基于智能控制的船舶辅机节能技术研究＊

阳世荣

（中国舰船研究设计中心 武汉 430064）

1 引言

随着世界能源紧缺趋势的进一步加剧，在燃油价格上涨与运费下跌的双重作用下，国际航运业面临着巨大压力［1］。船舶节能技术通过提高能源利用效率，能够在船舶所携能源不增加的前提下，尽量提升续航力；或者在维持同样续航力的前提下，减少能源装载以增加货物装载，从而缓解国际航运业面临的成本压力，也符合当前国家节能减排的政策要求。因此，船舶节能技术已成为当前船舶设计、制造及航运行业的研究热点。

推进负荷与辅机负荷是船舶的两大能耗对象。目前，船舶节能技术研究主要侧重于推进节能方面，如优化推进主机提高能源利用效率、改进螺旋桨提高推进效率、优化船型降低航行阻力、减少船体表面附着物降低粘性阻力等等［1～4］。然而，船舶辅机节能技术研究尚未得到足够的重视。船舶辅机主要包括数量众多的泵与风机，一般由电动机驱动运转，因此船舶辅机是船舶电网的主要用电负荷。由于船舶所携能源有限，辅机耗电量过大必然会占用船舶主推进设备所需的能源份额，影响船舶航行续航力的提升，从而导致航运成本增加。所以，研究辅机节能技术，降低辅机的耗电量，是实现船舶节能的重要途径。

辅机一般用于向船舶各系统提供水量、风量及油量等，辅机的功耗与其提供的介质流量、扬程等有关。根据当前的设计规范，辅机额定功率一般按照满足系统最大工况需求的原则进行设计，而辅机的控制方式往往只有简单的启动、停止控制，因此辅机一旦开机就运行在额定功率或接近额定功率的范围内。但是，系统的实际工况需求一般不会达到最大值，因此，辅机经常处于“大马拉小车”的工作状态，造成了大量的能源浪费现象。所以，通过改进辅机控制方式，实现辅机输出功率的实时平滑可调，进而根据系统的实际工况需求实时调节辅机的功率输出，就能够达到辅机节能的目的。由于船舶系统的实际工况需求与航行工况、外部海洋环境等诸多因素相关，且变化情况多样，要实现辅机功率与系统实际工况需求的最佳匹配必然是一个复杂的系统问题。因此，辅机节能控制系统必须具备知识学习能力和自适应能力，其控制模型不只是单一的数学解析模型，而是数学解析模型与专家知识系统相结合的广义模型，即所谓智能控制系统［5］。

本文介绍了一种基于智能控制的船舶辅机节能技术，通过智能控制，实现辅机输出功率的实时平滑可调，并且匹配系统实际的工况需求，从根本上消除“大马拉小车”的能源浪费现象，降低辅机的能耗。

2 智能控制的节能原理

如前文所述，船舶辅机大多为风机、泵类负载［6～7］，以满足船舶各系统的风量、水量、油量等需求。随着船舶航行工况、航行海区的海洋环境、季节或昼夜的变化，船舶各系统的风量、水量、油量等需求也在不断变化。因此，要实现辅机节能，辅机的流量输出必须自适应的跟随系统需求变化，以实现功率的最佳匹配，而对复杂环境的自适应能力正是智能控制系统的显著特征［8］。

由于船舶辅机的额定功率一般按满足最大流量需求的原则进行设计，因此，船舶辅机的流量调节大多为向下调节。对风机、泵类负载而言，改变流量的方式一般有两种：1）改变管路的阻力特性，最常用的方法就是调节管路上阀门的开度；2）改变风机或泵的流量扬程特性，即改变转速。

目前，由于风机、泵的控制大多为简单的启、停控制，所以改变流量通常采用方式1），即调节阀门开度。当需要减小流量时，则减小出口处风门或阀门的开度，此时管路阻力增加，风机、泵的出口压力增高，流量减小，阀门两端的压力差增大，但是，此时电动机的转速基本不变，电功率基本不变，大量电能白白浪费在管路损失上。同时，阀门的振动和磨损也增加，进而缩短使用寿命。因此，这种方法无法实现辅机节能。

智能调速控制则为方式2）的实现提供了技术途径，根据系统工况需求变化自适应的改变风机、泵的转速，从而改变风机或泵的流量扬程特性，能够取得明显的节能效果。下面以水泵为例进行具体分析。

