船舶海水泵變頻技術應用研究

史貴昌

(上海海程船舶設備有限公司， 上海 200063)

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船舶海水泵變頻技術應用研究

史貴昌

(上海海程船舶設備有限公司， 上海 200063)

摘要變頻技術作為電力電子技術發展的產物，在農業、工業驅動控制領域有著廣泛的應用前景。該文通過引入變頻技術的定義，以已經出現的海水泵變頻節能系統為例，分析實現變頻調速的幾種形式，詳細闡述了船舶海水泵的變頻調速過程及原理，并在總結當前應用系統的基礎上，提出可行的更新方案。

關鍵詞變頻調速節能中央冷卻系統海水泵

0引言

眾所周知，傳統船舶海水泵在選型時以海水溫度32℃為設計溫度，而在實際航行時極少海域能夠達到該溫度，且海水泵始終以工頻恒速運行。顯然，當船舶航行在不同海域，或者主機在不同的負載下，海水泵的冷卻能力存在大量冗余。這不僅在某種程度上對海水泵電機本身造成一定不利影響，而且會大幅增加船舶運輸成本。

隨著電力電子技術迅猛發展，變頻技術已逐漸應用于各行各業，許多機械為了滿足運行及生產工藝的要求，如車輛、電梯、機床、空調等，均實現了變頻調速。綠色環保也已不再是船舶建造過程中較新的議題，無論是通過燃燒低硫輕油或LNG，還是在船舶尾氣處理技術上均有了長足的進步。同理，通過在運行過程中變頻調速，實現節能減排，也不失為一良策，具有很好的發展前景。

因此，現結合市場上出現的海水泵節能系統ESS(Energy Saving System)進行詳細分析。完整解讀變頻技術在海水泵變頻中的應用設計，并提出改進建議。

1變頻技術簡介

變頻控制技術的基本原理：將交流電的電源頻率變換為較低頻率的交流電，用改變供電頻率的方法來調節電動機的轉速，并且滿足一定的轉距要求。

由電機學原理可知，異步電動機的轉速和轉差率分別為

(1)

(2)

式中 ：f為電動機定子頻率；p為定子的極對數；f1為轉子頻率。

從式(1)、(2)可以看出，改變極對數p、改變轉差率s和調節頻率f均可以調速。異步電動機的調速方法主要有以下幾種。

(1) 變極調速：利用YD系列籠型異步電動機的繞組接線方式變換，可改變該電動機的極對數，實現階躍式的轉速調節，其調速范圍限定在2～4級。

(2) 電磁轉差離合器調速：該調速系統主要由晶閘管整流電源、電磁轉差離合器和異步電動機三大部分組成。通過改變晶閘管的控制角可以方便地改變直流輸出電壓的大小，實現電動機的調速。

(3) 轉子串電阻調速：在繞線式異步電動機的轉子回路中串接電阻，可改變電動機的機械特性，并隨電阻值的增大而變軟。如果負載為恒定值，則電動機的轉速將隨機械特性的改變而變化。由于調速運行過程中有電能消耗于外接的電阻器中，所以也不宜長期低速運行。

(4) 變頻調速：變頻調速就是通過改變電動機定子供電頻率以改變同步轉速來實現調速的。在調速過程中，從高速到低速都可以保持有限的轉差功率，因而具有高效率、寬范圍和高精度的調速性能，是現有異步電動機調速方法中最有前途的一種方法。按照控制方法來分類，目前的交流異步電機變頻調速電源主要有脈沖寬度調制型和矢量控制型兩種。

脈沖寬度型(又稱PWM型)變頻器的基本工作原理：通過整流器將工頻交流電整流成直流電，經過中間環節再由逆變器逆變成頻率可調的交流電，供電給交流電動機。

異步電動機矢量控制方式的特征從原理上來說，就是把交流電動機解析成直流電動機一樣的轉矩發生機構，按照磁場和其正交電流的積等于轉矩這一最基本的原理，將異步電動機的數學模型轉化為類似于直流電機的數學模型，在經過了轉化的異步電機數學模型的基礎上，模仿直流電機控制的一種高性能的控制方法。

