實(shí)船主海水冷卻泵變頻控制的改造設(shè)計(jì)

柯有輝

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

實(shí)船主海水冷卻泵變頻控制的改造設(shè)計(jì)

柯有輝

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

為解決商業(yè)運(yùn)輸船舶在航行時(shí)海水冷卻泵排量過(guò)剩的問(wèn)題，對(duì)17.6萬(wàn)DWT散貨船海水冷卻泵進(jìn)行變頻控制改造。根據(jù)SHINKO公司提供的離心泵特性曲線，以最小二乘準(zhǔn)則為判斷依據(jù)，建立了離心泵的變頻揚(yáng)程-流量(H～Q)、效率-流量(η～Q)數(shù)學(xué)模型，建立了淡水冷卻器淡水進(jìn)出口溫差與淡水冷卻系統(tǒng)熱負(fù)荷關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，最后給出了船舶任何工況下根據(jù)淡水冷卻器進(jìn)出口溫差和海水泵進(jìn)出口溫差進(jìn)行海水泵功率、頻率預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型。試驗(yàn)表明此方法能節(jié)約能源、提高經(jīng)濟(jì)效益。

船用主海水冷卻泵；數(shù)學(xué)模型；變頻控制;節(jié)能

為了保證船舶全球航行的需要，中央冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工況為船舶在熱帶32 ℃水域全速航行。但實(shí)際情況是，一方面船舶大部分時(shí)間是在低于32 ℃的海域中航行，另一方面船舶又大多處于主機(jī)常用功率點(diǎn)下的經(jīng)濟(jì)航速[1]。主海水泵長(zhǎng)期在超出實(shí)際需要的功率下運(yùn)行。目前，典型船舶的海水冷卻泵占中央冷卻系統(tǒng)年總成本大致為22.8%～31.5%，從理論上講，轉(zhuǎn)速降低10%，水泵流量將減少10%、揚(yáng)程降低19%、軸功率降低27.1%，因此海水泵通過(guò)變頻調(diào)速節(jié)能就變得非常有必要,本系統(tǒng)由2臺(tái)中央冷卻器，3臺(tái)額定功率為45 kW的海水泵(其中1臺(tái)為備用)等設(shè)備組成。

目前對(duì)海水泵的變頻調(diào)速的研究主要集中在船舶在主要工況下(設(shè)計(jì)航速、經(jīng)濟(jì)航速)、根據(jù)淡水冷卻器淡水進(jìn)口溫度的變化進(jìn)行海水泵變頻調(diào)速，如果海水泵的排量對(duì)應(yīng)的熱量大于維持淡水冷卻系統(tǒng)熱平衡需要交換的熱量，此時(shí)只能靠增大溫控閥的開(kāi)度來(lái)維持進(jìn)機(jī)的淡水溫度恒定，這種方法只是粗略的變頻控制，因?yàn)槿绻麥乜亻y的旁通流量越大，說(shuō)明海水的冷能比淡水冷卻系統(tǒng)需要交換的熱量就越大，變頻海水泵的節(jié)能效果沒(méi)有被充分利用。

本文的目的是在維持淡水冷卻系統(tǒng)熱平衡的前提下降低溫控閥的旁通流量，以達(dá)到節(jié)能的效果。文章通過(guò)淡水冷卻器進(jìn)出口溫度差來(lái)預(yù)測(cè)為達(dá)到淡水冷卻管路熱平衡所需要交換的熱量，再根據(jù)海水泵的進(jìn)出口溫度來(lái)預(yù)測(cè)出為達(dá)到淡水冷卻系統(tǒng)熱平衡海水泵所需功率、轉(zhuǎn)速、流量。使海水泵在滿足滿足維持淡水冷卻系統(tǒng)熱負(fù)荷平衡的前提下，降低海水泵的功耗。

