海水冷卻變頻控制系統(tǒng)的設計與應用

王彥朋　宋曉波　雷明鷗　黃玲

摘要：本文以某集裝箱船海水冷卻變頻控制系統(tǒng)的設計應用為例，介紹了海水冷卻變頻控制的原理、海水冷卻變頻控制系統(tǒng)的設計和安裝。

關鍵詞：海水泵；中央冷卻系統(tǒng)；變頻器；應用

1.引言

隨著船舶航運業(yè)競爭日益激烈以及社會對環(huán)保認識的提高，節(jié)能減排已成為世界關注的問題。在新造船項目中，節(jié)能技術的應用也越來越受到船東的關注。常規(guī)中央冷卻系統(tǒng)一般按照最大工況需求來設計，實際使用過程中，往往出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象，油耗浪費較大。目前，變頻控制技術已經(jīng)非常成熟，產(chǎn)品成本也在不斷下降。為此，通過變頻控制技術優(yōu)化中央海水冷卻系統(tǒng)成為可能，并且通過優(yōu)化設計可以提高船型的智能化程度，降低了船舶的運營成本。

2.海水冷卻變頻控制原理

目前，船舶普遍采用常規(guī)中央冷卻系統(tǒng)設計，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等組成。海水通過海水泵進入中央冷卻器，作封閉循環(huán)的冷卻淡水通過中央冷卻器被海水冷卻，然后冷卻淡水經(jīng)淡水泵輸送至各設備。冷卻淡水通過自動三通溫控閥的調節(jié)，將淡水溫度控制在36℃。常規(guī)中央冷卻系統(tǒng)原理，見圖1。

一般常規(guī)的中央冷卻系統(tǒng)設計是以滿足全球航區(qū)內海水溫度最高時的冷卻需求來設計的，通常海水設計溫度為32℃，不管海水溫度如何變化，海水泵都是以額定轉速、恒流量為中央冷卻器提供冷卻海水。但是在不同的季節(jié)及海域，海水的實際進口溫度往往遠低于32～C，根據(jù)熱交換原理，實際所需的冷卻海水量可以相應降低，海水流量過度造成能源浪費較厲害。

為了把這部分能量節(jié)省下來，海水流量可以根據(jù)海水溫度的變化進行調節(jié)，當海水溫度降低時，降低海水流量，維持固定的海水冷卻量；當工況發(fā)生變化時，熱負荷會增加或減少，實際所需的海水冷卻量也會相應調整，可以通過調節(jié)海水流量達到降低能耗的目的。海水流量、熱負荷及海水溫度之間的關系，見圖2。

海水冷卻變頻控制系統(tǒng)是采集海水進出口溫度、海水進出口壓力、中央冷卻器淡水進出口溫度，根據(jù)海水冷卻量需求，通過控制單元模塊邏輯分析計算出最佳的泵轉速，并將信號轉換成模擬信號輸出給變頻器，調節(jié)海水泵轉速，達到調整海水流量的目的，實現(xiàn)能源的高效利用。

3.海水冷卻變頻控制系統(tǒng)構成

根據(jù)2 200TEU集裝箱船中央冷卻系統(tǒng)設計要求，海水冷卻變頻控制系統(tǒng)硬件配置主要包括6個部分。

3.1本地控制箱

本地控制箱安裝有PLC及DYDO.AFAQ模塊，通過邏輯分析采集到的各種壓力、溫度信號以及變頻器反饋回來的信號，采用PID恒溫控制方式，計算出最佳泵轉速，并將泵轉速轉換成模擬信號輸送給變頻器；記錄保存泵實時轉速變化，并形成直觀的曲線圖；積累海水泵運行數(shù)據(jù)，統(tǒng)計匯總海水泵的節(jié)能情況并形成報表；監(jiān)控整個系統(tǒng)運行情況，并將報警信號發(fā)送給機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)；對各種極端工況做出保護設置，使整個系統(tǒng)安全可靠，達到最佳的節(jié)能效果。

3.2人機界面（觸摸屏）

海水冷卻變頻控制系統(tǒng)最直接的顯示與操作界面，集中顯示所有海水泵的相關數(shù)據(jù)，包括轉速、功率、壓力、運行狀態(tài)、控制指令等；具有各種海水泵參數(shù)、變頻器參數(shù)、溫度參數(shù)、冷卻器參數(shù)設置功能。

3.3變頻器

海水冷卻變頻控制系統(tǒng)的驅動單元接收本地控制箱的命令信號，對海水泵轉速進行速度控制以便調節(jié)海水流程，同時將海水泵的實際運行速度實時反饋給PLC主控單元，便于信息收集；本地控制箱失效的情況下，可以在變頻器本地手動啟動海水泵，并設定手動設置海水泵的轉速。

3.4海水泵出口壓力開關

采集海水泵的出口壓力信號，作為海水泵故障判斷條件之一。

3.5壓力傳感器

采集板冷進口壓力，用于保護板冷工作壓力。

3.6海水進出口及淡水進出口溫度傳感器

控制邏輯的感應原件，最直接反應調速效果。

4.海水冷卻變頻控制系統(tǒng)設計注意事項

中央冷卻系統(tǒng)是船舶主機、輔機等關鍵設備運行的先決條件。如果中央冷卻系統(tǒng)癱瘓，主機、輔機等重要設備將無法運行，所以海水冷卻變頻控制系統(tǒng)的設計需要將安全可靠性放在第一位，為此：

