集裝箱船貨艙風機節能控制邏輯

徐立豐

集裝箱船貨艙風機節能控制邏輯

徐立豐

（中遠海運重工有限公司，上海 200011）

集裝箱船貨艙風機一般用電量較大，為了降低貨艙風機的能耗，本文通過對貨艙風機進行自動邏輯控制，合理分配貨艙風機的運行臺數及時間，達到良好的節能效果。

集裝箱船 貨艙風機 控制邏輯 節能

0 引言

集裝箱船保證貨艙內集裝箱通風量的方式一般為直接通風，即直接向貨艙內鼓風，來降低貨艙溫度，這種系統結構簡單，現在的貨艙通風系統一般都采用這種形式[1]。但這種方式需要安裝大量的貨艙風機，功率消耗很大。

貨艙內的熱負荷是隨著航行狀態而動態變化的，然而貨艙風機的轉速是恒定不變的，大部分時間，艙內溫度遠低于設計溫度，造成不必要的能源浪費[2]。

為了解決定速風機帶來的以上問題，通常的做法是將定速風機改為具有較大節能潛力的變頻調速風機[3]，并配以適當的控制方法。但變頻風機及變頻器的初始投資較高，回收周期較長。

本文提供一套針對常規定速風機的自動控制邏輯，同樣能夠達到良好的節能效果。該邏輯控制程序通過船舶中央控制系統進行控制，能夠實現以下功能：

自動計算風量，使風機運行臺數維持在最低數量，降低能耗；當貨艙裝載冷箱時，服務于冷箱的風機自動運行，保證直接送風到每個冷箱；自動控制貨艙溫度在設定值以下；自動控制CO2濃度在設定值以下；貨艙內通風均布（包括艙底）；風機定期啟動及切換，提高風機壽命；其它（如故障處理、不頻繁起動等）。

1 控制邏輯主程序

每個貨艙的風機均由中央控制系統單獨進行控制，程序將根據船舶貨物狀態（程序開始時由手動選擇貨艙裝載干貨或危險貨物、以及換氣次數）自動執行以下程序。邏輯見圖1。

1）根據檢測到的貨艙溫度執行“貨艙溫度控制程序”（詳見2.1）。

2）根據檢測到的貨艙CO2濃度執行“貨艙CO2濃度控制程序”（詳見2.2）。

3）由裝載計算機提供是否裝載冷箱及冷箱的裝載位置執行“裝載冷箱控制程序”或 “裝載非冷箱控制程序”（詳見3.1與3.2）。

2 貨艙溫度及CO2濃度控制程序

為保證貨物安全，貨艙溫度及CO2濃度需要在預設范圍內。

圖1 主邏輯

圖2 貨艙溫度控制邏輯

2.1 貨艙溫度控制程序

貨艙內需至少安裝2個溫度傳感器用于檢測貨艙平均溫度，在羅經甲板安裝1個溫度傳感器用于檢測室外溫度。

當貨艙溫度高于15℃、貨艙溫度高于室外溫度加10℃且高于設定溫度時，起動當前關停的風機來降低貨艙溫度。

當貨艙溫度低于上述提及的溫度減5℃時，將執行“切換風機程序”（詳見4.1）用以關停合理數量的風機。起動與停止風機之間5℃的溫差，目的是防止風機頻繁起停，以降低能耗及提高風機壽命。

以上提及的溫度，程序中均可進行人為設定（例如圖2邏輯中 S1及S5為可調設定，默認值分別為35℃和10℃）。

2.2 貨艙CO2濃度控制程序

貨艙CO2濃度控制邏輯可參見2.1溫度控制邏輯，在此不再贅述。

3 貨艙風量控制程序

貨艙風量控制的目的是保證貨物的風量需求并最大程度的降低風機運行時間及臺數以降低能耗。

根據是否裝載冷箱，將分別執行“裝載冷箱控制程序” （見3.1）及“裝載非冷箱控制程序” （見3.2）來控制風量。

3.1 裝載冷箱控制程序

將貨艙最高溫度作為考核指標，送風模式比排風模式更好一些[4]，因此當貨艙裝載冷箱時，程序自動將所有風機設定為供風模式。邏輯見圖3。

貨艙中通常既裝有冷箱也裝有非冷箱，對于冷箱，執行“服務冷箱風機運行程序”（詳見4.4），起動直接送風到冷箱位置的風機；對于非冷箱，不需要考慮直接送風，貨物需求的風量是整個貨艙艙容的2倍或6倍（根據程序開始時設定）。程序對當前運行并服務冷箱的風機風量與非冷箱貨物的需求風量進行比較，若前者大于后者，說明服務冷箱的風機既能滿足冷箱對風量的需求，也能滿足非冷箱對風量的需求，無需起動額外風機。反之，需要執行“風機分區控制程序”（詳見4.3）起動風機。

