船舶机舱风机变频控制系统设计

苏景南

（中远海运重工有限公司，上海 200135）

0 引言

随着工业自动化程度的不断提高，变频控制技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果在各个领域得到了广泛应用，为节能降耗提供了重要手段。机舱风机为船舶重要的机械设备，其主要功能是为机舱内主机和发电机等机械和电气设备供给燃烧和散热所需的新鲜空气，保持机舱内有良好的环境以及设备正常工作。对于全球水域航行的船舶，外界环境温度变化会直接影响机舱内风量需求的变化。机舱风机应用变频控制技术可以很好地对机舱内新风量进行调节，达到降低能耗和改善机舱环境的目的。

1 项目概况

本船船长为200 m，型宽为35.2 m，型深为18.1 m，结构吃水为11 m，入级英国劳氏船级社，具有Ice Class 1A FS级冰区加强符号，适航于冰区海域。其首制船凭借绿色设计理念、低碳环保指标等优异高效的运营表现，被评为2018年丹麦年度之星，是全球第一艘完成北极航线的集装箱船。

2 变频控制系统设计

机舱内设备运行时会产生热量，而机舱又处于封闭状态，热量不易散发，导致机舱内温度升高，主机和发电机等内燃机设备燃烧也会消耗大量的新鲜空气，导致机舱内空气减少，含氧量降低。机舱风机采用变频控制的目的是根据机舱内和室外环境状况，通过对机舱内送入的新风量进行调整，保证设备所需新风量，使机舱内达到相对适宜的环境，同时也可降低机舱风机能耗。

2.1 机舱通风系统配置

本项目机舱采用2台轴流风机向机舱供风，每台风机风量为93 550 m/h，静压970 Pa，轴功率39 kW。有2个独立的发电机舱，分别布置2台发电机，主机和发电机均采用舷外直接进气设计，机舱风机仅用于机舱内设备散热，机舱内空气量不会因燃烧设备的启停和工况变化而产生较大变动，机舱内压力相对稳定。

2.2 变频控制变量及变量优先级选取

机舱风机选择变频电机，每台风机均设置变频控制器，用来对风机转速进行调节，从而改变机舱送风量。船舶中控系统会向变频控制器输出4 mA～20 mA的控制电流信号：4 mA电流信号输送至风机变频控制器时，风机以最低转速运行；20 mA电流信号输送至风机变频控制器时，风机以 100%转速运行。

中控系统对风机变频器的控制是依靠对机舱内环境变量信息进行采集分析后发出控制指令，环境变量如何选取决定了机舱风机的运行状况。

在通常情况下，机舱内的环境变量有以下几种：

1）机舱内温度是会直接对人员和设备产生影响的参数，温度过高或过低都会影响人员的舒适性，也会影响机舱内设备的工作性能。

2）机舱内和室外环境的温差，设置此参数是为了保证机舱内和室外环境保持相对稳定的水平，不会产生过度调节。

3）机舱棚内和室外环境的压差，机舱内耗气设备会对机舱内空气总量产生影响，从而引起压力变化，此参数设置是保证机舱内有充足的新鲜空气量和良好的通风效果。

本项目选取以上3种变量作为中控系统的输入变量，主要出于以下几点考虑：

1）本项目属于全球航行船舶，夏季最高气温可能会达到45 ℃，冬季会降低到−25 ℃，保持机舱内温度处于适宜的范围是首要考虑的因素。

2）温差调节是在机舱内温度在适宜范围内，对机舱内环境的优化调节，使其始终处于最佳状态。

3）机舱内保持一定的正压对机舱内通风效果和热量排出具有一定的好处。

对于变频控制变量的优先级，本项目选择机舱内温度作为主要控制变量，在机舱内温度满足设定条件后，再根据温差进行调节。当温度和温差均满足设定条件时，压差控制启动来调节机舱内压力。当高优先级设定条件触发时，变频控制器会立即执行高优先级变量发出的指令。

2.3 变频控制传感器安装位置选择

传感器对机舱内的环境具有监测功能，机舱属于船舶最大的设备处所，结构复杂，舱室众多，对所有位置均设置传感器会导致成本过高和控制混乱，因此选择最能体现机舱内环境状况的位置来布置传感器。

机舱内主机和发电机是散热量最大的设备，其散热量占机舱内总散热量超过 60%。机舱风机将新风送入机舱内各处，机舱内空气是经过机舱与烟囱之间的大开口排到室外，因此此处能体现处机舱内温度和压力的平均水平。