1 離心泵的變速特性曲線數(shù)學(xué)模型

變頻海水泵的揚(yáng)程-流量(H～Q)、效率-流量(η～Q)等性能曲線接近于拋物線形狀，可以用matlab最小二乘法以多項(xiàng)式曲線擬合的方式來(lái)求解[2-3]。變頻海水泵的性能曲線擬合方程形式如下：

H=H0k2+A1kQ+A2Q2，

(1)

(2)

式中：Q為水泵變速運(yùn)行轉(zhuǎn)速為n時(shí)的流量，m3/h；H為水泵變速運(yùn)行轉(zhuǎn)速為n時(shí)的揚(yáng)程，mH2O；η為水泵變速運(yùn)行轉(zhuǎn)速為n時(shí)的效率，%；k為水泵的轉(zhuǎn)速比。

離心泵轉(zhuǎn)速在1 780 r/min時(shí)流量、揚(yáng)程、效率試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表1。

根據(jù)式(1)、式(2)，當(dāng)k=1時(shí)，根據(jù)表1數(shù)據(jù)擬合曲線得曲線方程的各系數(shù)：

H0=33.6385；A1=-0.002 3；A2=-0.0 000 313 381；C0=0.303 222；C1=-0.00 237 434；C2=-8.07 504e-8。

所以在任意轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的流量-揚(yáng)程，流量-效率數(shù)學(xué)模型分別對(duì)應(yīng)于式(3)、式(4)：

H=-0.0 000 313 381×Q2-0.0023 ×k×Q+33.6385×k2，

(3)

(4)

在管路特性曲線不變的情況下，容易得出泵在890～1 780 r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)維持在高效點(diǎn)運(yùn)行，泵的效率ηp為82%，在轉(zhuǎn)速890 r/min工況下對(duì)應(yīng)的壓頭不到10 m，根據(jù)船舶實(shí)際情況應(yīng)舍棄，所以本文討論的變頻范圍為在泵額定轉(zhuǎn)速的60%～100%，這樣也有利于變頻器在較高效率下運(yùn)行。

2 中央淡水冷卻系統(tǒng)熱負(fù)荷

2.1常用工況淡水冷卻系統(tǒng)熱負(fù)荷

該船4種常用工況淡水冷卻系統(tǒng)熱負(fù)荷計(jì)算，見(jiàn)表2。

表2 4種常用工況淡水冷卻系統(tǒng)熱負(fù)荷計(jì)算 kW

2.2淡水冷卻系統(tǒng)熱負(fù)荷與淡水冷卻器進(jìn)出口溫度差關(guān)系曲線

根據(jù)理論計(jì)算得出，淡水冷卻系統(tǒng)在主機(jī)各工況下的淡水冷卻系統(tǒng)總熱負(fù)荷與船舶航行試驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)測(cè)淡水冷卻器進(jìn)出口溫度差之間的關(guān)系如表3所示。

運(yùn)用matlab進(jìn)行最小二乘曲線擬合得到曲線如圖1所示。

表3 淡水冷卻系統(tǒng)熱負(fù)荷與淡水冷卻器進(jìn)出口溫度差關(guān)系

得出的關(guān)系方程式為：

(5)

式中：ΔT1為淡水冷卻器淡水進(jìn)出口溫差，℃。

2.3常見(jiàn)工況下海水泵運(yùn)行速度、功率的求解

根據(jù)上文計(jì)算出的船舶在各工況下淡水冷卻系統(tǒng)總熱負(fù)荷，裕度系數(shù)K取1.029 73，海水比熱容

表1 離心泵流量、揚(yáng)程、效率試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1 熱負(fù)荷與冷卻器進(jìn)出口溫度差關(guān)系曲線圖

C為4 kJ/(kg·℃)，中央冷卻器海水側(cè)進(jìn)出口溫差為12 ℃(單臺(tái)冷卻器溫差為6 ℃)，海水密度ρ為1 025 kg/m3，計(jì)算海水泵需要提供的總流量qs：

