变频器在船舶海水冷却系统中的应用

郑 琴

（长江航道局 武汉430010）

引 言

船舶冷却水系统是船舶动力装置安全可靠运行的重要保障。船舶主机和船上大功率电力电子设备由于发热量大，如果使用自然冷却和强迫风冷，无法将产生的热量带走，而用冷却水循环冷却来替代风冷，能够明显提高冷却效果。因为海水的腐蚀性大，如果直接进入设备会减少设备的使用寿命，因此一般的船舶都采用海水冷却淡水，淡水再冷却设备的方法达到冷却设备的目的。

通常海水泵按照最大负荷工况下的容量设计。大部分情况下，海水泵实际负荷均小于设计值。常规海水冷却系统中海水泵由普通电机驱动，根据不同工况选择运行海水泵的数量。变频海水冷却系统中海水泵由变频电机驱动，变频控制系统根据淡水冷却水出口温度，反馈调节控制海水泵电动机转速，调节海水冷却水流量。通过此方法能大幅降低海水泵的功率从而达到节能降耗，绿色环保的目的。

1 变频海水冷却系统工作原理

1.1 水泵流量调节

水泵性能曲线与管路特性曲线如图1所示［3］。图1中的B、C曲线为转速分别在n1、n2时的水泵性能曲线，n1＞n2。图1中的A、D曲线为阀门开度K改变的管路特性曲线，Ka＞Kd。其中H为使用工况点的扬程，m；Q为使用工况点的流量，m3/h［1］。

图1 泵的Q-H曲线

当需要改变工作点的流量时，应改变工作点的位置，现假设需要将工作点流量从Q2改为Q1，具体有如下两种方法［2］：

1.1.1 改变阀门开度

改变水泵管路上的阀门开关，即改变管路特性曲线，从A曲线更改为D曲线，使管路特性曲线变陡。如图1所示，工作点由M2更改为M1，流量由Q2减小为Q1，扬程由H2增大为H1。阀门调节流量方便迅速，且流量可以连续变化。

1.1.2 改变泵的转速

改变泵的转速是改变泵的特性曲线。如图1所示，工作点由M2更改为M3，转速由n1下降到n2，流量由Q2减小为Q1，扬程由H2减小为H3。这种调节法能保持管路特性曲线不变。当流量随转速下降而减小时，阻力损失也相应降低。

1.2 变频调速节能的实现

用转速控制流量时，当流量要求从Q2下降到Q1时，根据离心泵的特性公式［4］：

式中： P为水泵使用工况轴功率，kW；Q为使用工况点的流量，m3/s；H为使用工况点的扬程，m；r为输出介质的单位体积质量，kg/m3；η为使用工况点的泵效率，%。

可求出运行在M1、M2、M3点泵的轴功率分别为：

若改变阀门开度，则工作点由M2到M1。若改变泵转速，则工作点由M2到M3。M1、M3点两者轴功率之差为：

变频调速依据的是交流电动机工作中的转速关系：

式中：f为水泵电机的电源频率，Hz；p为电机的极对数；S为转差率。

由式（6）可知，均匀改变电动机电子绕组的电源频率f，就可以平滑地改变电机的同步转速。电动机的转速变慢，轴功率相应减少，电机输入功率也随之减少。

2 变频海水冷却系统方案

变频海水冷却系统由海水泵变频器、海水泵、温度传感器、流量传感器、压力传感器、控制系统、启动器、LCD屏等组成，系统原理图见下页图2。

海水泵变频器是本系统的核心部分。采用变频控制方法，针对离心海水泵的管路特性曲线，在满足最小流量、冷却量的基础上，结合主机发电机运行工况，采用模糊控制法，设定最小流量需求，适时调整海水泵转速。

图2 海水泵控制系统原理图

变频器使电动机工作在最优转速范围，具有过电压、过电流、低电压、过负载、超温及缺相等保护。

淡水出口温度作为最终控制量，用于变频器反馈调节。海水进出口以及淡水进口温度，作为控制条件，输入到控制系统中。

流量传感器用于海水泵故障检测及自动启动。

海水总管压力传感器作为控制条件，输入到控制系统中。保证海水总管压力不低于最小值（约0.12 MPa）。

三通阀开度信号用于判断海水侧的热交换效率，以便为海水泵自动调速作比较。

控制系统具有淡水温度控制、水泵变频/旁路运行、故障切换和顺序起动等功能。淡水出口设定温度可以在LCD上调整。控制系统分手动和自动模式，在自动模式下，根据淡水温度来控制海水泵转速，当运行的海水泵达到满速，而淡水温度还高于设定温度，则增加1台备用泵；当多台同时运行的海水泵达到最低转速，而淡水温度还低于设定温度，则自动停止1台泵。当某台变频器故障时，水泵可切换到旁路运行模式，处于旁路运行模式时，变频器不参与海水泵控制。可在LCD上设定3台海水泵的启动优先级，当需要启动海水泵时，控制系统可根据海水泵优先级顺序启动。

