船舶变频海水系统仿真软件设计与实现

林开进+李彬彬

摘要：传统的船舶海水系统的培训和操作训练软件是在工频模式的设计工况下工作的，这已不能适应新的减排规则和相关公约要求.本文以载重量为30 000 t 的多用途船的海水系统为仿真对象，根据海水系统原理、能量守恒定律和传热学基本理论，建立变频海水系统的数学模型.运用计算机仿真技术模拟该系统的操作和监控功能，在Visual Studio 2010开发环境下采用C#语言实现该系统的相关界面设计和功能仿真.对该系统进行全面的操作和功能测试.结果表明，该系统软件能逼真地反映海水系统在变频模式下的工作状况和实际动态过程.这对提高船员的操作水平及保证操作过程中的可靠性和安全性起到重要作用.

关键词： 船舶； 海水系统； 变频模式； 系统仿真

中图分类号： U664.814

文献标志码： A

Abstract： The training and operation training software of the traditional ship seawater system works under the condition of power frequency mode， which can not meet new emission reduction regulations and related convention requirements. A multipurpose ship with dead weight of 30 000 t is used as the simulated object. The mathematical model of the variable frequency seawater system is established by the seawater system principle， the law of conservation of energy and the basic theory of heat transfer. The operation and monitoring functions of the system are simulated by computer simulation technology. Using C# language and Visual Studio 2010 as development environment， the relevant interface design and functional simulation of the system are realized. The comprehensive operation and function test is done. The results show that the software of the system can reflect working conditions and actual dynamic process in the variable frequency mode. The system plays an important role in improving the operation level of crew and ensuring the reliability and safety in the operation process.

Key words： ship； seawater system； variable frequency mode； system simulation

0 引 言

船舶中央冷却系统是船舶动力系统的重要组成部分，其主要利用海水系统的开式循环通过中央冷却器对形成闭式循环的低温淡水进行冷却，从而使船舶其他需要冷却的设备（如主机、缸套等）的温度保持在合理的材料许用限值内.目前，船上的海水系统及设备的设计满足的都是设计工况下的要求，这种设计工况（主机功率为100%最大持续功率（MCR），海水温度为32 ℃）所需的冷却能力大于船舶实际航行工况（主机功率为约85%MCR，海水平均温度为24 ℃）所需的冷却能力，而实际上船舶长时间工作在经济航速下，因此造成了大量的能源浪费.

近年来，随着对船舶自动化、绿色化和智能化要求的不断提高，国内及国际强制性的减排规则接踵而至，如何实现船舶的节能减排成为航运业最为关心的问题之一.传统船舶的海水系统是在工频模式的设计工况下工作的，不仅浪费能源，而且有害气体排放量大，已明显不能适应新规则的要求.另外，海水系统涉及的设备较多，工作过程较为复杂，这对船员的操作熟练水平有更高的要求.为实现海水系统的节能减排，同时兼顾系统操作的安全性和可靠性，加强对操作人员的培训是一个必不可少的环节.

针对海水系统变頻节能，许多学者进行了深入的研究：文献[13]提出了使用变频调速的节能方法，但只是做了定性节能分析；文献[45]对船舶中央冷却系统进行建模，并提出了控制策略，但实际的可操作性不强；文献[6]将直接转矩控制理论应用于主海水泵的变频控制，并用Simulink进行仿真，但该方法只能用于分析验证，可操作性不强.针对上述问题，本文以载重量为30 000 t的多用途船的海水系统为仿真对象，根据海水系统原理、能量守恒定律和传热学基本理论，建立变频海水系统的数学模型，并对该系统的操作和监控功能进行仿真；在Visual Studio 2010开发环境下运用C#语言设计开发船舶海水管路系统仿真界面、变频海水泵操控界面和系统监控界面等，并对开发的变频海水系统仿真软件进行操作与功能测试，从而在实现系统节能的同时实现对船员的培训操作，提高系统操作的安全性和可靠性.

1 变频海水系统中设备的数学建模

变频海水系统的核心在于建立海水系统各关键设备的数学模型，进而根据船舶的不同工况以及柴油机的不同功率求出某一特定工况下的冷却需求，对船舶的主海水泵进行变频调速，实现系统节能.

