大型船舶冷媒水系统辅助决策技术应用

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

现代大型船舶冷媒水船舶冷媒水系统一般为闭式循环的管路，采用供、回水总管的设计,统一供给冷源[1]，由总管就近分出所需支管，向各用户供冷。系统具有管网、设备多且分布广的特点，依靠传统的辅助系统管理方式需要花费较多的人力资源，随着船舶信息化、自动化技术的发展，这种落后的管理逐渐趋不能满足现代船舶的发展要求[2]。由于大型船舶冷源需求是动态变化的，特别是空调用户的差异性很大，对冷源的准确供应带来了挑战，需要更加合理地调节冷媒水系统的运行工况，及时应对系统用户的使用需求，实现资源统一调度[3]。针对上述问题，大型船舶逐步开始装备应用辅机监控系统，以实现对冷媒水系统管网及主要设备的监控。依托现代通信技术，针对冷水机组、管网隔离阀的状态监测、故障报警和远程控制功能较为容易实现，而冷媒水管网的冷量平衡供应往往需要通过人工判断和决策，动态响应能力不足。决策过程缺乏计算机辅助和数据支撑，信息化程度不高。为此，对冷媒水管网的冷水机组加减机辅助决策技术进行应用分析，实现大型船舶冷媒水系统管网的冷量计算，并根据系统的固有特性给出冷水机组加减机辅助决策建议。

1 辅助决策系统的构建

大型船舶典型冷媒水系统管网形式见图1。

图1 典型冷媒水管网原理图

为了实现对冷水机组加减机辅助决策功能，需要采集冷媒水系统必要的运行工况数据，作为系统的计算输入，这些数据主要有：全船冷媒水各用户支路的实时流量及供水温度、回水温度，全船各冷水机组的运行参数，如冷媒水出水温度、冷媒水回水度、出水温度下降速率、冷水机组累计运行时间和运行状态、冷媒水泵运行状况、冷却水泵运行状况等，冷水机组与管网阀件的逻辑联动关系。

上述系统运行工况数据的获取，需要在冷媒水系统各用户支路增设流量传感器、温度传感器，在系统总管设置遥控型管网隔断阀，并搭建一套数据采集系统或依托大型船舶的辅机监控系统采集传感器、阀门的数据。

考虑到冷水机组、管路传感器、管网隔断阀的布置一般较为分散，实施系统数据采集时，可以由冷水机组自带控制箱就近采集冷水机组出水温度、回水温度、机组运行参数、冷却水泵运行参数、冷媒水泵运行参数，由分布设置的数据采集设备采集管网温度传感器、流量传感器及管网隔断阀的数据。监控计算机统一收集分析冷水机组控制箱、数据采集设备传输的数据。典型的数据采集系统构成见图2。

图2 冷媒水系统数据采集系统构成

监控计算机运行辅助决策软件，分析冷媒水机系统的运行状态，综合计算全船冷源的负荷状况，比对当前处于运行状态的冷水机组最大制冷能力，特别是回水温度，利用合适的判据进行冷水机组加机、减机需求计算，通过适当的算法决策出需要启动或停止运行的冷水机组，向用户提供辅助决策建议。辅助决策流程见图3。

图3 冷媒水系统辅助决策流程

2 全船冷源负荷计算

当冷媒水系统管网隔离阀打开，全船冷媒水管网合并运行时，需计算全船所有用户支路的冷源能量负荷；当冷媒水系统管网隔离阀关闭，全船冷媒水管网分区独立运行时，需计算该分区所有用户支路的冷源能量负荷，并按分区提供辅助决策建议。

全船或分区的冷源能量负荷计算公式如下。

(1)

式中：Qc为全船或分区内当前冷媒水系统冷源能量负荷，该值为动态变量，随冷源用户的变化而变化；C1为计算系数，含单位换算系数；N为全船或分区内冷媒水系统用户支路数量；qk为全船或分区内冷媒水系统用户支路的流量；to(k)为全船或分区内冷媒水系统用户支路供水温度；ti(k)为全船或分区内冷媒水系统用户支路回水温度。

3 冷水机组加机辅助决策

3.1 系统加机需求判断

1)将计算得到的系统当前负荷Qc和冷水机组额定总制冷量进行比对，Qc应高于运行冷水机组当前工况最大制冷能力的一定比例，判据如下。

(2)

式中：C2为常数，一般取值0.9～1.0；M为全船或分区内当前正处于正常工况状态的冷水机组的数量，若为0时，则直接建议冷水机组加机1台；Qr(k)为单台冷水机组的额定制冷量。

2)当前所有处于运行中的冷水机组冷媒水出水温度均高于X1(X1值一般为5 ℃～10 ℃)。

3)当前所有处于运行中的冷水机组出水温度下降速率小于Y(Y值一般不大于1 ℃/min)。

在满足以上三项条件后，可视为冷媒水系统冷源供应不足，有增加冷水机组投入运行的需求。

3.2 冷水机组加机策略

1)每次决策只给加机1台的建议。

2)每次决策时从未开机的冷水机组中选择累积运行时间最短的冷水机组(还可以优先启动位于管网中部的冷水机组，有利于兼顾艏艉区域用户)，以图文形式给出启动运行该冷水机组的辅助决策建议。

