基于PID调节风机变频控制系统在船舶中的应用

陈丽霞

(南通象屿海洋装备有限责任公司，江苏 南通 226368)

0 引言

燃料消耗费用一直是船舶运营成本中最大的一笔。船舶在航行过程中工况经常会发生变化，且工况非常复杂，而在船舶设计的初期，设备的功率选型均按照最大的工况进行选择，这无形会造成船舶燃油消耗的浪费。因此，船舶节能性越来越受到船东的重视。根据实际工况，合理控制设备运行状态，提高船舶整体性能，是绿色船舶追逐的目标。

利用变频器实现调速运行是节约能源的有效措施。通过改变电源的频率，得到不同的转速[1]；设定不同的运行速度，得到不同的功率[2-3]。因此，进行自动有效地调速，根据船舶航行的实际工况得到最佳的运行速度，是实现节能的关键。为此，本文分析了风机变频调速节能原理，对机舱风机的PID调节控制进行研究，并计算63 500 t散货船变频控制的机舱风机燃油量。

1 风机的变频调速节能原理

变频风机的频率不是固定的，而是可以进行动态调整的。综合考虑到成本及实际工况，变频风机的频率一般选择为30～60 Hz可调。

电机是船舶机舱风机的动力源。机舱风机主要依靠电机转速来驱动风机叶轮。根据异步电动机的工作原理，交流异步电动机的转速按式(1)计算[4]：

(1)

式中：s、p、f分别为转差率、极对数、电源频率。

s、p为常值，因此根据式(1)可知：只要改变电源频率，就可以改变风机的转速。

通过改变电机转速来改变风机转速时，其电机效率基本不变，但风量qv与转速成正比，功率P与转速的n立方成正比[2]。故风量、功率与转速有如下关系：

(2)

式中：P1为实船功率；P2为额定功率；n1为实船转速；n2为额定转速。

由式(1)和式(2)可以看出，当风机频率降低时，风机的转速也会降低。风机的转速降低后其风量降低，有效功率也大幅降低[2]。这就是变频风机节能的主要理论论据。

2 机舱风机的PID调节控制

2.1 典型PID控制及作用

“P”是比例控制。单独的比例控制也称“有差控制”，输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系，偏差越大输出越大。

“PI”是比例积分控制。比例控制不能最终消除余差的缺点限制了它的单独使用，克服余差的办法就是在比例控制的基础上增加积分控制作用。积分控制器的输出与输入偏差对时间的积分成正比。只要偏差存在，输出就会不断累积(输出值越来越大或越来越小)，一直到偏差为零，累积才会停止。“PI”将两者结合，既能通过比例控制作用加快响应速度，又能通过积分控制作用消除余差，但却降低了响应速度。

“PID”是比例积分微分控制，也是最为理想的控制方式。它集三者之长，既能通过比例作用加快响应速度，又能通过积分作用消除余差，还能通过微分作用实现超前控制。PID调节器加快了系统的动作，减少了调整时间，从而改善了系统的动态性能。

2.2 机舱风机的PID调节控制

在船舶实例运用中，将机舱温度和机舱内外压差作为PID调节的依据，将正常环境的温度值和内外压差值作为PID调节的最终目标，从而实现无偏差调节。在科技发达的今天，正是由于PID功能的优越性、灵活性、广泛性，使得变频器的功能大都集成了PID，简称“内置PID”。典型的机舱风机变频PID调节控制原理图见图1。

图1 变频器内置PID调节控制原理图

图1中：

比例控制P就是机舱风机输出的风量是否满足船舶航行时机舱设备所需的风量，是否能够达到正常的设定值。

比例积分控制PI按照一定的逻辑判断，根据船舶实际的工况对风机的运行速度进行控制。如果机舱温度变高或者机舱内外压差变大，就增加风机转速；反之，机舱温度降低或者机舱内外压差减小，就降低风机转速。

比例积分微分控制PID根据各个传感器测量的数据进行分析比较。当实际的情况与设定值差距很大时，则快速地提高或降低风机的运行速度；当实际情况与设定值接近时，则缓慢地调速，直到无限接近或达到设定值[5]。

3 实船应用

63 500 t散货船的机舱配有4台机舱供风机，风机频率可调，范围为30～60 Hz，并选用施耐德变频器及配套PLC控制模块。根据上述PID调节方案，通过监测机舱环境温度及机舱内外压差与设定值进行比较，从而进行实时调节。