1.1 船舶中央冷却系统的热力计算数学模型

现今船舶的绝大多数中央冷却器都采用逆流换热的板式冷却器，一侧为用于冷却低温淡水的海水，另一侧为用于冷却其他设备的低温淡水.整个系统的示意图见图1.

1.2 三通温控阀的数学模型

在船舶正常航行中，温控阀虽然是一个小设备，但其性能的好坏直接关系到船舶中央冷却系统乃至整个船舶动力系统的安全性.中央冷却系统中温控阀的控制原理为：在温控阀出口管路的某点安装温度传感器，将测得的实际温度与控制器的给定温度（通常为36 ℃）比较后得到偏差值，并按控制器的控制算法通过执行机构控制温控阀的开度来改变冷却水经过中央冷却器与旁通中央冷却器的比例，进而稳定系统所需的温度值.

尽管式（13）为泵在变速运行时的体积流量与转速的关系，但这并不意味着转速可以降低到任意值.由Michel A Bernier等通过大量实验得到的变频器和电机效率的回归曲线方程可知，当泵的变速范围在额定转速的50%～100%之间时有利于海水泵保持高效率运行，因此可以得到海水泵维持在高效点附近运行的转速范围是890～1 760 r/min.

2 软件体系结构设计

软件体系结构设计是软件设计的核心环节之一.在变频海水系统中，不仅要实现各交互变量与用户的交互操作，还需要每个操作都结合各设备的数学模型，且符合系统的工作原理，最后还要实现系统的监控显示.由此可见，整个系统的关联性强，耦合性高.为降低系统及设备的耦合性，采用三层架构的结构设计思想[12].三层分别指表示层、业务逻辑层和数据层，其结构见图3.

表示层：位于系统的最外层，其主要功能是显示主要监控参数（体积流量、压力、转速等）以及接收和响应用户操作时输入的数据（阀、旋钮、按钮等）.

业务逻辑层：主要负责处理用户输入信息，或者将这些信息发送给数据层进行保存，或者通过数据层从数据库读取这些信息.

它将数据层输入的数据用于模型与逻辑计算，然后将计算结果送至数据层.

该层主要包括两方面的内容，一是定义不同设备的模型类（中央冷却器类CentreCoolerClass，变频海水泵类PumpClass和三通温控阀类ThreeValveClass），二是根据系统原理定义逻辑类，满足系统的操作和功能要求.

数据层：仅实现对数据的实时保存和读取操作.在该软件中定义了一个DataGroup公共类，通过不断地实时刷新来更新每个状态下的变量数据.

在该软件体系结构中，通过控件在表示层上实现人机交互操作和变量参数的状态显示，根据已建立的中央冷却器、变频海水泵等数学模型对各模型进行程序化与封装，以供逻辑类调用，将计算出的数据实时储存在数据层，最終通过实时刷新数据在表示层上显示.

以截止阀操作为例进行说明.截止阀是一个bool量，因此可以定义截止阀的状态属性，true表示开，false表示关；用户在表示层单击某一截止阀，就触发了一个单击事件，同时该阀的状态属性发生改变；业务逻辑层首先获取该阀的状态属性，然后根据系统原理对与该阀相关的模型及逻辑进行计算，将计算结果通过数据层的不断刷新显示在人机交互界面上，最终界面上该阀的颜色变为绿色（原来为灰色），与该阀有关的体积流量和压力等数据发生变化.

3 变频海水系统仿真软件设计

船舶变频海水系统仿真软件设计包括海水管路系统仿真软件设计和变频海水泵操控软件设计，以及根据系统原理和船舶操作规范实现两者的有效连接，使其尽可能地贴近实船系统的动态过程.[1314]

3.1 海水管路系统仿真软件设计

为设计变频海水仿真系统，以载重量为30 000 t的多用途船的海水系统为仿真对象.该系统使用的中央冷却器为ALFA LAVAL公司生产的型号为T20PFG 的板式冷却器，数量为2组，采用一用一备的工作模式，传热系数为7 514 W/（m2·K），传热面积为150.4 m2，进出口温度分别为62 ℃和36 ℃，海水进出中央冷却器的设计温度分别为32 ℃和49.1 ℃.

