變頻器在船舶海水冷卻系統中的應用

鄭 琴

（長江航道局 武漢430010）

引 言

船舶冷卻水系統是船舶動力裝置安全可靠運行的重要保障。船舶主機和船上大功率電力電子設備由于發熱量大，如果使用自然冷卻和強迫風冷，無法將產生的熱量帶走，而用冷卻水循環冷卻來替代風冷，能夠明顯提高冷卻效果。因為海水的腐蝕性大，如果直接進入設備會減少設備的使用壽命，因此一般的船舶都采用海水冷卻淡水，淡水再冷卻設備的方法達到冷卻設備的目的。

通常海水泵按照最大負荷工況下的容量設計。大部分情況下，海水泵實際負荷均小于設計值。常規海水冷卻系統中海水泵由普通電機驅動，根據不同工況選擇運行海水泵的數量。變頻海水冷卻系統中海水泵由變頻電機驅動，變頻控制系統根據淡水冷卻水出口溫度，反饋調節控制海水泵電動機轉速，調節海水冷卻水流量。通過此方法能大幅降低海水泵的功率從而達到節能降耗，綠色環保的目的。

1 變頻海水冷卻系統工作原理

1.1 水泵流量調節

水泵性能曲線與管路特性曲線如圖1所示［3］。圖1中的B、C曲線為轉速分別在n1、n2時的水泵性能曲線，n1＞n2。圖1中的A、D曲線為閥門開度K改變的管路特性曲線，Ka＞Kd。其中H為使用工況點的揚程，m；Q為使用工況點的流量，m3/h［1］。

圖1 泵的Q-H曲線

當需要改變工作點的流量時，應改變工作點的位置，現假設需要將工作點流量從Q2改為Q1，具體有如下兩種方法［2］：

1.1.1 改變閥門開度

改變水泵管路上的閥門開關，即改變管路特性曲線，從A曲線更改為D曲線，使管路特性曲線變陡。如圖1所示，工作點由M2更改為M1，流量由Q2減小為Q1，揚程由H2增大為H1。閥門調節流量方便迅速，且流量可以連續變化。

1.1.2 改變泵的轉速

改變泵的轉速是改變泵的特性曲線。如圖1所示，工作點由M2更改為M3，轉速由n1下降到n2，流量由Q2減小為Q1，揚程由H2減小為H3。這種調節法能保持管路特性曲線不變。當流量隨轉速下降而減小時，阻力損失也相應降低。

1.2 變頻調速節能的實現

用轉速控制流量時，當流量要求從Q2下降到Q1時，根據離心泵的特性公式［4］：

式中： P為水泵使用工況軸功率，kW；Q為使用工況點的流量，m3/s；H為使用工況點的揚程，m；r為輸出介質的單位體積質量，kg/m3；η為使用工況點的泵效率，%。

可求出運行在M1、M2、M3點泵的軸功率分別為：

若改變閥門開度，則工作點由M2到M1。若改變泵轉速，則工作點由M2到M3。M1、M3點兩者軸功率之差為：

變頻調速依據的是交流電動機工作中的轉速關系：

式中：f為水泵電機的電源頻率，Hz；p為電機的極對數；S為轉差率。

由式（6）可知，均勻改變電動機電子繞組的電源頻率f，就可以平滑地改變電機的同步轉速。電動機的轉速變慢，軸功率相應減少，電機輸入功率也隨之減少。

2 變頻海水冷卻系統方案

變頻海水冷卻系統由海水泵變頻器、海水泵、溫度傳感器、流量傳感器、壓力傳感器、控制系統、啟動器、LCD屏等組成，系統原理圖見下頁圖2。

海水泵變頻器是本系統的核心部分。采用變頻控制方法，針對離心海水泵的管路特性曲線，在滿足最小流量、冷卻量的基礎上，結合主機發電機運行工況，采用模糊控制法，設定最小流量需求，適時調整海水泵轉速。

圖2 海水泵控制系統原理圖

變頻器使電動機工作在最優轉速范圍，具有過電壓、過電流、低電壓、過負載、超溫及缺相等保護。

淡水出口溫度作為最終控制量，用于變頻器反饋調節。海水進出口以及淡水進口溫度，作為控制條件，輸入到控制系統中。

流量傳感器用于海水泵故障檢測及自動啟動。

海水總管壓力傳感器作為控制條件，輸入到控制系統中。保證海水總管壓力不低于最小值（約0.12 MPa）。

三通閥開度信號用于判斷海水側的熱交換效率，以便為海水泵自動調速作比較。

控制系統具有淡水溫度控制、水泵變頻/旁路運行、故障切換和順序起動等功能。淡水出口設定溫度可以在LCD上調整。控制系統分手動和自動模式，在自動模式下，根據淡水溫度來控制海水泵轉速，當運行的海水泵達到滿速，而淡水溫度還高于設定溫度，則增加1臺備用泵；當多臺同時運行的海水泵達到最低轉速，而淡水溫度還低于設定溫度，則自動停止1臺泵。當某臺變頻器故障時，水泵可切換到旁路運行模式，處于旁路運行模式時，變頻器不參與海水泵控制。可在LCD上設定3臺海水泵的啟動優先級，當需要啟動海水泵時，控制系統可根據海水泵優先級順序啟動。

