船舶機艙風機變頻控制系統設計

蘇景南

（中遠海運重工有限公司，上海 200135）

0 引言

隨著工業自動化程度的不斷提高，變頻控制技術以其卓越的調速性能、顯著的節電效果在各個領域得到了廣泛應用，為節能降耗提供了重要手段。機艙風機為船舶重要的機械設備，其主要功能是為機艙內主機和發電機等機械和電氣設備供給燃燒和散熱所需的新鮮空氣，保持機艙內有良好的環境以及設備正常工作。對于全球水域航行的船舶，外界環境溫度變化會直接影響機艙內風量需求的變化。機艙風機應用變頻控制技術可以很好地對機艙內新風量進行調節，達到降低能耗和改善機艙環境的目的。

1 項目概況

本船船長為200 m，型寬為35.2 m，型深為18.1 m，結構吃水為11 m，入級英國勞氏船級社，具有Ice Class 1A FS級冰區加強符號，適航于冰區海域。其首制船憑借綠色設計理念、低碳環保指標等優異高效的運營表現，被評為2018年丹麥年度之星，是全球第一艘完成北極航線的集裝箱船。

2 變頻控制系統設計

機艙內設備運行時會產生熱量，而機艙又處于封閉狀態，熱量不易散發，導致機艙內溫度升高，主機和發電機等內燃機設備燃燒也會消耗大量的新鮮空氣，導致機艙內空氣減少，含氧量降低。機艙風機采用變頻控制的目的是根據機艙內和室外環境狀況，通過對機艙內送入的新風量進行調整，保證設備所需新風量，使機艙內達到相對適宜的環境，同時也可降低機艙風機能耗。

2.1 機艙通風系統配置

本項目機艙采用2臺軸流風機向機艙供風，每臺風機風量為93 550 m/h，靜壓970 Pa，軸功率39 kW。有2個獨立的發電機艙，分別布置2臺發電機，主機和發電機均采用舷外直接進氣設計，機艙風機僅用于機艙內設備散熱，機艙內空氣量不會因燃燒設備的啟停和工況變化而產生較大變動，機艙內壓力相對穩定。

2.2 變頻控制變量及變量優先級選取

機艙風機選擇變頻電機，每臺風機均設置變頻控制器，用來對風機轉速進行調節，從而改變機艙送風量。船舶中控系統會向變頻控制器輸出4 mA～20 mA的控制電流信號：4 mA電流信號輸送至風機變頻控制器時，風機以最低轉速運行；20 mA電流信號輸送至風機變頻控制器時，風機以 100%轉速運行。

中控系統對風機變頻器的控制是依靠對機艙內環境變量信息進行采集分析后發出控制指令，環境變量如何選取決定了機艙風機的運行狀況。

在通常情況下，機艙內的環境變量有以下幾種：

1）機艙內溫度是會直接對人員和設備產生影響的參數，溫度過高或過低都會影響人員的舒適性，也會影響機艙內設備的工作性能。

2）機艙內和室外環境的溫差，設置此參數是為了保證機艙內和室外環境保持相對穩定的水平，不會產生過度調節。

3）機艙棚內和室外環境的壓差，機艙內耗氣設備會對機艙內空氣總量產生影響，從而引起壓力變化，此參數設置是保證機艙內有充足的新鮮空氣量和良好的通風效果。

本項目選取以上3種變量作為中控系統的輸入變量，主要出于以下幾點考慮：

1）本項目屬于全球航行船舶，夏季最高氣溫可能會達到45 ℃，冬季會降低到?25 ℃，保持機艙內溫度處于適宜的范圍是首要考慮的因素。

2）溫差調節是在機艙內溫度在適宜范圍內，對機艙內環境的優化調節，使其始終處于最佳狀態。

3）機艙內保持一定的正壓對機艙內通風效果和熱量排出具有一定的好處。

對于變頻控制變量的優先級，本項目選擇機艙內溫度作為主要控制變量，在機艙內溫度滿足設定條件后，再根據溫差進行調節。當溫度和溫差均滿足設定條件時，壓差控制啟動來調節機艙內壓力。當高優先級設定條件觸發時，變頻控制器會立即執行高優先級變量發出的指令。

2.3 變頻控制傳感器安裝位置選擇

傳感器對機艙內的環境具有監測功能，機艙屬于船舶最大的設備處所，結構復雜，艙室眾多，對所有位置均設置傳感器會導致成本過高和控制混亂，因此選擇最能體現機艙內環境狀況的位置來布置傳感器。

機艙內主機和發電機是散熱量最大的設備，其散熱量占機艙內總散熱量超過 60%。機艙風機將新風送入機艙內各處，機艙內空氣是經過機艙與煙囪之間的大開口排到室外，因此此處能體現處機艙內溫度和壓力的平均水平。