(6)

由于該系統(tǒng)為變頻系統(tǒng)，根據(jù)式(3)、式(4)、式(6)海水泵的揚(yáng)程Hs及輸出功率Ps則為：

(7)

(8)

式中：qs為理想泵的實(shí)際排量；qo為理想泵的理論排量；ρs為海水密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；qs為海水泵流量，m3/h；Hs為海水泵揚(yáng)程，m；ηp為泵的效率；ηm為電機(jī)效率；ηinv為變頻器效率。

整理得海水泵總功率P、淡水冷卻系統(tǒng)熱負(fù)荷Q與海水泵進(jìn)出口溫度差三者之間的關(guān)系如下：

P=2Ps=

(9)

2.4主機(jī)在各工況下，海水泵總功率與海水泵進(jìn)出口溫差關(guān)系曲線

如圖2所示，船舶主機(jī)在MCR工況運(yùn)行時(shí)，中央冷卻器海水側(cè)進(jìn)出口溫差在12～20 ℃時(shí)，雙泵運(yùn)行，隨著海水溫度的降低，變頻泵的轉(zhuǎn)速也降低；當(dāng)主機(jī)在CSR工況下運(yùn)行時(shí)，中央冷卻器海水側(cè)進(jìn)出口溫差在12～18.8 ℃時(shí)，雙泵運(yùn)行，隨著海水溫度的降低，變頻泵的轉(zhuǎn)速也降低；溫度在18.8～20 ℃時(shí)，單泵運(yùn)行，變頻泵的轉(zhuǎn)速隨海水溫度的降低而降低。

當(dāng)主機(jī)在75%MCR工況下運(yùn)行時(shí)，中央冷卻器海水側(cè)進(jìn)出口溫差在12～17 ℃時(shí)，雙泵運(yùn)行，隨著海水溫度的降低，變頻泵的轉(zhuǎn)速也降低，溫度在17～20 ℃時(shí)，單泵運(yùn)行，變頻泵的轉(zhuǎn)速隨海水溫度的降低而降低。

當(dāng)主機(jī)在50%MCR工況下運(yùn)行時(shí)，中央冷卻器海水側(cè)進(jìn)出口溫差在12～15.2 ℃時(shí)，雙泵運(yùn)行，隨著海水溫度的降低，變頻泵的轉(zhuǎn)速也降低，溫度在15.2～20 ℃時(shí)，單泵運(yùn)行，變頻泵的轉(zhuǎn)速隨海水溫度的降低而降低。

圖2 海水泵總功率與進(jìn)出口溫差關(guān)系圖

3 功率消耗函數(shù)

對(duì)任意低溫淡水冷卻系統(tǒng)工況，對(duì)海水泵變頻控制的預(yù)測(cè)，其功率消耗函數(shù)如下：

P=2Ps=

(10)

當(dāng)海水泵進(jìn)出口溫差為t1-t2=12 ℃，淡水冷卻器進(jìn)出口溫度差ΔT1大于6.3 ℃時(shí)，雙泵運(yùn)行，隨著ΔT1的增大，泵的總功率增大；5.5 ℃≤ΔT1≤6.3 ℃時(shí)，單泵運(yùn)行，隨著ΔT1的增大，泵的總功率增大；ΔT1≤5.5 ℃時(shí)，為了維持系統(tǒng)所需的壓頭，泵的功率均維持在10.15 kW。

當(dāng)海水泵進(jìn)出口溫差為t1-t2=14 ℃，淡水冷卻器進(jìn)出口溫度差ΔT1大于7.2 ℃時(shí)，雙泵運(yùn)行，隨著ΔT1的增大，泵的總功率增大；6.2 ℃≤ΔT1≤7.2 ℃時(shí)，單泵運(yùn)行，隨著ΔT1的增大，泵的總功率增大；ΔT1≤6.2 ℃時(shí)，為了維持系統(tǒng)所需的壓頭，泵的功率維持在10.15 kW；其他情況依次類(lèi)推，見(jiàn)圖3。