海水泵變頻驅動系統包含本地/遙控功能。

3 系統運行對比

針對某型挖泥船，分別采用常規海水冷卻系統和變頻海水冷卻系統的運行情況和經濟性分析，可以很明顯的看到變頻海水冷卻系統的節能效果。

某型挖泥船配置如下：

主發電機組

4 224 kW 3臺

1 500 kW 1臺

停泊發電機組

500 kW 1臺

海水冷卻泵

550 m3/h 3臺（兩用一備）

海水泵電機功率

53 kW

3.1 常規海水冷卻系統

當船舶海水冷卻系統采用非變頻系統，2臺4 224 kW主發電機同時運行時，將持續運行2臺550 m3/h海水泵；只有在負荷低至只需開啟1臺4 224 kW主發電機時，才可只運行1臺550 m3/h海水泵。2臺4 224 kW主發電機同時停泊時，需通過停泊海水泵來保證全船冷卻運行。

3.2 海水變頻冷卻系統

當使用3臺4 224 kW主發電機加1臺1 500 kW主發電機作業時，冷卻海水排量需求約為1 100 m3/h，海水系統滿負荷運行，運行2臺550 m3/h海水泵。此時海水泵電機功率53 kW。

當使用3臺4 224 kW主發電機作業時，冷卻海水排量需求約為980 m3/h，運行2臺550 m3/h海水泵。單臺海水泵排量可以降至490 m3/h。此時海水泵電機功率約37 kW。

當使用2臺4 224 kW主發電機加1臺1 500 kW主發電機作業時，冷卻海水排量需求約為850 m3/h，運行2臺550 m3/h海水泵。單臺海水泵排量可以降至425 m3/h。此時海水泵電機功率約24 kW。

當使用2臺4 224 kW主發電機作業時，冷卻海水排量需求約為730 m3/h，運行2臺550 m3/h海水泵。但是考慮系統固有阻力限制，單臺海水泵排量無法降至365 m3/h。此時海水泵電機功率估計約24 kW。

停泊工況時運行1臺海水冷卻泵，需求排量為220 m3/h。省去停泊海水泵，運行1臺550 m3/h海水泵。但是考慮系統固有阻力限制，單臺海水泵排量無法降至220 m3/h。此時海水泵電機功率估計約為24 kW。

各工況常規海水系統和變頻海水系統功率消耗對比參見表1。

表1 各工況常規海水系統和變頻海水系統功率消耗對比

假設該船全年運行300天，其中60%時間處在航行狀態（即180天），40%處于作業狀態，挖泥工況1、工況2和工況3各工作40天。如此核算，每年可節約燃油量約49 730.8 kg（6.12 kg/h×180×24 h+11.09 kg/h×40×24 h+11.09 kg/h×40×24 h = 49 730.8 kg），即采用海水變頻冷卻系統后，該船每年可節省約49 t燃油消耗。

除全船負荷變化會導致全船所需海水流量變化外，海水進口溫度也會導致所需流量變化。現在以船舶滿負荷運行為例，計算不同溫度下常規海水系統和變頻海水系統功率消耗。

船舶滿負荷運行，當冷卻海水溫度在35℃時，冷卻海水排量需求約為1 100 m3/h，海水系統滿負荷運行，運行2臺550 m3/h海水泵。此時海水泵電機功率53 kW。

船舶滿負荷運行，當冷卻海水溫度在32℃時，冷卻海水排量需求約為825 m3/h，運行2臺550 m3/h海水泵。單臺海水泵排量可以降至412.5 m3/h。此時海水泵電機功率24 kW。

船舶滿負荷運行，當冷卻海水溫度在29℃時，冷卻海水排量需求約為660 m3/h，運行2臺550 m3/h海水泵。但是考慮系統固有阻力限制，單臺海水泵排量無法降至330 m3/h。此時海水泵電機功率24 kW。

船舶滿負荷運行，當冷卻海水溫度在26℃時，冷卻海水排量需求約為550 m3/h，運行1臺550 m3/h海水泵。此時海水泵電機功率53 kW。

各海水進口溫度常規海水系統和變頻海水系統功率消耗對照見表2。

表2 各海水進口溫度常規海水系統和變頻海水系統功率消耗對照表

可以看出，當海水溫度下降時，海水變頻冷卻系統節能優勢尤為突出。

4 結 語

綜上所述，變頻調速技術用于海水泵控制系統，能顯著提高節能效果顯著以及系統的運行可靠性。在大力提倡能源節約的今天，將變頻調速技術應用于海水泵循環系統具有重大的現實意義。