變頻冷卻海水系統(tǒng)在自航式絞吸挖泥船上的應(yīng)用研究

王顯力

（1.上海交通大學(xué) 上海200030； 2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

變頻冷卻海水系統(tǒng)在自航式絞吸挖泥船上的應(yīng)用研究

王顯力1，2

（1.上海交通大學(xué) 上海200030； 2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

［摘 要］通過對變頻冷卻水系統(tǒng)的研究，針對自航式絞吸挖泥船在不同工況下熱負(fù)荷的差異，探討變頻冷卻水系統(tǒng)在自航絞吸挖泥船上的優(yōu)勢，提出設(shè)計(jì)、計(jì)算及邏輯控制的解決方案。

［關(guān)鍵詞］自航絞吸挖泥船；海水冷卻系統(tǒng)；變頻控制；節(jié)能減排

引 言

絞吸式挖泥船（又稱絞吸式疏浚船，簡稱絞吸船）是疏浚工程主要的施工船舶，具有用途廣泛、施工效率高的特點(diǎn)，現(xiàn)已成為世界各地各類疏浚工程中的主力船型，主要應(yīng)用于內(nèi)河及沿海航道疏浚、吹岸造田、水利除淤、水源改善等作業(yè)。絞吸式挖泥船施工工況復(fù)雜，各種工況下冷卻水系統(tǒng)的熱負(fù)荷相差很大。為探討自航式絞吸挖泥船在不同的作業(yè)工況下海水冷卻泵富裕流量的問題，本文以工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)司的工信部聯(lián)裝［2011］531號文《工業(yè)和信息化部、財(cái)政部關(guān)于5 000 kW絞刀功率絞吸式疏浚船關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目立項(xiàng)的批復(fù)》下達(dá)任務(wù)的5 000 kW絞刀功率絞吸式疏浚船為研究對象，針對目標(biāo)船型在不同工況和溫度下冷卻海水需求量的不同對海水冷卻泵進(jìn)行變頻控制，從而達(dá)到節(jié)約能源，提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

1 變頻海水冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡介

船舶冷卻水系統(tǒng)分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)，而閉式系統(tǒng)又可分為常規(guī)冷卻水系統(tǒng)、中央冷卻水系統(tǒng)和混合式冷卻水系統(tǒng)。在現(xiàn)代造船業(yè)中，為了減輕柴油機(jī)等船用設(shè)備的腐蝕與結(jié)垢問題，中央冷卻水系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛。主海水冷卻泵、中央冷卻器、主淡水冷卻泵、電動溫控閥等是構(gòu)成中央冷卻水系統(tǒng)的主要設(shè)備。主淡水冷卻泵向各個需要冷卻的設(shè)備輸送冷卻淡水，溫控閥將經(jīng)中央冷卻器換熱后的淡水溫度控制在36℃±2℃，（可根據(jù)需要調(diào)整）。中央冷卻水的設(shè)計(jì)時，淡水冷卻側(cè)的流量為滿足設(shè)備的正常運(yùn)作，需保持基本要求，且淡水的用戶較多，系統(tǒng)在調(diào)整平衡之后，不會輕易改變淡水的流量，所以海水側(cè)的水泵配置和控制是船東及船舶設(shè)計(jì)師希望優(yōu)化的方向。

圖1 全球海水的溫度分布情況

海水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要能夠滿足在熱帶航行時機(jī)艙設(shè)備的冷卻需求，無限航區(qū)航行及工作的船舶海水的設(shè)計(jì)溫度一般定為32℃。但在船舶的實(shí)際運(yùn)營和工作時，海水的溫度長期低于設(shè)計(jì)溫度（見圖1），或者是主要冷卻設(shè)備未能滿負(fù)荷運(yùn)行。海水側(cè)的換熱量及所需冷卻水量取決于設(shè)備運(yùn)作負(fù)荷和海水初始溫度。海水溫度越低、帶走額定熱量需要的海水泵實(shí)際流量就越小，而海水泵一直在額定工作點(diǎn)運(yùn)行。因此，即使整個系統(tǒng)的換熱量不變，海水的排出溫度也會遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)溫度。換言之，在海水溫度較低或船舶熱負(fù)荷較小時，完全可以降低海水泵的排量，進(jìn)而減少水泵消耗的功率。于是，在節(jié)能減排日益被人們重視、并且變頻電機(jī)及變頻控制技術(shù)日趨成熟的今天，變頻冷卻海水泵已獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。

