集裝箱船貨艙風(fēng)機(jī)節(jié)能控制邏輯

徐立豐

集裝箱船貨艙風(fēng)機(jī)節(jié)能控制邏輯

徐立豐

（中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，上海 200011）

集裝箱船貨艙風(fēng)機(jī)一般用電量較大，為了降低貨艙風(fēng)機(jī)的能耗，本文通過(guò)對(duì)貨艙風(fēng)機(jī)進(jìn)行自動(dòng)邏輯控制，合理分配貨艙風(fēng)機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)及時(shí)間，達(dá)到良好的節(jié)能效果。

集裝箱船 貨艙風(fēng)機(jī) 控制邏輯 節(jié)能

0 引言

集裝箱船保證貨艙內(nèi)集裝箱通風(fēng)量的方式一般為直接通風(fēng)，即直接向貨艙內(nèi)鼓風(fēng)，來(lái)降低貨艙溫度，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，現(xiàn)在的貨艙通風(fēng)系統(tǒng)一般都采用這種形式[1]。但這種方式需要安裝大量的貨艙風(fēng)機(jī)，功率消耗很大。

貨艙內(nèi)的熱負(fù)荷是隨著航行狀態(tài)而動(dòng)態(tài)變化的，然而貨艙風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是恒定不變的，大部分時(shí)間，艙內(nèi)溫度遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)溫度，造成不必要的能源浪費(fèi)[2]。

為了解決定速風(fēng)機(jī)帶來(lái)的以上問(wèn)題，通常的做法是將定速風(fēng)機(jī)改為具有較大節(jié)能潛力的變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)[3]，并配以適當(dāng)?shù)目刂品椒ā５冾l風(fēng)機(jī)及變頻器的初始投資較高，回收周期較長(zhǎng)。

本文提供一套針對(duì)常規(guī)定速風(fēng)機(jī)的自動(dòng)控制邏輯，同樣能夠達(dá)到良好的節(jié)能效果。該邏輯控制程序通過(guò)船舶中央控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：

自動(dòng)計(jì)算風(fēng)量，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)維持在最低數(shù)量，降低能耗；當(dāng)貨艙裝載冷箱時(shí)，服務(wù)于冷箱的風(fēng)機(jī)自動(dòng)運(yùn)行，保證直接送風(fēng)到每個(gè)冷箱；自動(dòng)控制貨艙溫度在設(shè)定值以下；自動(dòng)控制CO2濃度在設(shè)定值以下；貨艙內(nèi)通風(fēng)均布（包括艙底）；風(fēng)機(jī)定期啟動(dòng)及切換，提高風(fēng)機(jī)壽命；其它（如故障處理、不頻繁起動(dòng)等）。

1 控制邏輯主程序

每個(gè)貨艙的風(fēng)機(jī)均由中央控制系統(tǒng)單獨(dú)進(jìn)行控制，程序?qū)⒏鶕?jù)船舶貨物狀態(tài)（程序開(kāi)始時(shí)由手動(dòng)選擇貨艙裝載干貨或危險(xiǎn)貨物、以及換氣次數(shù)）自動(dòng)執(zhí)行以下程序。邏輯見(jiàn)圖1。

1）根據(jù)檢測(cè)到的貨艙溫度執(zhí)行“貨艙溫度控制程序”（詳見(jiàn)2.1）。

2）根據(jù)檢測(cè)到的貨艙CO2濃度執(zhí)行“貨艙CO2濃度控制程序”（詳見(jiàn)2.2）。

3）由裝載計(jì)算機(jī)提供是否裝載冷箱及冷箱的裝載位置執(zhí)行“裝載冷箱控制程序”或 “裝載非冷箱控制程序”（詳見(jiàn)3.1與3.2）。

2 貨艙溫度及CO2濃度控制程序

為保證貨物安全，貨艙溫度及CO2濃度需要在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。

圖1 主邏輯

圖2 貨艙溫度控制邏輯

2.1 貨艙溫度控制程序

貨艙內(nèi)需至少安裝2個(gè)溫度傳感器用于檢測(cè)貨艙平均溫度，在羅經(jīng)甲板安裝1個(gè)溫度傳感器用于檢測(cè)室外溫度。

當(dāng)貨艙溫度高于15℃、貨艙溫度高于室外溫度加10℃且高于設(shè)定溫度時(shí)，起動(dòng)當(dāng)前關(guān)停的風(fēng)機(jī)來(lái)降低貨艙溫度。