4.1系統(tǒng)冗余設計，增加安全可靠性

在海水冷卻變頻控制系統(tǒng)設計中，需要強調系統(tǒng)冗余設計，確保系統(tǒng)在單個或多個故障的情況下，仍可保證船舶正常航行。

4.2操作權限設置

海水冷卻變頻控制系統(tǒng)與常規(guī)中央冷卻系統(tǒng)在海水泵起停控制設計上存在較大區(qū)別。按照原常規(guī)設計，海水泵有機旁起停操作和集控室起停操作兩個操作位置；而海水冷卻變頻控制系統(tǒng)，操作位置有集控室的人機界面、變頻器、本地控制箱、機旁多個操作位置，再加上海水泵有自動或手動兩種操作模式，所以海水冷卻變頻控制的起停控制需要特別設計，使各操作位權限分明、分配合理，避免出現(xiàn)控制操作混亂。

啟動操作控制流程，見圖3。

（1）在本地控制箱設置遙控，本地選擇開關，通過選擇開關來決定是人機界面（觸摸屏）控制還是機旁按鈕盒控制；機旁按鈕盒含啟動、停止、運行指示，“Remote”模式時只能在HMI界面上操作，反之在“Local”模式時只能在泵的就地按鈕操作泵的起動，停止；

（2）本地控制箱具有最高權限，控制箱上設置每臺海水泵的遙控/本地選擇開關，還設置了應急停止按鈕；各泵的運行指示燈、空間加熱器指示燈，在PLC正常狀態(tài)下都可以在本地控制箱應急停止所有海水泵；

（3）變頻器的權限：在變頻器上“Hand on”起動泵時，它是不需要PLC的控制與支持，因此在PLC發(fā)生故障情況下，可以在變頻器上緊急起動海水泵。并且，在這種情況下變頻器是不受本地控制箱上應急按鈕控制，所以應急按鈕只能在變頻器的“Auto”模式下、在PLC正常工作時，才會起作用。

4.3安全保護設計

（1）試驗標明，海水在冷卻過程中溫度升高，如果達到50℃～55℃則會引起海水的大量析鹽，造成管路和冷卻器內積垢嚴重，影響傳熱效果和損害設備。因此，需要對海水出口溫度進行控制。當海水出口溫度達到45℃設定值時采取保護措施，加大海水流量，并輸出報警值；

（2）淡水在柴油機進出口的溫度反映了柴油機的冷卻狀況。淡水出口溫度過高或過低都不合理，出口溫度過低則表示柴油機部件熱損失過大，降低熱效率，且氣缸壁等部件溫差太大，使熱應力增大，容易產(chǎn)生破裂、磨損、腐蝕；但如果出口溫度過高，則表示冷卻效果不理想，氣缸壁等部件因表面溫度過高而使缸內滑油易蒸發(fā)和變質，破壞滑油油膜，加劇部件的磨損、老化等。因此，對淡水進出口溫度設置上下限，當溫度接近設定值時采取保護措施，并輸出報警。一般淡水出口溫度上限設定為55℃，進口溫度設定為34℃；

（3）在調速過程中，泵的轉速不能太低，否則容易導致電機效率較低，引起無用功損耗增加，并且考慮到中央冷卻系統(tǒng)的重要性，需要確保中央冷卻最低進口壓力，海水泵最低轉速設置為30 Hz。

4.4海水泵啟動順序和海水泵切換的設計

海水冷卻變頻控制系統(tǒng)通過PLC自動采集記錄海水泵運行時間。通過觸摸屏可以設置三臺海水泵優(yōu)先啟動順序，并以設置海水泵運行多長時間以后進行自動切換，確保三臺海水泵整體運行平衡，避免單臺海水泵長時間運行發(fā)生故障。

5.海水冷卻變頻控制系統(tǒng)的注意事項

（1）海水泵變頻器應盡可能靠近海水泵布置，以便盡可能縮短變頻器到馬達的電纜長度，避免采用變頻電纜；

（2）從變頻器到馬達的電纜需要單獨設計電纜路徑，與其它電纜盡可能分開敷設，避免產(chǎn)生電磁干擾問題。

6.結語

海水冷卻變頻控制系統(tǒng)不僅取得很好的節(jié)能效果，還改善了中央冷卻系統(tǒng)的運行工況，提高了系統(tǒng)的自動化程度及安全可靠性；海水泵通過降速運轉，有利于降低海水泵發(fā)生汽蝕的可能性，減少磨損，延長海水泵等冷卻設備的使用壽命，降低了故障率；通過海水冷卻變頻系統(tǒng)智能化的設計，使船員對中央冷卻系統(tǒng)的管理簡單方便，減少船員的勞動強度，設備維護工作也更人性化、合理化。

面對當前航運市場低迷，競爭日益激烈的情況下，降低油耗成本和維護成本已成為船東越來越關注的問題。在新造船項目中，海水冷卻變頻控制系統(tǒng)的應用必將增強船廠的競爭力。