本项目具有2个相对独立的发电机室，在左发电机室和右发电机室内各设置1个温度传感器，在机舱大开口左右两舷也各设置1个温度传感器，用于监测机舱内环境温度。在2台机舱风机的进口分别设置1个温度传感器，用于监测室外环境温度。机舱内和室外环境的温差通过温度传感器获取的参数做差值获得。本项目设置1个压差传感器，室内探头放置在机舱大开口附近，室外传感器布置在不易受气流影响的机舱外。

变频控制传感器布置见图1。

图1 变频控制传感器布置

2.4 变频控制设定值选择及报警

机舱内和室外传感器采集到各环境参数后会通过中控系统分析形成指令后对风机转速进行调节。温度、温差和压差设定值决定机舱内环境处于何种状态。

2.4.1 温度设定值

通常机舱内设计温度为45 ℃，超过此温度，机械设备和电气设备的工作性能都会有所下降。机舱内属于高发热量机器处所，机舱内35 ℃以下可以满足船员正常工作需求。船舶在低温环境航行时，机舱内温度必然会下降，过低的机舱环境温度会在机器设备表面形成凝水，也会影响机器设备的正常工作，通常20℃的温度比较适宜。

本项目的变频控制有2种模式：一种为经济模式，即当机舱内无人值班时，风机以经济模式运行；另一种为舒适模式，即当机舱有人值班时，风机以舒适模式运行。本项目温度设定值选取如下：

1）经济模式下，最高温度初始设定值为45 ℃，最低设定值为20 ℃，最高设定值为45 ℃。若设定值被船员调整到43 ℃以下，在15 min后会激活报警。

2）舒适模式下，最高温度初始设定值为35 ℃，最低设定值为20 ℃，最高设定值为45 ℃。

2.4.2 温差设定值

机舱风机将新鲜空气送入机舱已降低温度，加大机舱新风量可以进一步降低机舱内温度，但也会造成能源浪费；减小新风量，机舱内温度会上升，影响设备工作和人员舒适性。因此，选择合理的温差范围，对设备工作、人员舒适和节能降耗都十分重要。机舱通风计算的温差选取一般为12.5 K，作为风量计算的依据，本项目温差设定值选择如下：

1）经济模式下，温差最低设定值为5 K，最高设定值为15 K。若温差设定值不在11 K～13 K范围内，15 min后会激活报警。

2）舒适模式下，温差最低设定值为5 K，最高设定值为15 K。

2.4.3 压差设定值

本项目压差默认设定值为50 Pa，最低设定值为30 Pa，最高设定值为70 Pa。

2.5 机舱风机控制模式转换

机舱风机有2种控制模式：一种是自动控制模式，风机转速控制只能通过中控系统实现；另一种为手动控制模式，船员需在本地控制箱进行操作，控制风机的启停。对具有变频控制功能的风机来讲，手动控制模式也可对风机的频率进行手动调节，使风机在某一固定转速下运行。

本项目机舱风机的控制模式在风机控制箱选择，但在风机初次通电后，风机为手动控制模式。若转换到自动控制模式，需满足以下条件：

1）至少有1个机舱内的温度传感器完好；

2）至少有1个空气进口（室外环境温度）的温度传感器完好；

3）压差传感器完好；

4）风机选定为自动控制模式，没有报警。

若自动控制模式条件满足，且风机已经在手动控制模式下连续工作6 h（可调），风机会强制转换为自动控制模式，并会在自动控制模式下持续运行。

若风机在自动控制模式下运行，需要进行风机启动或停止操作，船员必须先将风机转换为手动控制模式，然后再进行操作。

若任意一个传感器失效都会触发报警，系统也会忽略由此传感器采集到的信号。如果没有可以替代的传感器可用，风机会强制转换到手动控制模式。机舱风机的模式选择及控制逻辑如图2所示。

图2 机舱风机控制流程图

3 结论

本文对某支线集装箱船机舱风机变频控制系统进行分析研究，确定了以温度、温差和压差3种环境变量作为变频控制系统的输入变量，且制定了优先级控制方案，得出传感器最佳数量和布置位置，结合船舶实际运行状态以及环境对机舱内设备和人员的影响，确定了经济模式和舒适模式下温度、温差和压差变量的设定值以及报警点，为相关变频系统的设计提供一些思路和参考。