2 目標(biāo)船型特點(diǎn)對變頻系統(tǒng)的優(yōu)化

對于目標(biāo)船型的自航式絞吸挖泥船而言，工作時可以單泵裝駁、雙泵串聯(lián)及三泵串聯(lián)工作，各種工況下的熱負(fù)荷相差極大（見表1）。如采用常規(guī)的中央冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，海水泵只能按照極限工況來設(shè)置，而船舶在挖泥或航行的大部分時間內(nèi)不會在極限工況下工作，使主海水泵的排量長期大于系統(tǒng)需求，從而造成極大的能耗浪費(fèi)。因此，根據(jù)目標(biāo)船的工作特性及各工況下的熱負(fù)荷不同，對其冷卻水系統(tǒng)的主海水泵進(jìn)行變頻控制優(yōu)化設(shè)計(jì)，能取得更加優(yōu)越的效果。

從表1中可以看出，對于目標(biāo)船而言，不同工況條件下，熱負(fù)荷的巨大差異為變頻系統(tǒng)的優(yōu)化提供了便利，并使其能夠產(chǎn)生最大經(jīng)濟(jì)效益。目標(biāo)船不同工況及水溫下所需海水量見表2。

表1 目標(biāo)船各工況下的熱負(fù)荷情況

續(xù)表

表2 目標(biāo)船不同工況及水溫下所需要的海水量

圖2 海水量和熱量及海水溫度間的關(guān)系

3 主海水冷卻泵的選定

根據(jù)表2及管路的阻力預(yù)估，目標(biāo)船主海水冷卻泵的額定工況設(shè)計(jì)點(diǎn)為800 m3/h、揚(yáng)程為25 bar（1 bar=105Pa）、軸功率為80.21 kW、轉(zhuǎn)速1 500 r/min。主海水冷卻泵共3臺，2用1備。

4 變頻工作原理及邏輯控制

變頻海水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時需要連續(xù)測量冷卻器排出口總管淡水溫度，并將信號傳遞給變頻控制單元，變頻單元通過邏輯計(jì)算自動調(diào)頻系統(tǒng)對海水泵進(jìn)行頻率調(diào)整，海水泵電機(jī)根據(jù)變頻控制單元的指令改變轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)整海水泵，由此形成一個閉環(huán)的冷卻水系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)流程［1］。

根據(jù)控制系統(tǒng)的信號需求，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們需要在海水泵的吸口處以及換熱后進(jìn)行舷外排放處設(shè)置PT100溫度傳感器，并在中央冷卻器淡水進(jìn)、出口處安裝溫度傳感器。該變頻系統(tǒng)的控制模型如圖3所示。

圖3 變頻系統(tǒng)的控制模型

5 變頻系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)及變頻區(qū)間設(shè)定

根據(jù)表2可以看出，冷卻海水的需求量在最大1 464 m3/h和最小311.7 m3/h之間差距較大（平均到單泵為732 m3/h和155.85 m3/h），如完全依靠變頻控制，要達(dá)到這樣的區(qū)間范圍是難以做到的。故在本船的冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可視情況根據(jù)系統(tǒng)所需的海水量來調(diào)整水泵的運(yùn)行數(shù)量。這樣水泵的變頻區(qū)間只需在額定的800 m3/h和最低需求的311.7 m3/h之間即可。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們可將水泵的變頻下限取400 m3/h，故本船的變頻控制流程如圖4所示，然后就只需校核變頻后水泵的壓頭是否能滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求即可。