本文僅針對船舶中央冷卻系統海水泵變頻調速進行討論。

2變頻節能系統安裝類型

對海水泵引入變頻系統可以有四種類型，如圖1所示。

圖1　ESS系統安裝布置圖

1型：最常見ESS配置類型，旁通模式下工頻啟動，并帶有泵智能控制部分，實現備用泵的啟動控制，從而使中央冷卻系統更加穩定。

2型：除了變頻模式啟動，還可以通過人工遙控啟動停止。可以通過船舶自動控制系統實現旁通模式下的備用泵啟動。

3型：完全通過變頻器實現泵的工頻運行和變頻運行，并通過程序實現備用泵控制啟動。

4型：和2型相似，只不過旁通模式下的控制可以嵌入船舶其他控制系統，具有相應的連接端口。

3變頻模式

本文將以1型為例，詳細介紹變頻模式的功能及特點。圖2為海水泵的變頻控制方案。

圖2　海水泵的變頻控制方案

我們已經知道，對同一臺離心泵而言，若轉速變化，其特性曲線也將發生變化。如果海水泵的轉速從N變化到N′、則該海水泵的轉速和其流量Q、揚程H和有效功率P的變化滿足式(3)，由式(3)可知，揚程與轉速平方成正比關系，流量與轉速成2次方關系、泵的有效功率與轉速成3次方關系。這意味著通過變速，可以明顯地實現節能的目的。

(3)

該系統設計以圖3的流程邏輯為基礎，進行改進優化。

圖3　變頻控制基本流程圖

供電后變頻器開始運行，控制海水泵啟動，首先達到最大轉數。通過比較淡水實際溫度是否低于設定值，如果不低于，則返回提高泵的轉數直至全速；如果已經低于設定值，則說明海水冷卻能力過剩，需要調整泵的轉速(如多臺泵同時運行時停掉一臺海水泵或降低泵的轉速兩種情形)。然后通過PLC程序對比低溫淡水溫度，與設定值相比較；如果高于設定值，說明海水冷卻能力不足，海水流量偏小，則提高泵轉速。循環該過程以維持低溫淡水溫度同設定值相同，維持泵的轉速。實時監測海水出口的溫度，當海水出口溫度高于50℃時，海水會有大量鹽晶體析出，在管路中嚴重影響冷卻能力，從而對管路、中央冷卻器造成不利影響。

從該系統布置圖中可以看出，該系統是以淡水溫度為主要控制參考值(見圖4)，以海水出口溫度50℃為安全值。實際控制模型中，為了增加控制的準確度，增加海水進出口溫度為控制參考量。下面詳述實際應用中所安裝的傳感器及其功能。

圖4　系統布置圖

傳感器：

(1) 海水總管進口壓力傳感器。

信號類型：4～20 mA。

壓力范圍：0～6 bar。

默認設定值：0.6 bar。

設定值為能夠通過中冷器的最小壓力，即正常運行時壓力值高于設定值，如果海水進口壓力低于設定值時間在10 s以上，變頻器則提高輸出頻率，即提高泵轉速，當壓力值高于設定值0.1 bar時，變頻結束。

(2) 壓差傳感器。

信號類型： 4～20 mA。

壓力范圍： 0～6 bar。

默認設定值：0.2 bar。

壓差傳感器檢測泵的運行狀況，ESS系統在一般情況下低壓運行。

泵應該運行在正常的壓差范圍內，如果壓差低于設定值，會被認為泵能力降低，發出警報并切換到備用泵。

(3) 自動溫控三通閥。

信號類型： 4～20 mA。

范圍： 0～100%。

開度0%意味著旁通管路關閉，致使所有低溫淡水流向冷卻器，該溫控閥將根據設定溫度進行自我調節。但在ESS系統中只起監測作用，自動控制淡水溫度穩定在設定溫度，并不參與頻率控制。

(4) 壓力開關。

在By-pass模式時，泵智能控制器備用泵切換取決于三個條件。一為運行泵電源故障；二為電機過載；三為排出壓力低于壓力開關設定值。對于中央冷卻系統有三臺海水泵的船舶，壓力開關可以安裝于每臺泵出口，也可裝于海水總管路。從而實現一臺運行兩臺備用或兩臺運行一臺備用。

