基于智能控制的船舶輔機節能技術研究＊

陽世榮

（中國艦船研究設計中心 武漢 430064）

1 引言

隨著世界能源緊缺趨勢的進一步加劇，在燃油價格上漲與運費下跌的雙重作用下，國際航運業面臨著巨大壓力［1］。船舶節能技術通過提高能源利用效率，能夠在船舶所攜能源不增加的前提下，盡量提升續航力；或者在維持同樣續航力的前提下，減少能源裝載以增加貨物裝載，從而緩解國際航運業面臨的成本壓力，也符合當前國家節能減排的政策要求。因此，船舶節能技術已成為當前船舶設計、制造及航運行業的研究熱點。

推進負荷與輔機負荷是船舶的兩大能耗對象。目前，船舶節能技術研究主要側重于推進節能方面，如優化推進主機提高能源利用效率、改進螺旋槳提高推進效率、優化船型降低航行阻力、減少船體表面附著物降低粘性阻力等等［1～4］。然而，船舶輔機節能技術研究尚未得到足夠的重視。船舶輔機主要包括數量眾多的泵與風機，一般由電動機驅動運轉，因此船舶輔機是船舶電網的主要用電負荷。由于船舶所攜能源有限，輔機耗電量過大必然會占用船舶主推進設備所需的能源份額，影響船舶航行續航力的提升，從而導致航運成本增加。所以，研究輔機節能技術，降低輔機的耗電量，是實現船舶節能的重要途徑。

輔機一般用于向船舶各系統提供水量、風量及油量等，輔機的功耗與其提供的介質流量、揚程等有關。根據當前的設計規范，輔機額定功率一般按照滿足系統最大工況需求的原則進行設計，而輔機的控制方式往往只有簡單的啟動、停止控制，因此輔機一旦開機就運行在額定功率或接近額定功率的范圍內。但是，系統的實際工況需求一般不會達到最大值，因此，輔機經常處于“大馬拉小車”的工作狀態，造成了大量的能源浪費現象。所以，通過改進輔機控制方式，實現輔機輸出功率的實時平滑可調，進而根據系統的實際工況需求實時調節輔機的功率輸出，就能夠達到輔機節能的目的。由于船舶系統的實際工況需求與航行工況、外部海洋環境等諸多因素相關，且變化情況多樣，要實現輔機功率與系統實際工況需求的最佳匹配必然是一個復雜的系統問題。因此，輔機節能控制系統必須具備知識學習能力和自適應能力，其控制模型不只是單一的數學解析模型，而是數學解析模型與專家知識系統相結合的廣義模型，即所謂智能控制系統［5］。

本文介紹了一種基于智能控制的船舶輔機節能技術，通過智能控制，實現輔機輸出功率的實時平滑可調，并且匹配系統實際的工況需求，從根本上消除“大馬拉小車”的能源浪費現象，降低輔機的能耗。

2 智能控制的節能原理

如前文所述，船舶輔機大多為風機、泵類負載［6～7］，以滿足船舶各系統的風量、水量、油量等需求。隨著船舶航行工況、航行海區的海洋環境、季節或晝夜的變化，船舶各系統的風量、水量、油量等需求也在不斷變化。因此，要實現輔機節能，輔機的流量輸出必須自適應的跟隨系統需求變化，以實現功率的最佳匹配，而對復雜環境的自適應能力正是智能控制系統的顯著特征［8］。

由于船舶輔機的額定功率一般按滿足最大流量需求的原則進行設計，因此，船舶輔機的流量調節大多為向下調節。對風機、泵類負載而言，改變流量的方式一般有兩種：1）改變管路的阻力特性，最常用的方法就是調節管路上閥門的開度；2）改變風機或泵的流量揚程特性，即改變轉速。

目前，由于風機、泵的控制大多為簡單的啟、停控制，所以改變流量通常采用方式1），即調節閥門開度。當需要減小流量時，則減小出口處風門或閥門的開度，此時管路阻力增加，風機、泵的出口壓力增高，流量減小，閥門兩端的壓力差增大，但是，此時電動機的轉速基本不變，電功率基本不變，大量電能白白浪費在管路損失上。同時，閥門的振動和磨損也增加，進而縮短使用壽命。因此，這種方法無法實現輔機節能。

智能調速控制則為方式2）的實現提供了技術途徑，根據系統工況需求變化自適應的改變風機、泵的轉速，從而改變風機或泵的流量揚程特性，能夠取得明顯的節能效果。下面以水泵為例進行具體分析。