智能调速节能的关键点在于提高了水泵的能量利用率。能量利用率是对水泵机组能耗评价的重要标志。能量利用率η的表达式如式（1）或式（2）所示：

式中，ηp为泵的运行效率；ηm为电机的运行效率；HB为需要泵的扬程；HA为泵出口的实际扬程；HΔ为泵的剩余扬程，HΔ＝HA－HB。

由式（1）与式（2）可知，要提高能量利用率，就应提高泵和电机的运行效率，减小泵的剩余扬程。当泵和电机已经确定时，泵组的能量利用率主要与泵的剩余扬程有关。智能调速节能主要是通过减少剩余扬程来提高能量利用率的。如图1所示，M为管路调节阀门全开时的工作点，对应转速n、流量qVM、扬程HM和管路特性曲线I。当泵的流量需要减小时，采用降低转速的方式，管路阻力特性曲线I没有变化，泵的特性曲线平行下移，管路系统的工作点从M点移至B点，泵的出口扬程与管路总压降相等，HΔ＝0，没有扬程损失。根据相似原理，调速后的泵的效率近似相等，泵仍处在高效区运行，因此，智能调速控制能够提升泵的能量利用率，从而降低能耗。

如果采用减小阀门开度的方式减小流量，如图1所示，管路的阻力特性曲线上移由I变为I′，泵转速基本不变，其特性曲线也不变，管路系统新的工作点为A点，此时，泵的出口扬程大于管路需要的泵扬程HB，剩余扬程消耗在调节阀节流上，造成节流损失，而且泵的工作点往往偏离了高效区，水泵的能量利用率较低，造成不必要的浪费。

风机、泵是典型的平方转矩类型负载，其流量q、扬程H、功率P和转速n之间的关系如式（3）所示。

图1 调速方式减小流量与截流方式减小流量的对比

从式（3）可以看出，风机、泵的流量与配套电动机的转速成正比，所消耗的电功率与电动机转速的三次方成正比，且电功率正比于流量与扬程的乘积。所以图1中阴 影部 分 面 积 HA－A－BHB表示采用调速方式减小流量时所节省的电能。

从上述分析可以看出，采用智能控制调速的方式减小流量，能够取得明显的节能效果，尤其是当辅机处于连续运行工作制的条件下时，节省的电能是相当可观的。

需要说明的是，从图1和式（3）可以看出，当水泵的转速降低时，水泵的扬程也成平方关系下降，因此，应用智能控制技术进行辅机节能时，还必须考虑扬程是否能满足系统的要求。因而调速范围不能太大，一般在额定转速70%～100%的范围之内［9］。

3 辅机智能控制节能技术方案

根据上文的分析结论，采用智能调速控制能够有效的降低辅机能耗。目前，应用最广泛的船舶辅机电动机为交流异步电动机。交流电机的转速表达式如式（4）所示。

式（4）中，n为电动机转速；f为供电频率；p为电机极对数。

从式（4）可以看出，电机转速与供电频率成正比，因此采用变频的方式对电机转速进行无级调节是最佳的调速方式。随着大功率电力电子器件发展日新月异，电动机变频调速技术发展也日益成熟，为船舶辅机运行的变频调速节能提供了技术基础。

根据式（1）与式（2），提升电动机效率是减少辅机能耗的有效途径。特别对于航行期间处于连续运行状态的辅机，如冷却水泵、滑油泵、通风机、空调压缩机等，即使电动机效率仅提高一点点，整个航行期间累计节省的电能也是相当可观的。目前在船舶上得到广泛应用的交流异步电机只有工作在额定点附近时才能保证较高的效率和功率因数，当因工况需求变化要求将转速调至偏离额定工作点时，其效率和功率因数将大幅下降，能耗将大幅增加。因此，要提升电动机效率则必须采用新的高效节能型电机。

近年来发展迅速的永磁同步电动机，为解决船舶辅机电动机存在的上述问题、提高电动机能效，提供了一条新的技术途径。永磁同步电动机的转子由永磁体材料构成，转子侧无感应电流，不存在转子磁滞损耗和涡流损耗［10］，提高了电机效率；由于无需转子励磁，电机功率因数可接近于1［10］，减小了定子电流，进一步提高了电机效率，同时也改善了电网品质，降低了网损；全功率范围内效率高，即使负载降低到额定负载的25%时，永磁电动机效率仍可达到90%以上，特别适用于具有调速需求的应用场合。另外，永磁电动机启动转矩大，在需要重载启动的辅机系统中，可以用较小容量的永磁电机替代较大容量的一般电机，能够克服“大马拉小车”的现象［11］。此外，永磁电动机还具有温升低、体积小、重量轻的优点，并且不存在电刷，维护性好，特别适合作为船舶辅机电动机。

采用变频调速和永磁电动机解决了转速调节和电机效率问题后，还必须解决辅机功率调节自适应系统工况需求变化的问题，这就要求辅机智能控制系统必须采集系统运行工况信息，并进行计算和辨识，从而自适应的调节辅机转速，实现能量最佳匹配。