管路系统的软件包括静态部分和动态部分.静态部分主要指海水管路系统底图（见图4）：使用CorelDRAW平面设计软件，根据海水系统的原理、布置要求以及各关键设备的结构，绘制符合规范和分辨率要求（一般为1 280×720）的系统底图，然后以PNG图片形式导出，以待在设计软件程序时使用.动态部分主要指系统中可操作的设备和用来监控显示的控件，如截止阀、三通温控阀、体积流量标签、压力表和温度表，不同的操作状态都要经数学模型计算后输出.

在变频海水系统仿真软件的开发过程中，利用Visual Studio 2010软件作为集成开发环境，采用C#语言实现变频海水系统的工作过程.海水管路系统仿真界面（见图5）包括1个高位海水箱、1个低位海水箱、3个变频海水泵、2个中央冷却器和若干截止阀.在正常的航行工况中，海水泵根据不同的海水干净程度从高位阀箱或者低位阀箱抽吸海水经管路送至中央冷却器，在中央冷却器中不仅有海水的进、出口，还有低温淡水的循环回路，这样就实现了用海水不断地冷却低温淡水，而用低温淡水再去冷却船舶其他关键设备的功能要求.

3.2 变频海水泵操控软件设计

采用丹麦IRON PUMP Copenhagen生产的变频海水泵，其型号为QV10/300，数量为3台，额定体积流量为535 m3/h，额定扬程为0.25 MPa，额定功率为48 kW，额定转速为1 775 r/min.在正常的航行工况下采用两用一备的工作模式.

变频海水泵操控软件设计仍采用三层架构的设计思想.模型层主要是根据变频海水泵的工作特性将其封装为一个SeaWaterPump类，留下一些接口，如扬程、体积流量和功率，当3台海水泵中的任意一台开始工作时，只需将SeaWaterPump类进行实例化.业务逻辑层以系统原理为基础，根据不同的操作和变量状态保证系统符合实船的工作要求和功能要求.用户层主要用于系统与用户的交互，根据用户的输入和航行工况进行相关参数的监控和显示.设计的变频海水泵操控界面见图6，其中海水泵转速控制流程见图7.

变频海水泵转速控制流程主要为：检测通过三通温控阀后的海水的温度是否为设定值36 ℃；以此温度为控制对象，首先调节三通温控阀的开度，若在某一开度时海水泵提供的冷却量大于换热量，则降低海水泵转速，否则提高海水泵转速.此外，为避免海水发生盐析，设定海水出口的安全温度为44 ℃.

4 变频海水系统仿真软件的操作与测试

变频海水系统仿真软件不仅要实现根据具体操作完成对整个系统体积流量、压力的实时仿真，而且还要能够根据不同的工作状态实现对海水泵的工频/变频切换和自动起停控制.因此，需要对所设计的仿真软件进行功能测试.

首先根据系统原理在海水管路系统仿真面板中从海水入口处开始，依次打开从海底海水箱到海水总管的设备，经过中央冷却器最终到舷外的截止阀，然后在控制面板中供电（“电源”指示灯变亮，表示系统已经供上电）.当处于工频模式时，选择一种负荷模式，如主机功率为85%MCR，海水温度为28 ℃，当手动/自动旋钮旋至手动时，可以在海水泵旁手动起停海水泵，起动后的状态由原来的暗绿色变为绿色，当手动/自动旋钮旋至自动时，系统可以根据不同工况自动起停海水泵，但由于在工频模式下运行的海水泵只能处于额定功率，海水泵的体积流量、扬程和转速几乎都是稳定不变的.当处于变频模式时，可以根据不同的主机功率和海水温度，通过换热器类和负荷类计算系统所需的海水体积流量和转速，以此转速为输入来变频调节海水泵的转速，进而调节其体积流量，还可以根据所设计的泵的切换策略，实现泵的工频/变频自动切换.例如：当船舶的冷却需求小于一台泵的额定体积流量时，变频起动一台泵，这一般发生在船舶靠港时，此时主机处于停机状态；当船舶的冷却需求大于一台泵的额定体积流量时，处于变频状态下的泵会自动切换到工频状态，然后再变频起动另外一台泵，实现了根据不同的冷却负荷状态自动调节海水泵的转速和工频/变频切换，这一般发生在船舶处于经济航速（85%的设计航速）且航行在海水温度较低的航区时.在海水管路系统仿真界面上，可以根据实船的相关原理和操作规程实现海水管路系统的仿真，并对相关的体积流量和压力参数进行实时动态显示.在软件监控界面（见图8）上，对系统重要参数和3台主海水泵的参数进行实时监控和显示，这不仅能减少人员对设备的巡检次数，提高维护管理水平，还能让培训人员对系统有更深刻的认识.

