船舶海水泵变频技术应用研究

史贵昌

(上海海程船舶设备有限公司， 上海 200063)



船舶海水泵变频技术应用研究

史贵昌

(上海海程船舶设备有限公司， 上海 200063)

摘要变频技术作为电力电子技术发展的产物，在农业、工业驱动控制领域有着广泛的应用前景。该文通过引入变频技术的定义，以已经出现的海水泵变频节能系统为例，分析实现变频调速的几种形式，详细阐述了船舶海水泵的变频调速过程及原理，并在总结当前应用系统的基础上，提出可行的更新方案。

关键词变频调速节能中央冷却系统海水泵

0引言

众所周知，传统船舶海水泵在选型时以海水温度32℃为设计温度，而在实际航行时极少海域能够达到该温度，且海水泵始终以工频恒速运行。显然，当船舶航行在不同海域，或者主机在不同的负载下，海水泵的冷却能力存在大量冗余。这不仅在某种程度上对海水泵电机本身造成一定不利影响，而且会大幅增加船舶运输成本。

随着电力电子技术迅猛发展，变频技术已逐渐应用于各行各业，许多机械为了满足运行及生产工艺的要求，如车辆、电梯、机床、空调等，均实现了变频调速。绿色环保也已不再是船舶建造过程中较新的议题，无论是通过燃烧低硫轻油或LNG，还是在船舶尾气处理技术上均有了长足的进步。同理，通过在运行过程中变频调速，实现节能减排，也不失为一良策，具有很好的发展前景。

因此，现结合市场上出现的海水泵节能系统ESS(Energy Saving System)进行详细分析。完整解读变频技术在海水泵变频中的应用设计，并提出改进建议。

1变频技术简介

变频控制技术的基本原理：将交流电的电源频率变换为较低频率的交流电，用改变供电频率的方法来调节电动机的转速，并且满足一定的转距要求。

由电机学原理可知，异步电动机的转速和转差率分别为

(1)

(2)

式中 ：f为电动机定子频率；p为定子的极对数；f1为转子频率。

从式(1)、(2)可以看出，改变极对数p、改变转差率s和调节频率f均可以调速。异步电动机的调速方法主要有以下几种。

(1) 变极调速：利用YD系列笼型异步电动机的绕组接线方式变换，可改变该电动机的极对数，实现阶跃式的转速调节，其调速范围限定在2～4级。

(2) 电磁转差离合器调速：该调速系统主要由晶闸管整流电源、电磁转差离合器和异步电动机三大部分组成。通过改变晶闸管的控制角可以方便地改变直流输出电压的大小，实现电动机的调速。

(3) 转子串电阻调速：在绕线式异步电动机的转子回路中串接电阻，可改变电动机的机械特性，并随电阻值的增大而变软。如果负载为恒定值，则电动机的转速将随机械特性的改变而变化。由于调速运行过程中有电能消耗于外接的电阻器中，所以也不宜长期低速运行。

(4) 变频调速：变频调速就是通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现调速的。在调速过程中，从高速到低速都可以保持有限的转差功率，因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能，是现有异步电动机调速方法中最有前途的一种方法。按照控制方法来分类，目前的交流异步电机变频调速电源主要有脉冲宽度调制型和矢量控制型两种。

脉冲宽度型(又称PWM型)变频器的基本工作原理：通过整流器将工频交流电整流成直流电，经过中间环节再由逆变器逆变成频率可调的交流电，供电给交流电动机。

异步电动机矢量控制方式的特征从原理上来说，就是把交流电动机解析成直流电动机一样的转矩发生机构，按照磁场和其正交电流的积等于转矩这一最基本的原理，将异步电动机的数学模型转化为类似于直流电机的数学模型，在经过了转化的异步电机数学模型的基础上，模仿直流电机控制的一种高性能的控制方法。