當(dāng)貨艙溫度低于上述提及的溫度減5℃時(shí)，將執(zhí)行“切換風(fēng)機(jī)程序”（詳見(jiàn)4.1）用以關(guān)停合理數(shù)量的風(fēng)機(jī)。起動(dòng)與停止風(fēng)機(jī)之間5℃的溫差，目的是防止風(fēng)機(jī)頻繁起停，以降低能耗及提高風(fēng)機(jī)壽命。

以上提及的溫度，程序中均可進(jìn)行人為設(shè)定（例如圖2邏輯中 S1及S5為可調(diào)設(shè)定，默認(rèn)值分別為35℃和10℃）。

2.2 貨艙CO2濃度控制程序

貨艙CO2濃度控制邏輯可參見(jiàn)2.1溫度控制邏輯，在此不再贅述。

3 貨艙風(fēng)量控制程序

貨艙風(fēng)量控制的目的是保證貨物的風(fēng)量需求并最大程度的降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間及臺(tái)數(shù)以降低能耗。

根據(jù)是否裝載冷箱，將分別執(zhí)行“裝載冷箱控制程序” （見(jiàn)3.1）及“裝載非冷箱控制程序” （見(jiàn)3.2）來(lái)控制風(fēng)量。

3.1 裝載冷箱控制程序

將貨艙最高溫度作為考核指標(biāo)，送風(fēng)模式比排風(fēng)模式更好一些[4]，因此當(dāng)貨艙裝載冷箱時(shí)，程序自動(dòng)將所有風(fēng)機(jī)設(shè)定為供風(fēng)模式。邏輯見(jiàn)圖3。

貨艙中通常既裝有冷箱也裝有非冷箱，對(duì)于冷箱，執(zhí)行“服務(wù)冷箱風(fēng)機(jī)運(yùn)行程序”（詳見(jiàn)4.4），起動(dòng)直接送風(fēng)到冷箱位置的風(fēng)機(jī)；對(duì)于非冷箱，不需要考慮直接送風(fēng)，貨物需求的風(fēng)量是整個(gè)貨艙艙容的2倍或6倍（根據(jù)程序開(kāi)始時(shí)設(shè)定）。程序?qū)Ξ?dāng)前運(yùn)行并服務(wù)冷箱的風(fēng)機(jī)風(fēng)量與非冷箱貨物的需求風(fēng)量進(jìn)行比較，若前者大于后者，說(shuō)明服務(wù)冷箱的風(fēng)機(jī)既能滿足冷箱對(duì)風(fēng)量的需求，也能滿足非冷箱對(duì)風(fēng)量的需求，無(wú)需起動(dòng)額外風(fēng)機(jī)。反之，需要執(zhí)行“風(fēng)機(jī)分區(qū)控制程序”（詳見(jiàn)4.3）起動(dòng)風(fēng)機(jī)。

由于風(fēng)機(jī)故障、貨艙溫度高等原因會(huì)減少或增加風(fēng)機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，因此程序需要監(jiān)控當(dāng)前運(yùn)行風(fēng)機(jī)的總通風(fēng)量，若當(dāng)前運(yùn)行風(fēng)機(jī)總風(fēng)量大于需求風(fēng)量時(shí)，執(zhí)行“切換風(fēng)機(jī)程序”（詳見(jiàn)4.1）關(guān)停合理數(shù)量和位置的風(fēng)機(jī)，反之則執(zhí)行“風(fēng)機(jī)分區(qū)控制程序”（詳見(jiàn)4.3），起動(dòng)合理數(shù)量和位置的風(fēng)機(jī)來(lái)保證通風(fēng)量并使貨艙通風(fēng)均勻。