本項目具有2個相對獨立的發電機室，在左發電機室和右發電機室內各設置1個溫度傳感器，在機艙大開口左右兩舷也各設置1個溫度傳感器，用于監測機艙內環境溫度。在2臺機艙風機的進口分別設置1個溫度傳感器，用于監測室外環境溫度。機艙內和室外環境的溫差通過溫度傳感器獲取的參數做差值獲得。本項目設置1個壓差傳感器，室內探頭放置在機艙大開口附近，室外傳感器布置在不易受氣流影響的機艙外。

變頻控制傳感器布置見圖1。

圖1 變頻控制傳感器布置

2.4 變頻控制設定值選擇及報警

機艙內和室外傳感器采集到各環境參數后會通過中控系統分析形成指令后對風機轉速進行調節。溫度、溫差和壓差設定值決定機艙內環境處于何種狀態。

2.4.1 溫度設定值

通常機艙內設計溫度為45 ℃，超過此溫度，機械設備和電氣設備的工作性能都會有所下降。機艙內屬于高發熱量機器處所，機艙內35 ℃以下可以滿足船員正常工作需求。船舶在低溫環境航行時，機艙內溫度必然會下降，過低的機艙環境溫度會在機器設備表面形成凝水，也會影響機器設備的正常工作，通常20℃的溫度比較適宜。

本項目的變頻控制有2種模式：一種為經濟模式，即當機艙內無人值班時，風機以經濟模式運行；另一種為舒適模式，即當機艙有人值班時，風機以舒適模式運行。本項目溫度設定值選取如下：

1）經濟模式下，最高溫度初始設定值為45 ℃，最低設定值為20 ℃，最高設定值為45 ℃。若設定值被船員調整到43 ℃以下，在15 min后會激活報警。

2）舒適模式下，最高溫度初始設定值為35 ℃，最低設定值為20 ℃，最高設定值為45 ℃。

2.4.2 溫差設定值

機艙風機將新鮮空氣送入機艙已降低溫度，加大機艙新風量可以進一步降低機艙內溫度，但也會造成能源浪費；減小新風量，機艙內溫度會上升，影響設備工作和人員舒適性。因此，選擇合理的溫差范圍，對設備工作、人員舒適和節能降耗都十分重要。機艙通風計算的溫差選取一般為12.5 K，作為風量計算的依據，本項目溫差設定值選擇如下：

1）經濟模式下，溫差最低設定值為5 K，最高設定值為15 K。若溫差設定值不在11 K～13 K范圍內，15 min后會激活報警。

2）舒適模式下，溫差最低設定值為5 K，最高設定值為15 K。

2.4.3 壓差設定值

本項目壓差默認設定值為50 Pa，最低設定值為30 Pa，最高設定值為70 Pa。

2.5 機艙風機控制模式轉換

機艙風機有2種控制模式：一種是自動控制模式，風機轉速控制只能通過中控系統實現；另一種為手動控制模式，船員需在本地控制箱進行操作，控制風機的啟停。對具有變頻控制功能的風機來講，手動控制模式也可對風機的頻率進行手動調節，使風機在某一固定轉速下運行。

本項目機艙風機的控制模式在風機控制箱選擇，但在風機初次通電后，風機為手動控制模式。若轉換到自動控制模式，需滿足以下條件：

1）至少有1個機艙內的溫度傳感器完好；

2）至少有1個空氣進口（室外環境溫度）的溫度傳感器完好；

3）壓差傳感器完好；

4）風機選定為自動控制模式，沒有報警。

若自動控制模式條件滿足，且風機已經在手動控制模式下連續工作6 h（可調），風機會強制轉換為自動控制模式，并會在自動控制模式下持續運行。

若風機在自動控制模式下運行，需要進行風機啟動或停止操作，船員必須先將風機轉換為手動控制模式，然后再進行操作。

若任意一個傳感器失效都會觸發報警，系統也會忽略由此傳感器采集到的信號。如果沒有可以替代的傳感器可用，風機會強制轉換到手動控制模式。機艙風機的模式選擇及控制邏輯如圖2所示。

圖2 機艙風機控制流程圖

3 結論

本文對某支線集裝箱船機艙風機變頻控制系統進行分析研究，確定了以溫度、溫差和壓差3種環境變量作為變頻控制系統的輸入變量，且制定了優先級控制方案，得出傳感器最佳數量和布置位置，結合船舶實際運行狀態以及環境對機艙內設備和人員的影響，確定了經濟模式和舒適模式下溫度、溫差和壓差變量的設定值以及報警點，為相關變頻系統的設計提供一些思路和參考。