本文仅针对船舶中央冷却系统海水泵变频调速进行讨论。

2变频节能系统安装类型

对海水泵引入变频系统可以有四种类型，如图1所示。

图1　ESS系统安装布置图

1型：最常见ESS配置类型，旁通模式下工频启动，并带有泵智能控制部分，实现备用泵的启动控制，从而使中央冷却系统更加稳定。

2型：除了变频模式启动，还可以通过人工遥控启动停止。可以通过船舶自动控制系统实现旁通模式下的备用泵启动。

3型：完全通过变频器实现泵的工频运行和变频运行，并通过程序实现备用泵控制启动。

4型：和2型相似，只不过旁通模式下的控制可以嵌入船舶其他控制系统，具有相应的连接端口。

3变频模式

本文将以1型为例，详细介绍变频模式的功能及特点。图2为海水泵的变频控制方案。

图2　海水泵的变频控制方案

我们已经知道，对同一台离心泵而言，若转速变化，其特性曲线也将发生变化。如果海水泵的转速从N变化到N′、则该海水泵的转速和其流量Q、扬程H和有效功率P的变化满足式(3)，由式(3)可知，扬程与转速平方成正比关系，流量与转速成2次方关系、泵的有效功率与转速成3次方关系。这意味着通过变速，可以明显地实现节能的目的。

(3)

该系统设计以图3的流程逻辑为基础，进行改进优化。

图3　变频控制基本流程图

供电后变频器开始运行，控制海水泵启动，首先达到最大转数。通过比较淡水实际温度是否低于设定值，如果不低于，则返回提高泵的转数直至全速；如果已经低于设定值，则说明海水冷却能力过剩，需要调整泵的转速(如多台泵同时运行时停掉一台海水泵或降低泵的转速两种情形)。然后通过PLC程序对比低温淡水温度，与设定值相比较；如果高于设定值，说明海水冷却能力不足，海水流量偏小，则提高泵转速。循环该过程以维持低温淡水温度同设定值相同，维持泵的转速。实时监测海水出口的温度，当海水出口温度高于50℃时，海水会有大量盐晶体析出，在管路中严重影响冷却能力，从而对管路、中央冷却器造成不利影响。

从该系统布置图中可以看出，该系统是以淡水温度为主要控制参考值(见图4)，以海水出口温度50℃为安全值。实际控制模型中，为了增加控制的准确度，增加海水进出口温度为控制参考量。下面详述实际应用中所安装的传感器及其功能。

图4　系统布置图

传感器：

(1) 海水总管进口压力传感器。

信号类型：4～20 mA。

压力范围：0～6 bar。

默认设定值：0.6 bar。

设定值为能够通过中冷器的最小压力，即正常运行时压力值高于设定值，如果海水进口压力低于设定值时间在10 s以上，变频器则提高输出频率，即提高泵转速，当压力值高于设定值0.1 bar时，变频结束。

(2) 压差传感器。

信号类型： 4～20 mA。

压力范围： 0～6 bar。

默认设定值：0.2 bar。

压差传感器检测泵的运行状况，ESS系统在一般情况下低压运行。

泵应该运行在正常的压差范围内，如果压差低于设定值，会被认为泵能力降低，发出警报并切换到备用泵。

(3) 自动温控三通阀。

信号类型： 4～20 mA。

范围： 0～100%。

开度0%意味着旁通管路关闭，致使所有低温淡水流向冷却器，该温控阀将根据设定温度进行自我调节。但在ESS系统中只起监测作用，自动控制淡水温度稳定在设定温度，并不参与频率控制。

(4) 压力开关。

在By-pass模式时，泵智能控制器备用泵切换取决于三个条件。一为运行泵电源故障；二为电机过载；三为排出压力低于压力开关设定值。对于中央冷却系统有三台海水泵的船舶，压力开关可以安装于每台泵出口，也可装于海水总管路。从而实现一台运行两台备用或两台运行一台备用。

(5) 海水进口温度传感器。

信号类型： 4～20 mA。

温度范围： 0～100 ℃。

默认值： 32 ℃。

安装于中央冷却器海水进口侧，当海水温度高于设定值时，频率升高，当海水温度低于设定值时，频率下降。

(6) 海水出口温度传感器。

信号类型： 4～20 mA。

温度范围： 0～100 ℃。

默认值： 48 ℃。

安装于中央冷却器海水出口侧，因为海水温度过高会造成盐析，所以当检测到的实际温度低于温度设定值时，频率下降；当其高于温度设定值时，频率上升。

(7) 低温淡水出口温度传感器。

信号类型： 4～20 mA。

温度范围： 0～100 ℃。

默认值： 38 ℃。

安装于中央冷却器低温淡水出口侧温控三通阀之后，当温度高于设定值时，频率上升；低于设定值时，频率下降。

变频模式分为自动变频与手动变频。

所谓自动变频，即所有泵的启动、停止及频率变化，均根据实际温度及压力，按照PLC程序进行全自动调节。当单台泵运行频率升至54 Hz达10 s时，自动启动一级备用泵；当两台泵的运行频率低至30 Hz时，停一级备用泵，留一台主泵运行；在三台泵的系统中，如果两台均出现故障不能启动，则系统自动切换为By-pass模式。且在自动变频模式下，操作人员无法使用启动停止按钮进行操作，均由程序自己完成。总而言之，在保持冷却系统功能正常的前提下达到节能的目的。