3.2 裝載非冷箱控制程序

當(dāng)貨艙不裝載冷箱時(shí)，程序?qū)H控制可逆風(fēng)機(jī)且設(shè)為排風(fēng)模式，供風(fēng)機(jī)關(guān)停并設(shè)為不可用。

相比“裝載冷箱控制程序”，此控制程序僅需考慮當(dāng)前運(yùn)行風(fēng)機(jī)通風(fēng)量與貨艙需求風(fēng)量的關(guān)系，執(zhí)行“切換風(fēng)機(jī)程序”或“風(fēng)機(jī)分區(qū)控制程序”。

圖3 裝載冷箱控制邏輯

4 功能子程序

以上是整個(gè)控制邏輯的主要框架，下面將對(duì)涉及到的各功能相關(guān)主要子程序進(jìn)行說(shuō)明。

4.1 切換風(fēng)機(jī)程序

若當(dāng)前運(yùn)行風(fēng)機(jī)的風(fēng)量超過(guò)需求風(fēng)量時(shí)，程序?qū)慈缦铝鞒膛袛嗍欠耜P(guān)停部分風(fēng)機(jī)使得當(dāng)前運(yùn)行風(fēng)機(jī)的風(fēng)量最小程度的滿足風(fēng)量需求：

當(dāng)上一級(jí)程序調(diào)用該子程序時(shí)，首先檢測(cè)每個(gè)分區(qū)（分區(qū)概念詳見(jiàn)4.2）內(nèi)當(dāng)前運(yùn)行的風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)，當(dāng)分區(qū)內(nèi)風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)超過(guò)1臺(tái)時(shí)，程序?qū)㈩A(yù)判關(guān)停1臺(tái)風(fēng)機(jī)后是否仍然能夠滿足風(fēng)量需求，在滿足風(fēng)量需求的前提下，將既不服務(wù)冷箱也不用于送風(fēng)到艙底的風(fēng)機(jī)關(guān)停。若程序準(zhǔn)備關(guān)停的風(fēng)機(jī)是所有運(yùn)行風(fēng)機(jī)中唯一送風(fēng)到艙底的風(fēng)機(jī)，則保留該風(fēng)機(jī)的運(yùn)行以保證對(duì)艙底的通風(fēng)，繼續(xù)判斷其它風(fēng)機(jī)是否可以關(guān)停。

4.2 風(fēng)機(jī)分區(qū)劃分程序

由于風(fēng)機(jī)及其風(fēng)管在布置上是均勻分布在貨艙內(nèi)的，若把風(fēng)機(jī)按編號(hào)順序分成連續(xù)的若干組（相當(dāng)于將貨艙分成了若干區(qū)域），并且每組包含的風(fēng)機(jī)數(shù)量基本一致，則每組風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)的貨艙各區(qū)域的大小也基本一致，如果分組數(shù)量等于需要運(yùn)行的風(fēng)機(jī)數(shù)量，則每組內(nèi)僅需有一臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行，就能保證貨艙內(nèi)通風(fēng)的均勻。

為了便于說(shuō)明，以下將各風(fēng)機(jī)分組及所對(duì)應(yīng)的貨艙區(qū)域定義為分區(qū)。

基于以上分析，分區(qū)的數(shù)量應(yīng)該等于需要運(yùn)行的風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)，需要運(yùn)行的風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)則由貨物的通風(fēng)量需求以及每臺(tái)風(fēng)機(jī)容量決定，這樣程序可以得到分區(qū)數(shù)量。為了使程序能夠識(shí)別每個(gè)風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)的分區(qū)，還需要計(jì)算每個(gè)分區(qū)包含的風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)，計(jì)算方法如下：

每個(gè)分區(qū)包含的風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)（四舍五入取整）等于風(fēng)機(jī)總數(shù)/分區(qū)數(shù)量。