由于風機故障、貨艙溫度高等原因會減少或增加風機的運行臺數，因此程序需要監控當前運行風機的總通風量，若當前運行風機總風量大于需求風量時，執行“切換風機程序”（詳見4.1）關停合理數量和位置的風機，反之則執行“風機分區控制程序”（詳見4.3），起動合理數量和位置的風機來保證通風量并使貨艙通風均勻。

3.2 裝載非冷箱控制程序

當貨艙不裝載冷箱時，程序將僅控制可逆風機且設為排風模式，供風機關停并設為不可用。

相比“裝載冷箱控制程序”，此控制程序僅需考慮當前運行風機通風量與貨艙需求風量的關系，執行“切換風機程序”或“風機分區控制程序”。

圖3 裝載冷箱控制邏輯

4 功能子程序

以上是整個控制邏輯的主要框架，下面將對涉及到的各功能相關主要子程序進行說明。

4.1 切換風機程序

若當前運行風機的風量超過需求風量時，程序將按如下流程判斷是否關停部分風機使得當前運行風機的風量最小程度的滿足風量需求：

當上一級程序調用該子程序時，首先檢測每個分區（分區概念詳見4.2）內當前運行的風機臺數，當分區內風機臺數超過1臺時，程序將預判關停1臺風機后是否仍然能夠滿足風量需求，在滿足風量需求的前提下，將既不服務冷箱也不用于送風到艙底的風機關停。若程序準備關停的風機是所有運行風機中唯一送風到艙底的風機，則保留該風機的運行以保證對艙底的通風，繼續判斷其它風機是否可以關停。

4.2 風機分區劃分程序

由于風機及其風管在布置上是均勻分布在貨艙內的，若把風機按編號順序分成連續的若干組（相當于將貨艙分成了若干區域），并且每組包含的風機數量基本一致，則每組風機對應的貨艙各區域的大小也基本一致，如果分組數量等于需要運行的風機數量，則每組內僅需有一臺風機運行，就能保證貨艙內通風的均勻。

為了便于說明，以下將各風機分組及所對應的貨艙區域定義為分區。

基于以上分析，分區的數量應該等于需要運行的風機臺數，需要運行的風機臺數則由貨物的通風量需求以及每臺風機容量決定，這樣程序可以得到分區數量。為了使程序能夠識別每個風機對應的分區，還需要計算每個分區包含的風機臺數，計算方法如下：

每個分區包含的風機臺數（四舍五入取整）等于風機總數/分區數量。

根據風機編號順序及以上計算，程序將風機自動對應到各個分區中，可以看出最后一個分區包含的風機臺數可能與其它分區臺數略有不同。

4.3 風機分區控制程序

根據4.2的“風機分區劃分程序”劃分出分區后，程序在每一個分區中選擇一臺風機起動。由于送風到艙底的風機相對數量不多，因此首先起動能夠送風到艙底的風機。每起動一臺風機，程序就判斷一次當前運行的風量是否已滿足需求的風量。當每個分區均有一臺風機運行后仍不滿足風量需求后，就起動當前運行風機區間間隔最大且處于區間中間位置的風機。在起動風機前均需判斷電站容量是否能夠起動風機。邏輯見圖4。

圖4 風機分區控制邏輯

4.4 服務冷箱風機運行程序

由于冷箱對風量更敏感，每個冷箱均需要有風機直接對其送風。程序中預先設定每個冷箱位置與各風機的對應關系，根據裝載計算機提供的冷箱裝載位置，程序能夠自動判斷需要起動的風機。若冷箱所對應的風機不可用，則起動離冷箱位置最近的風機。如果在起動服務冷箱的風機前，檢測到電站剩余功率不足，將關停供風給非冷箱的風機，保證冷箱供風的優先性。

5 結語

對于風機保養，例如風機運行超過一定時間自動切換、關停一定時間自動起動、排風與送風的轉換控制等，本文中沒有對其進行擴展說明，需要讀者在程序設計時予以考慮。

本文提供的貨艙風機控制邏輯，能夠很好的降低貨艙風機功率消耗，此邏輯已在實際項目上進行了應用，可進一步在集裝箱船上進行推廣。

[1] 劉靜. 裝載冷藏集裝箱的貨艙通風研究[D]. 上海: 上海交通大學, 2008.

[2] 劉濤. 基于變風量控制方式的冷藏集裝箱船艙通風系統的節能研究[D]. 上海: 上海海事大學, 2007.

[3] 孫永明. 船舶冷藏集裝箱風機變頻節能研究[J]. 集裝箱化, 2000, 11: 13-14.

[4] 吳興武. 1700TEU(XXX)集裝箱船貨艙通風研究[D] .上海: 上海交通大學, 2008.

Energy-Saving Control Logic for Cargo Hold Fans of Container Ship

Xu Lifeng

(COSCO Shipping Heavy Industry Co., Ltd, Shanghai 200011, China)

U674.131

A

1003-4862（2019）11-0023-04

2019-05-27

徐立豐(1980-)，男，工程師。研究方向：船舶電氣設計。E-mail: xu.lifeng@coscosshipping.com