所谓手动变频，即由操作人员进行泵的启动、停止及频率的设定(最低可设频率为30 Hz)。

变频模式下的操作，可在HMI触摸屏上完成，并且可以选择当地控制和集控室遥控两种模式。

4By-pass旁通模式

在旁通模式下，当地控制或者遥控启停，恢复到传统的工频恒速运行状态。常见的ESS布置系统中，安装SMC505泵智能控制器实现旁通模式下的备用泵切换控制。与变频模式相似，常规设定为当压力开关检测到压力低于设定值时，启动备用泵，并且并行10 s，停止压力低的“故障”泵。同时发出相应警报故障，直到故障排除复位后该泵才能够恢复到备用状态。

5与船舶AMS间的通讯

该变频节能系统的两块HMI触摸屏之间通过RS-485实现通讯，而与船舶AMS之间通讯则通过硬线实现，包括模式选择、泵的运行状态和故障报警。下面将详细介绍故障报警点及其原因。

(1) ESS系统故障。

PLC模块电源故障或者两台以上的变频器出现故障，则会将该警报传输到AMS中。

(2) 每台泵的系统故障。

当运行泵有电源故障、变频器过载情况时，会出现该警报。

(3) 备用泵启动警报。

该警报在By-pass模式时才会出现，当备用泵启动时由泵智能控制器SMC505发出5 s的信号，可以在AMS的警报历史中查到。

(4) ESS非正常报警。

当海水进出口温度、低温淡水出口温度、泵的进出口压差、海水总管压力、变频器温度超过或者低于正常范围时，会出现该警报。

6结论

该系统在实际应用过程中能够有效地维持在低频运行，并达到预期的冷却效果。为避免长时间低频运行造成冷却器结垢或杂物沉积的情况，设计添加自冲洗功能，即自动变频低频运行设定的一段时间后，即转为短时的工频运行。

该系统在主机负荷突变或船舶负载增多，需启动多台发电机时会有反应滞后现象，且记录的数据并没有在系统中重新得到反馈调整。结合当前大数据兴起的理念，可以为每套ESS节能系统建立完整的数据库，加强系统智能学习的能力，即可以根据当前频率控制趋势，参考数据库中的历史记录，从而实现较快的前期预调整，使变速更加平滑。在保护电机的同时，达到节能的目标。

变频控制在船舶海水泵中的应用，不但可以提高海水泵的运行质量，减少泵的磨损，延长其检修周期和使用寿命，而且还可以实现明显的节能效果，减少航运成本，打造绿色船舶，有非常可观的发展前景。

参考文献

[1]王占奎.交流变频调速技术应用例集[M].北京：科学出版社，1994.

[2]吴鹏飞，霍旭颖. 船舶冷却海水泵变频控制模式应用研究[J].船舶与海洋工程, 2013(2)：47-51.

[3]张王征，姜涛. 船舶主海水冷却泵变频控制的设计应用[J].船海工程，2012(6)：19-22.

[4]刘建华，郑国杰.变频技术在船舶风机及泵浦中的应用[J]. 船艇, 2008(6)：32-34.

作者简介：史贵昌(1989-)，男，中海集运甲类三管轮，从事油轮惰气、变频节能等系统技术服务工作。

中图分类号U664

文献标志码A

Application of Frequency Conversion Technology to Marine Pumps

SHI Gui-chang

(Shanghai Haicheng Marine Equipment Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

AbstractFrequency conversion technology as the product of the development of power electronics has been widely used in the field of agriculture, industrial drive control. Through introducing the definition of frequency conversion technology, to take sea water pump frequency conversion energy saving system as an example, analysis several arrangement forms of frequency control of motor speed, and describe ship seawater pump variable frequency speed regulation process and principle in detail. After the summary of current application systems, proposed data analysis control method.

KeywordsFrequency conversionEnergy savingCentral cooling system Sea water pump