱學公式，換熱器的傳熱系數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

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

式中： C , n, m——常數，可從冷卻器廠家處獲得。

當淡水的溫度發生變化時，其雷諾數Re和普朗特數Pr發生變化，而流量未發生變化，則可以算出新的Nu，根據 N u = h1·l/ λ 計算出淡水側的傳熱系數，接著將 h1帶入傳熱系數公式，這樣k就變成了與海水流量和海水溫度的函數，同時Δtm也是海水流量和海水溫度的函數，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的函數，如圖5所示。由于函數很難用解析解描述，故使用數值計算的方法來求解，求解流程如圖6所示。

控制過程如圖7，熱負荷和海水溫度發生變化時，控制器直接計算出對應的海水流量，然后直接調整水泵至需要流量，這樣海水泵能在熱負荷和外界環境發生變化的第一時間作出反應，而不是被動式地調整，從而削弱了系統的熱負荷沖擊。如果海水泵實際的運行狀態比計算的狀態要差，說明冷卻器中有污垢存在，應進行清洗。

圖5 海水流量Q和熱交換量Φ′之間的關系Φ′=f(Q)

3.2 基于數據庫的控制方法

基于數據庫的控制方法不需知道換熱器的換熱公式，也不需要計算海水泵的流量和轉速，只需要“記住”不同狀態下海水泵的轉速，在下次遇到類似狀態時，通過“記憶”直接輸出對應轉速，也能達到防止熱負荷沖擊的效果。該方法可視為對典型變頻控制系統的優化，如圖8所示。該系統是根據淡水和海水的入口溫度向數據庫查找對應的海水泵轉速，如果此轉速存在，直接調整海水泵轉速至需要值，如果數據庫不存在對應的值，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，調整海水泵轉速至需要的數值，同時將此時的海水溫度c、淡水溫度b和海水泵轉速存入數據庫，以便下次直接讀取。

圖7 有前端計算控制的海水泵變頻控制

圖6 海水流量Q的數值計算過程

圖8 基于數據庫的海水泵變頻控制

由于污垢的客觀存在，所以存入的數據可能不是最佳數據，為此，系統應能夠自動判別，如果已存入的舊數據比后來的實際運行狀態結果要差，說明存入的舊數據對應的運行狀態含有污垢，那么就用新數據替代舊數據，為以后的運行提供更準確的指導。另外一方面，當數據庫的數據運行狀態不能滿足實際運行需求，說明冷卻器內存在污垢，系統會調整海水泵進行沖洗操作，使冷卻系統保持良好的運行狀態，使海水泵更加節能。因此該系統同樣也能做到自動監測污垢。

4 結 語

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

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

[2] 姚壽廣. 船舶輔機第一版[M]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2004.

[3] 史美中，王中錚. 熱交換器原理與設計第二版[M]. 南京：東南大學出版社，2005.

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