智能調速節能的關鍵點在于提高了水泵的能量利用率。能量利用率是對水泵機組能耗評價的重要標志。能量利用率η的表達式如式（1）或式（2）所示：

式中，ηp為泵的運行效率；ηm為電機的運行效率；HB為需要泵的揚程；HA為泵出口的實際揚程；HΔ為泵的剩余揚程，HΔ＝HA－HB。

由式（1）與式（2）可知，要提高能量利用率，就應提高泵和電機的運行效率，減小泵的剩余揚程。當泵和電機已經確定時，泵組的能量利用率主要與泵的剩余揚程有關。智能調速節能主要是通過減少剩余揚程來提高能量利用率的。如圖1所示，M為管路調節閥門全開時的工作點，對應轉速n、流量qVM、揚程HM和管路特性曲線I。當泵的流量需要減小時，采用降低轉速的方式，管路阻力特性曲線I沒有變化，泵的特性曲線平行下移，管路系統的工作點從M點移至B點，泵的出口揚程與管路總壓降相等，HΔ＝0，沒有揚程損失。根據相似原理，調速后的泵的效率近似相等，泵仍處在高效區運行，因此，智能調速控制能夠提升泵的能量利用率，從而降低能耗。

如果采用減小閥門開度的方式減小流量，如圖1所示，管路的阻力特性曲線上移由I變為I′，泵轉速基本不變，其特性曲線也不變，管路系統新的工作點為A點，此時，泵的出口揚程大于管路需要的泵揚程HB，剩余揚程消耗在調節閥節流上，造成節流損失，而且泵的工作點往往偏離了高效區，水泵的能量利用率較低，造成不必要的浪費。

風機、泵是典型的平方轉矩類型負載，其流量q、揚程H、功率P和轉速n之間的關系如式（3）所示。

圖1 調速方式減小流量與截流方式減小流量的對比

從式（3）可以看出，風機、泵的流量與配套電動機的轉速成正比，所消耗的電功率與電動機轉速的三次方成正比，且電功率正比于流量與揚程的乘積。所以圖1中陰 影部 分 面 積 HA－A－BHB表示采用調速方式減小流量時所節省的電能。

從上述分析可以看出，采用智能控制調速的方式減小流量，能夠取得明顯的節能效果，尤其是當輔機處于連續運行工作制的條件下時，節省的電能是相當可觀的。

需要說明的是，從圖1和式（3）可以看出，當水泵的轉速降低時，水泵的揚程也成平方關系下降，因此，應用智能控制技術進行輔機節能時，還必須考慮揚程是否能滿足系統的要求。因而調速范圍不能太大，一般在額定轉速70%～100%的范圍之內［9］。

3 輔機智能控制節能技術方案

根據上文的分析結論，采用智能調速控制能夠有效的降低輔機能耗。目前，應用最廣泛的船舶輔機電動機為交流異步電動機。交流電機的轉速表達式如式（4）所示。

式（4）中，n為電動機轉速；f為供電頻率；p為電機極對數。

從式（4）可以看出，電機轉速與供電頻率成正比，因此采用變頻的方式對電機轉速進行無級調節是最佳的調速方式。隨著大功率電力電子器件發展日新月異，電動機變頻調速技術發展也日益成熟，為船舶輔機運行的變頻調速節能提供了技術基礎。

根據式（1）與式（2），提升電動機效率是減少輔機能耗的有效途徑。特別對于航行期間處于連續運行狀態的輔機，如冷卻水泵、滑油泵、通風機、空調壓縮機等，即使電動機效率僅提高一點點，整個航行期間累計節省的電能也是相當可觀的。目前在船舶上得到廣泛應用的交流異步電機只有工作在額定點附近時才能保證較高的效率和功率因數，當因工況需求變化要求將轉速調至偏離額定工作點時，其效率和功率因數將大幅下降，能耗將大幅增加。因此，要提升電動機效率則必須采用新的高效節能型電機。

近年來發展迅速的永磁同步電動機，為解決船舶輔機電動機存在的上述問題、提高電動機能效，提供了一條新的技術途徑。永磁同步電動機的轉子由永磁體材料構成，轉子側無感應電流，不存在轉子磁滯損耗和渦流損耗［10］，提高了電機效率；由于無需轉子勵磁，電機功率因數可接近于1［10］，減小了定子電流，進一步提高了電機效率，同時也改善了電網品質，降低了網損；全功率范圍內效率高，即使負載降低到額定負載的25%時，永磁電動機效率仍可達到90%以上，特別適用于具有調速需求的應用場合。另外，永磁電動機啟動轉矩大，在需要重載啟動的輔機系統中，可以用較小容量的永磁電機替代較大容量的一般電機，能夠克服“大馬拉小車”的現象［11］。此外，永磁電動機還具有溫升低、體積小、重量輕的優點，并且不存在電刷，維護性好，特別適合作為船舶輔機電動機。

采用變頻調速和永磁電動機解決了轉速調節和電機效率問題后，還必須解決輔機功率調節自適應系統工況需求變化的問題，這就要求輔機智能控制系統必須采集系統運行工況信息，并進行計算和辨識，從而自適應的調節輔機轉速，實現能量最佳匹配。

