船舶冷却海水泵变频控制模式应用研究

吴鹏飞，霍旭颖

（1. 上海外高桥造船有限公司，上海 200137；2. 上海船舶运输科学研究所，上海 200135）

0 引 言

中央冷却水系统是目前运用最为广泛的一种冷却水系统，它由冷却海水泵、中央淡水冷却器、冷却淡水泵、自动三通温控阀以及被冷却设备组成。冷却淡水泵向各个需要冷却的设备输送冷却淡水，自动三通温控阀将冷却后的淡水温度控制在 36℃。中央淡水冷却系统具有如下优点：1) 在设备内循环的冷却水是淡水，不易产生因水垢而发生传热效率下降乃至堵塞的现象；2) 由于淡水不受盐分析出的温度限制，其温度可以达到85～95℃，这样就可降低高温件表面与冷却水之间的温差，被冷却水带走的热量就可以降低，有利于提高设备的热效率；3) 减少海水泵以及海水冷却器的数量，降低成本；4) 由于减少海水冷却器设备，因而减少了很多换热器拆洗工作，大大减少了日常维护的工作[1]。

1 海水泵变频节能系统

在设计中央冷却水系统时，要求冷却系统满足船舶在热带航行时所有机舱水冷设备的冷却需求，而对应的海水温度为 32℃，即当船舶航行在非热带区域，机舱设备并未满负荷运行，整个系统的冷却能力是过剩的。由于系统中淡水冷却侧的流量受制于设备的正常运作，因此不能随意调整变动。而对于海水侧，由于其受热情况取决于设备运作负荷以及海水初始温度，海水初始温度越低，海水泵实际需要的流量越小，再加之为了提高营运效益而主动降低主机负荷，导致冷却海水泵的能力长期过剩。为了节约这部分能量，海水泵采用降速（功率）运行，目前此项技术主要分为两个方向，一是利用双速电机作为冷却海水泵的驱动电机，二是利用变频技术使冷却海水泵降速运行。双速电机投资少，实施简单，但节能效果有限，而变频技术的运用使得海水泵负荷更加贴合水温及负荷的实际情况，能节约更多能源，如图1所示。使用变频技术的水泵流量随着负荷的降低而降低，且水温越低，海水泵的流量也越低，同时其电机功率也降低。

图1 海水量和负荷及温度之间的关系

图2 变频控制冷却海水泵系统

图3 变频控制冷却海水泵逻辑图

图2 是典型的变频冷却海水泵的系统原理图，淡水管路a处的温度作为控制系统的主要控制量，自动三通温控阀旁通管路开启作为控制系统的次要控制量，海水管路的出口温度作为系统安全控制量。当a处温度超过设定的36℃时，表明系统冷却不充分，因此需增大海水泵的流量；当a处的温度小于36℃时，表明系统过冷，需要减少冷却水量，同时还要兼顾海水出口温度是否超出安全值（49℃），因为在海水流量降低时，海水的温升会加大，为防止海水盐分析出，海水出口温度达到安全界限时海水泵不能再降速，只能依靠自动三通温控阀来自动调节淡水温度；当a处的温度等于36℃时，旁通管路开启，表明系统的冷却能力过剩，需要海水泵降速，迫使自动三通温控阀动作，最终使所有的淡水都流向冷却器，直至旁通管路完全关闭，系统进入平稳运行的节能模式。如图3所示，控制系统不断地检测淡水温度，使海水泵的流量随着负荷和外界温度的变化而变化，来实现节能目标。

由于该控制系统不能感知冷却器中的污垢，如果污垢增多，会导致传热效率下降，控制系统会自动增加海水泵的流量以保证更高的温差，确保冷却系统正常运行。这样就会增加海水泵的能耗。目前采用系统定时使海水泵满负荷运行一段时间，通过冷却器内的压力变化来冲走冷却器内的污垢，保证系统在低能耗状态中运行。

2 节能效果预估

由于冷却海水泵为离心式水泵，由离心泵原理可知[2]：

式中：H——水泵的扬程；Q——水泵的流量；N——水泵的输出功率；n——水泵的转速。

由计算式得知，如果海水泵的流量减半，就只需要原来一半的转速，由此其轴功率只需要原来的1/8，其节能效果立竿见影。

然而，由于转速减半，其扬程只达到原来的1/4，对克服阻力是非常不利的，但对管路系统，其阻力损失也刚好和流量近似平方关系，当海水泵的流量减半时，管路的阻力损失也只有约原来的1/4。只要海水泵在设计状态下能够克服管路阻力，那么其在降速状态下也能够克服与之对应的管路阻力。基于这一点，在设计变频控制系统时就可忽略水泵与管系的特性匹配问题，只需考虑传热过程与节约功率。

系统的海水设计温度为32℃，但海水的常年平均温度约为17℃，因此，中央冷却系统很少有时间处在满负荷运行的状态；如果船舶主动降低航速运行更加不可能满负荷工作，因此海水泵的节能空间很大，使用变频技术来控制海水泵相当有必要。