(5) 海水進口溫度傳感器。

信號類型： 4～20 mA。

溫度范圍： 0～100 ℃。

默認值： 32 ℃。

安裝于中央冷卻器海水進口側，當海水溫度高于設定值時，頻率升高，當海水溫度低于設定值時，頻率下降。

(6) 海水出口溫度傳感器。

信號類型： 4～20 mA。

溫度范圍： 0～100 ℃。

默認值： 48 ℃。

安裝于中央冷卻器海水出口側，因為海水溫度過高會造成鹽析，所以當檢測到的實際溫度低于溫度設定值時，頻率下降；當其高于溫度設定值時，頻率上升。

(7) 低溫淡水出口溫度傳感器。

信號類型： 4～20 mA。

溫度范圍： 0～100 ℃。

默認值： 38 ℃。

安裝于中央冷卻器低溫淡水出口側溫控三通閥之后，當溫度高于設定值時，頻率上升；低于設定值時，頻率下降。

變頻模式分為自動變頻與手動變頻。

所謂自動變頻，即所有泵的啟動、停止及頻率變化，均根據實際溫度及壓力，按照PLC程序進行全自動調節。當單臺泵運行頻率升至54 Hz達10 s時，自動啟動一級備用泵；當兩臺泵的運行頻率低至30 Hz時，停一級備用泵，留一臺主泵運行；在三臺泵的系統中，如果兩臺均出現故障不能啟動，則系統自動切換為By-pass模式。且在自動變頻模式下，操作人員無法使用啟動停止按鈕進行操作，均由程序自己完成。總而言之，在保持冷卻系統功能正常的前提下達到節能的目的。

所謂手動變頻，即由操作人員進行泵的啟動、停止及頻率的設定(最低可設頻率為30 Hz)。

變頻模式下的操作，可在HMI觸摸屏上完成，并且可以選擇當地控制和集控室遙控兩種模式。

4By-pass旁通模式

在旁通模式下，當地控制或者遙控啟停，恢復到傳統的工頻恒速運行狀態。常見的ESS布置系統中，安裝SMC505泵智能控制器實現旁通模式下的備用泵切換控制。與變頻模式相似，常規設定為當壓力開關檢測到壓力低于設定值時，啟動備用泵，并且并行10 s，停止壓力低的“故障”泵。同時發出相應警報故障，直到故障排除復位后該泵才能夠恢復到備用狀態。

5與船舶AMS間的通訊

該變頻節能系統的兩塊HMI觸摸屏之間通過RS-485實現通訊，而與船舶AMS之間通訊則通過硬線實現，包括模式選擇、泵的運行狀態和故障報警。下面將詳細介紹故障報警點及其原因。

(1) ESS系統故障。

PLC模塊電源故障或者兩臺以上的變頻器出現故障，則會將該警報傳輸到AMS中。

(2) 每臺泵的系統故障。

當運行泵有電源故障、變頻器過載情況時，會出現該警報。

(3) 備用泵啟動警報。

該警報在By-pass模式時才會出現，當備用泵啟動時由泵智能控制器SMC505發出5 s的信號，可以在AMS的警報歷史中查到。

(4) ESS非正常報警。

當海水進出口溫度、低溫淡水出口溫度、泵的進出口壓差、海水總管壓力、變頻器溫度超過或者低于正常范圍時，會出現該警報。

6結論

該系統在實際應用過程中能夠有效地維持在低頻運行，并達到預期的冷卻效果。為避免長時間低頻運行造成冷卻器結垢或雜物沉積的情況，設計添加自沖洗功能，即自動變頻低頻運行設定的一段時間后，即轉為短時的工頻運行。

該系統在主機負荷突變或船舶負載增多，需啟動多臺發電機時會有反應滯后現象，且記錄的數據并沒有在系統中重新得到反饋調整。結合當前大數據興起的理念，可以為每套ESS節能系統建立完整的數據庫，加強系統智能學習的能力，即可以根據當前頻率控制趨勢，參考數據庫中的歷史記錄，從而實現較快的前期預調整，使變速更加平滑。在保護電機的同時，達到節能的目標。

變頻控制在船舶海水泵中的應用，不但可以提高海水泵的運行質量，減少泵的磨損，延長其檢修周期和使用壽命，而且還可以實現明顯的節能效果，減少航運成本，打造綠色船舶，有非常可觀的發展前景。

參考文獻

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[4]劉建華，鄭國杰.變頻技術在船舶風機及泵浦中的應用[J]. 船艇, 2008(6)：32-34.

作者簡介：史貴昌(1989-)，男，中海集運甲類三管輪，從事油輪惰氣、變頻節能等系統技術服務工作。

中圖分類號U664

文獻標志碼A

Application of Frequency Conversion Technology to Marine Pumps

SHI Gui-chang

(Shanghai Haicheng Marine Equipment Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

AbstractFrequency conversion technology as the product of the development of power electronics has been widely used in the field of agriculture, industrial drive control. Through introducing the definition of frequency conversion technology, to take sea water pump frequency conversion energy saving system as an example, analysis several arrangement forms of frequency control of motor speed, and describe ship seawater pump variable frequency speed regulation process and principle in detail. After the summary of current application systems, proposed data analysis control method.

KeywordsFrequency conversionEnergy savingCentral cooling system Sea water pump