根據(jù)風(fēng)機(jī)編號(hào)順序及以上計(jì)算，程序?qū)L(fēng)機(jī)自動(dòng)對(duì)應(yīng)到各個(gè)分區(qū)中，可以看出最后一個(gè)分區(qū)包含的風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)可能與其它分區(qū)臺(tái)數(shù)略有不同。

4.3 風(fēng)機(jī)分區(qū)控制程序

根據(jù)4.2的“風(fēng)機(jī)分區(qū)劃分程序”劃分出分區(qū)后，程序在每一個(gè)分區(qū)中選擇一臺(tái)風(fēng)機(jī)起動(dòng)。由于送風(fēng)到艙底的風(fēng)機(jī)相對(duì)數(shù)量不多，因此首先起動(dòng)能夠送風(fēng)到艙底的風(fēng)機(jī)。每起動(dòng)一臺(tái)風(fēng)機(jī)，程序就判斷一次當(dāng)前運(yùn)行的風(fēng)量是否已滿足需求的風(fēng)量。當(dāng)每個(gè)分區(qū)均有一臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行后仍不滿足風(fēng)量需求后，就起動(dòng)當(dāng)前運(yùn)行風(fēng)機(jī)區(qū)間間隔最大且處于區(qū)間中間位置的風(fēng)機(jī)。在起動(dòng)風(fēng)機(jī)前均需判斷電站容量是否能夠起動(dòng)風(fēng)機(jī)。邏輯見(jiàn)圖4。

圖4 風(fēng)機(jī)分區(qū)控制邏輯

4.4 服務(wù)冷箱風(fēng)機(jī)運(yùn)行程序

由于冷箱對(duì)風(fēng)量更敏感，每個(gè)冷箱均需要有風(fēng)機(jī)直接對(duì)其送風(fēng)。程序中預(yù)先設(shè)定每個(gè)冷箱位置與各風(fēng)機(jī)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)裝載計(jì)算機(jī)提供的冷箱裝載位置，程序能夠自動(dòng)判斷需要起動(dòng)的風(fēng)機(jī)。若冷箱所對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)不可用，則起動(dòng)離冷箱位置最近的風(fēng)機(jī)。如果在起動(dòng)服務(wù)冷箱的風(fēng)機(jī)前，檢測(cè)到電站剩余功率不足，將關(guān)停供風(fēng)給非冷箱的風(fēng)機(jī)，保證冷箱供風(fēng)的優(yōu)先性。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于風(fēng)機(jī)保養(yǎng)，例如風(fēng)機(jī)運(yùn)行超過(guò)一定時(shí)間自動(dòng)切換、關(guān)停一定時(shí)間自動(dòng)起動(dòng)、排風(fēng)與送風(fēng)的轉(zhuǎn)換控制等，本文中沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展說(shuō)明，需要讀者在程序設(shè)計(jì)時(shí)予以考慮。

本文提供的貨艙風(fēng)機(jī)控制邏輯，能夠很好的降低貨艙風(fēng)機(jī)功率消耗，此邏輯已在實(shí)際項(xiàng)目上進(jìn)行了應(yīng)用，可進(jìn)一步在集裝箱船上進(jìn)行推廣。

[1] 劉靜. 裝載冷藏集裝箱的貨艙通風(fēng)研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2008.

[2] 劉濤. 基于變風(fēng)量控制方式的冷藏集裝箱船艙通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能研究[D]. 上海: 上海海事大學(xué), 2007.

[3] 孫永明. 船舶冷藏集裝箱風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能研究[J]. 集裝箱化, 2000, 11: 13-14.

[4] 吳興武. 1700TEU(XXX)集裝箱船貨艙通風(fēng)研究[D] .上海: 上海交通大學(xué), 2008.

Energy-Saving Control Logic for Cargo Hold Fans of Container Ship

Xu Lifeng

(COSCO Shipping Heavy Industry Co., Ltd, Shanghai 200011, China)

U674.131

A

1003-4862（2019）11-0023-04

2019-05-27

徐立豐(1980-)，男，工程師。研究方向：船舶電氣設(shè)計(jì)。E-mail: xu.lifeng@coscosshipping.com