3 带前端控制的冷却海水泵变频控制

由于整个系统属于闭式控制系统，控制系统的动作总是滞后于系统的实际变化，在机舱设备负荷突然增大时，热负荷激增，使冷却水不能在第一时间得到冷却，导致某些机舱设备的部件发生冷却水温度高的故障报警，及海水出口温度突然超过49℃出现盐分大量析出，且对积垢无法探知。为了解决上述问题，提出带前端控制的模式：由于机舱设备负荷发生变化最终反映为冷却淡水温度的变化，因此可以通过冷却器的淡水入口温度和流量以及海水入口温度，分析出海水需要的流量，然后匹配对应的转速和输入频率，当温度变化后的淡水进入冷却器的同时海水流量也随着变化，从而减少淡水温度的波动，使冷却水系统运行更加稳定。

在图2的基础上在淡水回水管路b处加装了温度传感器来感知冷却系统热负荷的变化，见图4，这样控制箱就可以通过淡水和海水温度的变化来分析出海水流量，调整海水泵至适合流量。同样，只有当海水的出口温度达到49℃时才开始使用温控阀来调节，以防止海水温度过高造成盐分析出。为此提出如下两套解决方案。

3.1 直接计算海水泵流量的控制方法

整个控制核心在中央淡水冷却器上，通过淡水的出入口温差以及淡水流量可以很容易地确定热交换量：

对于已知的热交换器的热交换面积，由传热学公式：

热交换器的热交换率k和对数温差mtΔ之间的变化，在确定热交换率和对数温差后海水出口温度以及流量也就迎刃而解了。根据传热学公式，换热器的传热系数k可由下列公式得出[3]：

图4 带前端控制的变频冷却海水泵系统

式中：1h、2h——分别为冷却器两侧流体的对流换热系数，可使用对流换热公式来确定：

式中： C , n, m——常数，可从冷却器厂家处获得。

当淡水的温度发生变化时，其雷诺数Re和普朗特数Pr发生变化，而流量未发生变化，则可以算出新的Nu，根据 N u = h1·l/ λ 计算出淡水侧的传热系数，接着将 h1带入传热系数公式，这样k就变成了与海水流量和海水温度的函数，同时Δtm也是海水流量和海水温度的函数，对确定的海水入口温度，换热量Φ′就成了只与海水流量有关的函数，如图5所示。由于函数很难用解析解描述，故使用数值计算的方法来求解，求解流程如图6所示。

控制过程如图7，热负荷和海水温度发生变化时，控制器直接计算出对应的海水流量，然后直接调整水泵至需要流量，这样海水泵能在热负荷和外界环境发生变化的第一时间作出反应，而不是被动式地调整，从而削弱了系统的热负荷冲击。如果海水泵实际的运行状态比计算的状态要差，说明冷却器中有污垢存在，应进行清洗。

图5 海水流量Q和热交换量Φ′之间的关系Φ′=f(Q)

3.2 基于数据库的控制方法

基于数据库的控制方法不需知道换热器的换热公式，也不需要计算海水泵的流量和转速，只需要“记住”不同状态下海水泵的转速，在下次遇到类似状态时，通过“记忆”直接输出对应转速，也能达到防止热负荷冲击的效果。该方法可视为对典型变频控制系统的优化，如图8所示。该系统是根据淡水和海水的入口温度向数据库查找对应的海水泵转速，如果此转速存在，直接调整海水泵转速至需要值，如果数据库不存在对应的值，则以淡水温度a作为主要控制对象，以旁通量作为次要控制对象，调整海水泵转速至需要的数值，同时将此时的海水温度c、淡水温度b和海水泵转速存入数据库，以便下次直接读取。

图7 有前端计算控制的海水泵变频控制

图6 海水流量Q的数值计算过程

图8 基于数据库的海水泵变频控制

由于污垢的客观存在，所以存入的数据可能不是最佳数据，为此，系统应能够自动判别，如果已存入的旧数据比后来的实际运行状态结果要差，说明存入的旧数据对应的运行状态含有污垢，那么就用新数据替代旧数据，为以后的运行提供更准确的指导。另外一方面，当数据库的数据运行状态不能满足实际运行需求，说明冷却器内存在污垢，系统会调整海水泵进行冲洗操作，使冷却系统保持良好的运行状态，使海水泵更加节能。因此该系统同样也能做到自动监测污垢。

4 结 语

变频控制冷却海水泵能够降低对船舶电站的负荷，从而节约了能源，降低了运营成本，投资回报率相当高，是一项值得推广的技术。带有前端控制的海水泵变频控制技术能够使海水泵对热负荷和海水温度的变化提前作出响应，削减了对冷却系统的热冲击，确保设备正常运营，同时也能够判断换热器内是否存在污垢，保证了换热器的高效使用。

[1] 陈绍纲，朱国伟，李渤仲，等. 轮机工程手册[M]. 北京：人民交通出版社，1992.

[2] 姚寿广. 船舶辅机第一版[M]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2004.

[3] 史美中，王中铮. 热交换器原理与设计第二版[M]. 南京：东南大学出版社，2005.

[4] 杨世铭，陶文铨. 传热学第三版[M]. 北京：高等教育出版社，1998.