圖4 變頻系統(tǒng)的控制流程

根據(jù)離心泵的工作原理［2］：

式中： Q 為流量（Q1為額定流量；Q2為變頻后的流量，m3/h）；n 為電機(jī)的轉(zhuǎn)速（n1為額定轉(zhuǎn)速；n2為變頻后的轉(zhuǎn)速，r/min）；H 為壓頭（H1為額定壓力；H2為變頻后的壓力，Pa）；N 為電機(jī)軸輸出功率（N1為額定功率；N2為變頻后功率，kW）。

由上式可以看出：水泵的排出口壓力隨著水泵轉(zhuǎn)速的減小而成比例減小，管路系統(tǒng)由于管路的摩擦阻力、冷卻器、閥門等的阻力，故對水泵的排壓有一定要求。在管路系統(tǒng)，管路阻力包括摩擦阻力和附件局部阻力，計(jì)算公式如下［3］：

直管摩擦阻力：

管路附件的局部阻力：

式中：λ為管子摩擦阻力系數(shù)；l為管子長度，mm；d為管子內(nèi)徑，m；V為管內(nèi)流體流速，m/s；g為重力加速度，9.81 m/s2；ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；ξ為附件局部阻力系數(shù)。

根據(jù)式（4）和式（5）可以看出，管路的阻力恰恰與介質(zhì)流速的平方成正比。在海水泵變頻減排過程中，如果使用流量減半，則管路中的流速也減半，那么阻力應(yīng)減小為額定設(shè)計(jì)阻力的1/4。現(xiàn)在的船舶設(shè)計(jì)中，依據(jù)管路的放樣模型及各類流體的阻力計(jì)算軟件，估算出的管路阻力與實(shí)際阻力相差不大，因此在管路設(shè)計(jì)中可忽略水泵由變頻控制引起的特性匹配問題。故本例中的水泵變頻下限根據(jù)式（1）可得：n2=1 500×400/800=750 r/min。

考慮到水泵在變頻后，工作點(diǎn)的效率比額定的工作點(diǎn)要低，故在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中取10%冗余，即變頻的下限取n2= 750×110% = 825 r/min。因此根據(jù)式（2）和式（3）：H2= 2.5×（825/1 500）2= 0.756 bar （75 600 Pa）；N2= 80.21×（825/1 500）3=13.35 kW。

根據(jù)計(jì)算確定變頻器及PLC參數(shù)。變頻器的參數(shù)設(shè)置在確定水泵的最低轉(zhuǎn)速之后即可確定變頻的最低頻率。水泵電機(jī)的額定頻率為50 Hz，則最低頻率為50×（825/1 500）= 27.5 Hz。在最低頻率與額定頻率之間通過4～20 mA控制輸入信號來調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)度，冷卻水系統(tǒng)原理圖見圖5。

圖5 冷卻水系統(tǒng)原理圖

6 海水泵變頻的優(yōu)點(diǎn)

（1）減少電機(jī)和水泵的磨損。系統(tǒng)設(shè)計(jì)成變頻控制后，電機(jī)可以通過變頻器實(shí)現(xiàn)軟制動和起動，減少水泵起停時對電機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械沖擊，對于延長設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)周期十分有利［4］。

（2）可以大幅度減小系統(tǒng)運(yùn)行時消耗電能、降低船舶運(yùn)營成本、節(jié)約燃油、減少廢氣的排放，對環(huán)境的保護(hù)起到積極作用。

（3）冷卻水系統(tǒng)的熱負(fù)荷變化時，系統(tǒng)反饋迅速，比起通過控制泵的數(shù)量來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的平衡更安全可靠。

（4）采用變頻系統(tǒng)后，不會降低系統(tǒng)的安全性。即使在運(yùn)營過程中變頻器出現(xiàn)故障，也可以迅速將變頻器斷路，使系統(tǒng)通過旁路柜轉(zhuǎn)換到工頻狀態(tài)運(yùn)行。