为了保证反馈装置的准确性，需要进行多点采集数据。由于船舶机舱较大，故根据船舶运行的特点，分别对机舱的3台发电机上方和主机的上方这4个重要设备周围的空气温度进行监测，并以这些主要设备周围的温度作为机舱整体温度的依据。为了客观地反映出真实的室内外压差，最终将压差传感器定位在进机舱入口处。

船舶正常航行时，机舱的环境温度设定为40 ℃；机舱通风维持正压，通常不超过50 Pa[6]，该船机舱内外压差设为50 Pa。为保证测量的准确性，机舱温度传感器量程设为0～100 ℃，压差传感器量程设为0～100 Pa。

在船舶设计之初，机舱的设计温度决定了机舱风机的选型，且船舶设备对环境温度的要求较高。若温度过高，会导致设备不能正常运行甚至停机，故确保机舱环境温度尤为重要。机舱风机PID调节示意图见图2。从流程图中可以看到，在PID调节中，若机舱环境温度大于或等于40 ℃，此时不考虑机舱内外压差，优先考虑降温，直接快速将风机转速调至最大，变频器100%输出，使机舱区域快速进行热交换，将温度降至设计温度以下，以保证设备的正常运行，保证船舶运行安全。

图2 机舱风机PID调节示意图

船舶机舱区域与室外大气压差应保持50 Pa正压差，若出现负压，则表示机舱的进气量不足，机舱设备运行所需的空气不足。在确保机舱环境温度低于40 ℃时，进行逻辑判断，若此时的机舱内外压差小于50 Pa，则表示此时机舱的供风量不够，PLC给出增加转速判断，通过变频器增加频率来增加风机转速；当机舱内外压差大于50 Pa，则表示此时机舱的供风量有富余，PLC给出降低转速判断，通过变频器降低频率来减少风机转速；若此时机舱内外压差正好维持在50 Pa，则保持风机转速不变，变频器保持当前的频率以保持风机转速。

从图2看出，PID调节是一个闭环调节过程。风机的转速根据实际情况进行调节，使得最终机舱温度及内外压差达到或者无限接近设定值，满足船舶运行要求。

4 基于PID调节的变频控制系统的

节能计算

机舱风机的PID调节是基于机舱风机的可变频控制，若机舱风机为定频风机，则无法进行调速，PID调节也无法进行，机舱风机将无法进行自动调节。因此，PID调节实现了无人化机舱的升级，解放了船员的双手。但归根结底，变频系统的发展与关注，源于它对船舶燃油消耗所作出的贡献。

由式(2)可知，采用变频调速后，风机的实际输出功率与实际的流量和额定的流量比值的3次方成正比[2]，即

(3)

调速后，n1

综合船舶实际工况，63 500 t散货船机舱每台风机的额定功率P2为21 kW，一个航次航行60 d，机舱风机综合设定运行的转速约为额定转速的80%，根据式(4)计算如下：

(4)

一个航次机舱风机可以节约功率P3为：

P3=(P2-P1)×24×60×4=59 028.48 kW

查阅63 500 t散货船发电机资料，发电机的燃油消耗量为194 g/kWh。因此通过变频控制的机舱风机所能节约的燃油量Q为：Q=194P3≈11.5 t

从上述理论计算可以看出，在一个航次过程中，机舱风机的变频控制降低了实际船舶燃油消耗量。仅一个航次的航行，变频控制就为船东节约了约11.5 t燃油，因此船舶中的变频控制越来越受到船东的欢迎。

5 结论

(1)基于PID调节的机舱风机变频控制系统，风机可以依据机舱内环境的温度及机舱内外压差的变化自动调整转速。PID调节是一个实时监测、反馈、比较的过程，响应速度快，调节速度快，最终达到供需平衡。

(2)机舱风机变频系统通过调整风机转速，使得在满足机舱供风量的同时，可以大大降低风机的功率，从而降低船舶的燃油消耗，达到节能效果。

(3)相比传统的定频风机，在船舶运行过程中风机消耗的电能会大大减小，有利于节能减排；相比传统的手工变频调节，基于PID调节的变频控制解决了由于船员经验不足导致手工调节出现失误、造成船舶设备无法正常运行的问题。