3)根据冷媒水系统的配置情况，联动建议打开或关闭对应的管路附件，如工况调节阀等。

4)每次执行完成加机操作后，应至少间隔30 min才允许进行下一次决策，且该时间间隔应根据系统的水力特性确定，在实际应用时予以标定。

决策出建议启动的冷水机组后，向用户发出提示，并引导用户进行操作。

4 冷水机组减机辅助决策

4.1 系统减机需求判断

1)当前运行的冷水机组多于1台。

2)将计算得到的系统当前负荷Qc和冷水机组运行状态额定制冷量进行比对，Qc应低于减机后系统最大制冷能力的一定比例，判据如下。

(3)

式中：M为全船或分区内当前正常工况状态的冷水机组的数量，应大于1,当M=1时，若式(3)成立，建议关闭当前运行的冷水机组，直接用系统中的海水-淡水换热器(若有时)进行冷源供应。

3)当前所有处于运行中的冷水机组冷媒水出水温度均高于X2(X1值一般为5 ℃～10 ℃，且X2

在满足以上三项条件后，认为冷媒水系统冷源供应有富余，有减少冷水机组运行的需求，可以减至少1台冷水机组运行。

4.2 冷水机组减机策略

1)每次决策只给减机1台的建议。

2)每次决策时从已开机的冷水机组中选择累积运行时间最长的冷水机组(还可以优先关闭位于管网艏艉部的冷水机组，保留舯部的冷水机组)，以图文形式给出停止运行该冷水机组的辅助决策建议。

3)根据冷媒水系统的配置情况，联动建议打开或关闭对应的管路附件，如工况调节阀等。

4)每次执行完成减机操作后，应至少间隔30 min才进行下一次决策，根据系统的水力特性确定该时间间隔，在实际应用时予以标定。

决策出建议启动的冷水机组后，向用户发出提示，并引导用户进行操作。

5 冷媒水管网合并与分区原则

1)根据船舶本身使命任务确定冷媒水管网的合并或分区，如夏季冷却需求最大，可以将管网合并运行，轮流使用冷水机组向全船供冷；冬季空调冷却需求小，特种设备换热需求大，可以分区运行。

2)为了节约全船冷量资源，实现冷源的合理供应，可在平时打开隔断阀使全船管网并网运行[4]，使用数量较少的冷水机组供应全船用户。

3)在某些特定工况下，需要专用保障时，或需要长期稳定供应冷源、避免其他用户对特殊用户的影响，可关闭隔离阀将管网分区运行，开启分区内的单台或多台冷水机组供应特殊用户。

4)局部管路破损时，应当分区运行，减少破损处对全船冷媒水系统的影响。

当冷媒水管网分区运行时，由于分区内冷水机组数量一般很少，一般只有1或2台，进行冷水机组加减机辅助决策的实际意义已经不大。因此，冷媒水系统辅助决策技术仅对配置有多台(建议3台以上)冷水机组的大型船舶有较好的应用价值。

6 冷媒水系统辅助决策软件开发

结合图1表达的辅助决策流程，进行辅助决策软件设计。某大型船舶的冷媒水辅助决策软件基于冷媒水系统监控软件，采用面向对象编程语言VB进行开发，与冷水机组控制箱、数据采集设备(用于采集管网支路温度、流量参数)之间采用Modbus TCP通信协议。软件将所有采集到的参数均以测点ID(如61110010)的方式表达。

辅助决策功能集成在冷媒水管网监控页面，见图4，设“决策查询”功能按钮，用于手动启动辅助决策程序，程序代码以脚本形式在后台运行。

图4 冷媒水系统监控与决策软件界面

软件运行流程见图5。

图5 辅助决策软件流程

启动辅助决策软件的程序算法表述如下。

1)运行辅助决策程序时，先比对软件当前时间与冷媒水系统中最后一台冷水机组运行状态(启动或停止)变更的时间间隔，若大于30 min，则开始本次辅助决策运算;若不大于30 min，则提示等待系统达到平衡。

2)进入辅助决策运算，采用遍历法计算所有当前处于运行状态的冷水机组的额定总制冷量，利用式(1)计算当前冷媒水管网所有支路的冷量负载，利用加机需求判断的3个判据检查加机条件是否满足，若满足则进入加机决策，进入第3)步；若不满足，则进入减机条件判断，转第4)。软件相应设置若干标志位。

3)若进入加机决策，利用查询最小值算法找出当前处于停机状态的冷水机组中找出累计运行时间最短的机组，在人机交互界面给出建议启动该机组的信息，并提示相应阀件的联动关系。

4)若无加机需求，则利用冷水机组减机需求判断的3个判据检查减机条件是否满足。若不满足，则本次辅助决策结束，给出提示“建议保持系统当前状态”；若满足，则利用查询最大值算法找出当前处于停机状态的冷水机组中找出累计运行时间最长的机组，在人机交互界面给出建议保留运行的机组信息，并提示相应阀件的联动关系。

7 结论

通过辅助决策技术的实施，可以进一步优化系统运行工况，更加合理地搭配使用，将设计思想贯穿到系统使用过程中，验证冷媒水系统的设计，为优化改进提供反馈，统一调度冷媒水资源。关于冷媒水管网的合并与分区辅助决策技术，需要进一步研究算法，通过数据计算给出分区或合并决策建议。