綜上所述，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟、變頻器及相關(guān)設(shè)備價格的下降，變頻技術(shù)在船舶（尤其是工況變化較大的工程船舶）海水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將獲得越來越廣泛的應(yīng)用。

7 經(jīng)濟(jì)性分析

由于目標(biāo)船型的工況比較復(fù)雜，船舶長期處于工況及熱負(fù)荷較大的狀態(tài)，故本分析假定船舶處于海水溫度25℃、三泵串聯(lián)的工況。

由表2可知，此時海水的需求量為900 m3/h，單泵排量為450 m3/h根據(jù)式（3），則變頻后的功率為N2= 80.21×（450/900）3=10.02 kW，軸功率減少為80.21-10.02 = 70.19 kW。

假設(shè)每年在此工況工作6個月，每個月20天，以每天16小時計(jì)，則節(jié)約的電能為134764 kW·h （70.19×6×20×16）。發(fā)電機(jī)組燃油消耗率為201g/kWh，則節(jié)約燃油為27087.5 kg（201× 134 764/1 000）。

若燃油按為3 800元/噸，每年節(jié)約燃油費(fèi)約為：102 904元（27.08×3 800 ）

建造成本估算如下：

（1）根據(jù)海水泵的額定功率配置3臺90 kW變頻器，每臺約3.5萬元。

（2）系統(tǒng)配置PLC控制器1臺，價格約為0.5萬元。

（3）電纜及安裝降低費(fèi)用。初步估算電纜費(fèi)用可節(jié)省0.4萬元，安裝人工費(fèi)用可節(jié)省0.5萬元。

采用變頻控制比常規(guī)設(shè)計(jì)需額外增加的建造成本約10.1萬元（3.5×3 + 0.5 - 0.4 - 0.5），成本回收期為 0.98年（10.1/10.29）。

通過上述分析計(jì)算可知，本船海水系統(tǒng)采用變頻系統(tǒng)控制投資回報(bào)期不到1年，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

8 結(jié) 論

船舶溫室氣體減排節(jié)能已成為航運(yùn)業(yè)急需解決的一個現(xiàn)實(shí)問題。我們只有一個地球，保護(hù)環(huán)境是我們義不容辭的責(zé)任。作為一名船舶設(shè)計(jì)師，我們有責(zé)任在船舶的設(shè)計(jì)和建造中盡量改善船舶的性能，減少營運(yùn)消耗和廢氣的排放。這既是對船東負(fù)責(zé)，也是對我們自己、對我們賴以生存的地球負(fù)責(zé)。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ 吳鵬飛，霍旭穎.船舶冷卻海水泵變頻控制模式應(yīng)用研究［J］.船舶與海洋工程，2013（2）：47.

［2］ 費(fèi)千年．船舶輔機(jī) ［M］.第3版.大連：大連海事大學(xué)出版社，2008：50.

［3］ 黃恒祥．船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊 輪機(jī)分冊［M］.第3版.北京：國防工業(yè)出版社，2013（8）：708-709.

［4］ 張王征， 江濤．船舶主海水冷卻泵變頻控制的設(shè)計(jì)應(yīng)用［J］ .船海工程，2012（6）：20-21.

［中圖分類號］U664.81+4

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號］1001-9855（2015）03-0074-06

［收稿日期］2014-10-20；［修回日期］2014-11-11

［作者簡介］王顯力（1982-），男，工程師，研究方向：輪機(jī)設(shè)計(jì)與研究。

Application of frequency conversion sea water cooling system in self-propelled cutter suction dredgers

WANG Xian-li1,2

(1. Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Abstract：By the research of the frequency conversion sea water cooling system， this paper discusses the advantages of the frequency conversion sea water cooling system in the self-propelled cutter suction dredgers according to the different heat loads under the different working conditions， and presents a proposal of design，calculation and logical control solutions.

Keywords：self-propelled cutter suction dredger； sea water cooling system； frequency conversion； energy saving and emission reduction