5 结束语

本文建立了船舶变频海水系统及其设备的数学模型，并运用Visual Studio 2010开发了船舶变频海水系统的仿真软件，包括海水管路系统仿真软件、变频海水泵操控软件和系统监控软件等.所设计的仿真系统能够根据系统原理模拟海水系统在不同工况下的各种操作，并且可以根据不同的外界环境和主机功率，动态、直观地显示海水泵在工频和变频模式下的运行状态.用自定义开发的旋钮、截止阀、按钮等控件进行操作输入，用指示灯和转速表实现相关参数的显示和状态指示.此外，还实现了对系统的一些主要参数的实时监控，如体积流量、压力和温度.该仿真系统较好地实现了船舶变频海水系统的所有操作功能，可以让培训人员对该系统的工作状况和运行原理有比较清楚和直观的认识.最后，对设计的仿真软件进行了详细的操作和測试.操作结果表明，该系统能够全面、真实地反映船舶变频海水系统在实船上的动态过程，对学员提高操作熟练度，加强把变频调速应用在海水系统中的理解，以及提高系统操作的安全性和可靠性都起到十分重要的推动作用.

参考文献：

[1]SU Chunlien， CHUNG Weilin， YU Kuentyng. An energysavings evaluation method for adjustablefrequency drive applications on ship central cooling systems[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2013， 50（2）： 12861294. DOI： 10.1109/TIA.2013.2271991.

[2]柯有辉. 实船主海水冷却泵变频控制的改造设计[J]. 中国修船， 2015， 28（3）： 3034. DOI： 10.13352/j.issn.10018328.2015.03.010.

[3]唐强， 张维竞， 许婉莹. 基于变频控制的中央冷却系统性能研究[J]. 节能技术， 2015， 33（2）： 99102.

[4]陈伟智， 张维竞， 张小卿， 等. 船舶中央冷却系统串级控制的建模与仿真研究[J]. 中国造船， 2013， 54（1）： 198204.

[5]金美荷， 张维竞. 基于ESS控制模块的船舶中央冷却系统节能效果的研究[J]. 船舶工程， 2013， 35（1）： 101105. DOI： 10.13788/j.cnki.cbgc.2013.s1.034.

[6]李彬彬， 张均东， 吕海平， 等. 船用主海水泵的直接转矩控制仿真[J]. 大连海事大学学报， 2016， 42（1）： 4851. DOI： 10.16411/j. cnki.issn10067736.2016.01.013.

[7]吴桂涛， 任旭东， 孙培廷. 船舶主机缸套冷却水系统的建模及仿真[J]. 哈尔滨工程大学学报， 2003， 24（4）： 376379.

[8]陈伟智. 某船中央冷却系统控制策略研究[D]. 上海： 上海交通大学， 2013.

[9]李文蛟， 刘晓红， 詹宗勉. 船舶中央冷却系统主海水泵变频自动调速系统的模拟试验及其节能研究[J]. 大连海事大学学报， 1996， 22（1）： 3337.

[10]陈宁， 李雯文， 王之民， 等. 船舶主机冷却水系统的仿真研究[J]. 江苏科技大学学报（自然科学版）， 2014， 28（6）： 547552. DOI： 10.3969/j.issn.16734807.2014.06.007.

[11]丁睿， 唐建文， 董威. 电力推进船舶中央冷却系统动态特性建模及控制仿真[J]. 制冷与空调， 2006， 6（5）： 99102.

[12]唐元元， 张均东， 曹辉. 大型商船分离型轮机仿真平台的设计[J]. 大连海事大学学报， 2016， 42（2）： 5861. DOI： 10.16411/j. cnki.issn10067736.2016.02.010.

[13]沈智鹏， 张宁， 王海伟， 等. 大型集装箱船舶辅锅炉仿真系统的研究[J]. 系统仿真学报， 2014， 26（10）： 23452350.

[14]张宁， 沈智鹏， 刘继中， 等. 基于半实物的船舶燃油净化仿真系统研究[J]. 系统仿真学报， 2015， 27（9）： 20442048. DOI： 10.16182/j.cnki.joss.2015.09.016.

（编辑 赵勉）