圖3與圖2的最大值有細(xì)微差別，原因是圖3在MCR工況下淡水冷卻系統(tǒng)熱負(fù)荷是根據(jù)最小二乘曲線擬合作出，而圖2的熱負(fù)荷為理論計(jì)算值。

圖3 冷卻器進(jìn)出口溫差與海水泵功率關(guān)系圖

4 頻率函數(shù)

對(duì)任意低溫淡水冷卻系統(tǒng)工況，對(duì)海水泵變頻控制的預(yù)測(cè)，其頻率函數(shù)如下：

f=

(11)

當(dāng)海水泵進(jìn)出口溫差為t1-t2=12 ℃，淡水冷卻器進(jìn)出口溫度差ΔT1大于6.3 ℃時(shí)，雙泵運(yùn)行，隨著ΔT1的增大，泵的頻率增大；5.5 ℃≤ΔT1≤6.3 ℃時(shí)，單泵運(yùn)行，隨著ΔT1的增大，泵的頻率增大；ΔT1≤5.5 ℃時(shí)，為了維持系統(tǒng)所需的壓頭，雙泵的頻率均維持在36 Hz。

當(dāng)海水泵進(jìn)出口溫差為t1-t2=14 ℃，淡水冷

卻器進(jìn)出口溫度差ΔT1大于7.2 ℃時(shí)，雙泵運(yùn)行，隨著ΔT1的增大，泵的頻率增大；6.2 ℃≤ΔT1≤7.2 ℃時(shí)，單泵運(yùn)行，隨著ΔT1的增大，泵的頻率增大；ΔT1≤6.2 ℃時(shí)，為了維持系統(tǒng)所需的壓頭，單泵的頻率維持在36 Hz。

單泵運(yùn)行特性參考了淡水冷卻器進(jìn)出口溫度差與海水泵總功率關(guān)系圖；其他情況依次類(lèi)推，見(jiàn)圖4。

圖4 冷卻器進(jìn)出口溫差與海水泵功率關(guān)系圖

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析，根據(jù)低溫淡水冷卻器進(jìn)出口淡水的溫差以及海水泵進(jìn)出口溫度差得出了變頻泵的變頻規(guī)律，根據(jù)海水泵進(jìn)行變頻改造后，節(jié)能效果顯著，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟與變頻器價(jià)格的下降，變頻技術(shù)在船舶海水泵上的應(yīng)用將逐漸成為新趨勢(shì)。

[1]陳偉智.某船中央冷卻系統(tǒng)控制策略研究 [D]. 上海：上海交通大學(xué)，2013.

[2]王昭俊. 采暖循環(huán)水泵的性能回歸曲線方程研究[J]. 哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，33(2)：66-69.

[3]孟娜.并聯(lián)水泵變頻運(yùn)行的效率保障技術(shù)研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

In order to solve the issue of excessive volume of S.W. cooling centrifugal pump for merchant transport ships,the control system of S.W.pump of 176 000 DWT bulk carrier is reconstruct.Based on the characteristic curve of centrifugal pumps provided by SHINKO company and criterion of the least square,mathematical model of (H～Q)，(η～Q)relationship under different pump's speed is established.The math relationship between inlet/outlet temperature difference of heat exchanger and heat load of cooling fresh water system is established.Finally,the math relationship between inlet/outlet temperature difference of heat exchanger and S.W. pump under any condition is found out so as to predict the proper power and frequency of the pump.Experiments show that with this method,energy can be saved and economic benefit' s can be improved.

main S.W.cooling pump;mathe maticalmode;inverter control;energy saving

柯有輝(1987-)，男，湖北黃石人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)檩啓C(jī)自動(dòng)化。

U661.43

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.03.010

2015-01-19