以船舶冷卻水泵為例，典型的輔機智能控制節能技術方案如圖2所示。

圖2 船舶冷卻水泵智能控制節能技術方案

圖2中，1為永磁同步電動機，2為變頻調速控制器，3為入口溫度傳感器，4為出口溫度傳感器，5為入口壓力傳感器，6為出口壓力傳感器，7為流量傳感器，8為船舶冷卻水泵，9為船舶熱負荷。該節能技術方案的基本工作原理如下：

1）變頻調速控制器2根據所接收的船舶熱負荷9的工況狀態信號，確定船舶熱負荷9的實際運行工況；

2）變頻調速控制器2根據入口溫度傳感器3、出口溫度傳感器4傳送的冷卻水進、出口溫度信號，以及入口壓力傳感器5、出口壓力傳感器6傳送的冷卻水進、出口壓力信號，并結合熱負荷運行工況需求，實時計算求出滿足船舶熱負荷9實際運行工況所需的冷卻水給定流量值；

3）變頻調速控制器2根據流量傳感器7傳送的冷卻水實際流量信號，自動調節輸出電壓和電流的大小、頻率，以改變永磁同步電動機1的轉速，進而調節船舶冷卻水泵8的供水流量，使得實際流量與給定流量一致，經濟節能地滿足船舶熱負荷9的實際工況冷卻水需求。

因此，采用智能控制技術方案，能夠根據系統實際需求自適應的調節輔機功率輸出，實現流量既不多給也不少給，從而杜絕了電能浪費現象，達到輔機節能的目的。

4 基于船舶平臺信息的多輔機系統智能控制節能

圖2所示智能控制方案能夠解決單臺輔機的節能技術問題。但是，船舶平臺各系統實際運行期間往往有多臺輔機聯合工作，并且系統實際運行情況較為復雜，除了與船舶的航行工況有關之外，某一系統運行還往往受到船舶平臺其他系統運行工況以及航行期間各種外部環境因素的影響。因此，要實現聯合工作模式下的多臺輔機節能，則要求智能控制系統應用信息技術獲取船舶平臺信息，如本系統的實際運行工況參數、其他相關系統的工況參數以及相關外部環境參數，并結合船舶系統運行的專家知識對系統的實際工況需求進行辨識，進而計算得出最優的節能運行方案，由操作人員或控制系統自動進行輔機控制調節，實現各輔機功率輸出的自適應匹配，從而達到多輔機系統節能的目的。

船舶冷卻系統、空調系統及通風系統都是典型的多輔機系統。冷卻系統中的冷卻水泵、空調系統中的空調裝置、通風系統中的通風機等輔機設備連續工作時間長、用電需求量大，而且其流量供給往往隨航行工況、熱負荷分布、季節、海水環境溫度等條件的變化而變化，因此應用基于船舶平臺信息的智能控制節能技術方案，能夠取得較明顯的節能效果。

對于冷卻系統而言，首先應該為冷卻水泵裝配永磁電動機，提高設備本身的運行效率。運行期間可根據海洋環境溫度、船舶熱負荷工況狀態、冷卻水泵出口溫度及壓力等信息，通過實施變頻調速、冷卻水泵運行臺數控制等技術措施實時調節冷卻水的供給量，當系統熱負荷較低或外部海水溫度較低、換熱效率較高時，可適當降低冷卻水供給量，既能滿足系統溫升控制要求，又能最大程度節約電能。

對于空調系統而言，采用變頻壓縮機及變頻調速空調風機，根據艙室人員分布、艙室溫濕度、外部環境溫度、冷卻水溫度等信息，在滿足人員需求和艙室環境要求的前提下，自動調節制冷量，實現空調的經濟運行?？照{裝置是航行期間的能耗大戶，主要是為人員服務的［12］，當空調區域人員減少或者艙室環境溫度不高的情況下，通過調速自動減小空調功率；當空調區域無人時，及時關閉相應的空調制冷，降低空調能耗。

對于通風系統而言，除了應當采用永磁電動通風機組外，還可根據艙室大氣成分含量、大氣溫濕度、空氣壓力等信息，并結合航行工況狀態，采用變頻調速方式實時調節風機供風量。當大氣環境質量較好，可降低電機轉速以減少風量供給，既節約了電能也降低了通風噪聲。

5 結語

智能控制之所以能夠實現船舶節能，除了應用新型高效節能永磁電動機提高運行效率之外，最重要的是因為該技術從根本上改變了船舶輔機傳統的粗放式控制與運行管理模式，使得輔機功率輸出能夠同步跟蹤系統實際需求變化，實現了能量的按需分配和精細管理，在滿足能量供給不多給、不少給、不滯后的前提下盡量降低輔機能耗，從而達到船舶節能的目的。

目前，倡導節能環保的智能電器及智能控制技術在電力、化工、冶金、采礦等工業領域應用日益廣泛，筆者認為，在船舶行業大力推廣智能控制節能設備的技術條件已經成熟，智能控制所能帶來的節能降耗效果，在世界能源緊張趨勢日益加劇的今天，有著積極的現實意義。

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