以船舶冷却水泵为例，典型的辅机智能控制节能技术方案如图2所示。

图2 船舶冷却水泵智能控制节能技术方案

图2中，1为永磁同步电动机，2为变频调速控制器，3为入口温度传感器，4为出口温度传感器，5为入口压力传感器，6为出口压力传感器，7为流量传感器，8为船舶冷却水泵，9为船舶热负荷。该节能技术方案的基本工作原理如下：

1）变频调速控制器2根据所接收的船舶热负荷9的工况状态信号，确定船舶热负荷9的实际运行工况；

2）变频调速控制器2根据入口温度传感器3、出口温度传感器4传送的冷却水进、出口温度信号，以及入口压力传感器5、出口压力传感器6传送的冷却水进、出口压力信号，并结合热负荷运行工况需求，实时计算求出满足船舶热负荷9实际运行工况所需的冷却水给定流量值；

3）变频调速控制器2根据流量传感器7传送的冷却水实际流量信号，自动调节输出电压和电流的大小、频率，以改变永磁同步电动机1的转速，进而调节船舶冷却水泵8的供水流量，使得实际流量与给定流量一致，经济节能地满足船舶热负荷9的实际工况冷却水需求。

因此，采用智能控制技术方案，能够根据系统实际需求自适应的调节辅机功率输出，实现流量既不多给也不少给，从而杜绝了电能浪费现象，达到辅机节能的目的。

4 基于船舶平台信息的多辅机系统智能控制节能

图2所示智能控制方案能够解决单台辅机的节能技术问题。但是，船舶平台各系统实际运行期间往往有多台辅机联合工作，并且系统实际运行情况较为复杂，除了与船舶的航行工况有关之外，某一系统运行还往往受到船舶平台其他系统运行工况以及航行期间各种外部环境因素的影响。因此，要实现联合工作模式下的多台辅机节能，则要求智能控制系统应用信息技术获取船舶平台信息，如本系统的实际运行工况参数、其他相关系统的工况参数以及相关外部环境参数，并结合船舶系统运行的专家知识对系统的实际工况需求进行辨识，进而计算得出最优的节能运行方案，由操作人员或控制系统自动进行辅机控制调节，实现各辅机功率输出的自适应匹配，从而达到多辅机系统节能的目的。

船舶冷却系统、空调系统及通风系统都是典型的多辅机系统。冷却系统中的冷却水泵、空调系统中的空调装置、通风系统中的通风机等辅机设备连续工作时间长、用电需求量大，而且其流量供给往往随航行工况、热负荷分布、季节、海水环境温度等条件的变化而变化，因此应用基于船舶平台信息的智能控制节能技术方案，能够取得较明显的节能效果。

对于冷却系统而言，首先应该为冷却水泵装配永磁电动机，提高设备本身的运行效率。运行期间可根据海洋环境温度、船舶热负荷工况状态、冷却水泵出口温度及压力等信息，通过实施变频调速、冷却水泵运行台数控制等技术措施实时调节冷却水的供给量，当系统热负荷较低或外部海水温度较低、换热效率较高时，可适当降低冷却水供给量，既能满足系统温升控制要求，又能最大程度节约电能。

对于空调系统而言，采用变频压缩机及变频调速空调风机，根据舱室人员分布、舱室温湿度、外部环境温度、冷却水温度等信息，在满足人员需求和舱室环境要求的前提下，自动调节制冷量，实现空调的经济运行。空调装置是航行期间的能耗大户，主要是为人员服务的［12］，当空调区域人员减少或者舱室环境温度不高的情况下，通过调速自动减小空调功率；当空调区域无人时，及时关闭相应的空调制冷，降低空调能耗。

对于通风系统而言，除了应当采用永磁电动通风机组外，还可根据舱室大气成分含量、大气温湿度、空气压力等信息，并结合航行工况状态，采用变频调速方式实时调节风机供风量。当大气环境质量较好，可降低电机转速以减少风量供给，既节约了电能也降低了通风噪声。

5 结语

智能控制之所以能够实现船舶节能，除了应用新型高效节能永磁电动机提高运行效率之外，最重要的是因为该技术从根本上改变了船舶辅机传统的粗放式控制与运行管理模式，使得辅机功率输出能够同步跟踪系统实际需求变化，实现了能量的按需分配和精细管理，在满足能量供给不多给、不少给、不滞后的前提下尽量降低辅机能耗，从而达到船舶节能的目的。

目前，倡导节能环保的智能电器及智能控制技术在电力、化工、冶金、采矿等工业领域应用日益广泛，笔者认为，在船舶行业大力推广智能控制节能设备的技术条件已经成熟，智能控制所能带来的节能降耗效果，在世界能源紧张趋势日益加剧的今天，有着积极的现实意义。

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