海水泵变频驱动系统包含本地/遥控功能。

3 系统运行对比

针对某型挖泥船，分别采用常规海水冷却系统和变频海水冷却系统的运行情况和经济性分析，可以很明显的看到变频海水冷却系统的节能效果。

某型挖泥船配置如下：

主发电机组

4 224 kW 3台

1 500 kW 1台

停泊发电机组

500 kW 1台

海水冷却泵

550 m3/h 3台（两用一备）

海水泵电机功率

53 kW

3.1 常规海水冷却系统

当船舶海水冷却系统采用非变频系统，2台4 224 kW主发电机同时运行时，将持续运行2台550 m3/h海水泵；只有在负荷低至只需开启1台4 224 kW主发电机时，才可只运行1台550 m3/h海水泵。2台4 224 kW主发电机同时停泊时，需通过停泊海水泵来保证全船冷却运行。

3.2 海水变频冷却系统

当使用3台4 224 kW主发电机加1台1 500 kW主发电机作业时，冷却海水排量需求约为1 100 m3/h，海水系统满负荷运行，运行2台550 m3/h海水泵。此时海水泵电机功率53 kW。

当使用3台4 224 kW主发电机作业时，冷却海水排量需求约为980 m3/h，运行2台550 m3/h海水泵。单台海水泵排量可以降至490 m3/h。此时海水泵电机功率约37 kW。

当使用2台4 224 kW主发电机加1台1 500 kW主发电机作业时，冷却海水排量需求约为850 m3/h，运行2台550 m3/h海水泵。单台海水泵排量可以降至425 m3/h。此时海水泵电机功率约24 kW。

当使用2台4 224 kW主发电机作业时，冷却海水排量需求约为730 m3/h，运行2台550 m3/h海水泵。但是考虑系统固有阻力限制，单台海水泵排量无法降至365 m3/h。此时海水泵电机功率估计约24 kW。

停泊工况时运行1台海水冷却泵，需求排量为220 m3/h。省去停泊海水泵，运行1台550 m3/h海水泵。但是考虑系统固有阻力限制，单台海水泵排量无法降至220 m3/h。此时海水泵电机功率估计约为24 kW。

各工况常规海水系统和变频海水系统功率消耗对比参见表1。

表1 各工况常规海水系统和变频海水系统功率消耗对比

假设该船全年运行300天，其中60%时间处在航行状态（即180天），40%处于作业状态，挖泥工况1、工况2和工况3各工作40天。如此核算，每年可节约燃油量约49 730.8 kg（6.12 kg/h×180×24 h+11.09 kg/h×40×24 h+11.09 kg/h×40×24 h = 49 730.8 kg），即采用海水变频冷却系统后，该船每年可节省约49 t燃油消耗。

除全船负荷变化会导致全船所需海水流量变化外，海水进口温度也会导致所需流量变化。现在以船舶满负荷运行为例，计算不同温度下常规海水系统和变频海水系统功率消耗。

船舶满负荷运行，当冷却海水温度在35℃时，冷却海水排量需求约为1 100 m3/h，海水系统满负荷运行，运行2台550 m3/h海水泵。此时海水泵电机功率53 kW。

船舶满负荷运行，当冷却海水温度在32℃时，冷却海水排量需求约为825 m3/h，运行2台550 m3/h海水泵。单台海水泵排量可以降至412.5 m3/h。此时海水泵电机功率24 kW。

船舶满负荷运行，当冷却海水温度在29℃时，冷却海水排量需求约为660 m3/h，运行2台550 m3/h海水泵。但是考虑系统固有阻力限制，单台海水泵排量无法降至330 m3/h。此时海水泵电机功率24 kW。

船舶满负荷运行，当冷却海水温度在26℃时，冷却海水排量需求约为550 m3/h，运行1台550 m3/h海水泵。此时海水泵电机功率53 kW。

各海水进口温度常规海水系统和变频海水系统功率消耗对照见表2。

表2 各海水进口温度常规海水系统和变频海水系统功率消耗对照表

可以看出，当海水温度下降时，海水变频冷却系统节能优势尤为突出。

4 结 语

综上所述，变频调速技术用于海水泵控制系统，能显著提高节能效果显著以及系统的运行可靠性。在大力提倡能源节约的今天，将变频调速技术应用于海水泵循环系统具有重大的现实意义。