大型船舶冷媒水系統輔助決策技術應用

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

現代大型船舶冷媒水船舶冷媒水系統一般為閉式循環的管路，采用供、回水總管的設計,統一供給冷源[1]，由總管就近分出所需支管，向各用戶供冷。系統具有管網、設備多且分布廣的特點，依靠傳統的輔助系統管理方式需要花費較多的人力資源，隨著船舶信息化、自動化技術的發展，這種落后的管理逐漸趨不能滿足現代船舶的發展要求[2]。由于大型船舶冷源需求是動態變化的，特別是空調用戶的差異性很大，對冷源的準確供應帶來了挑戰，需要更加合理地調節冷媒水系統的運行工況，及時應對系統用戶的使用需求，實現資源統一調度[3]。針對上述問題，大型船舶逐步開始裝備應用輔機監控系統，以實現對冷媒水系統管網及主要設備的監控。依托現代通信技術，針對冷水機組、管網隔離閥的狀態監測、故障報警和遠程控制功能較為容易實現，而冷媒水管網的冷量平衡供應往往需要通過人工判斷和決策，動態響應能力不足。決策過程缺乏計算機輔助和數據支撐，信息化程度不高。為此，對冷媒水管網的冷水機組加減機輔助決策技術進行應用分析，實現大型船舶冷媒水系統管網的冷量計算，并根據系統的固有特性給出冷水機組加減機輔助決策建議。

1 輔助決策系統的構建

大型船舶典型冷媒水系統管網形式見圖1。

圖1 典型冷媒水管網原理圖

為了實現對冷水機組加減機輔助決策功能，需要采集冷媒水系統必要的運行工況數據，作為系統的計算輸入，這些數據主要有：全船冷媒水各用戶支路的實時流量及供水溫度、回水溫度，全船各冷水機組的運行參數，如冷媒水出水溫度、冷媒水回水度、出水溫度下降速率、冷水機組累計運行時間和運行狀態、冷媒水泵運行狀況、冷卻水泵運行狀況等，冷水機組與管網閥件的邏輯聯動關系。

上述系統運行工況數據的獲取，需要在冷媒水系統各用戶支路增設流量傳感器、溫度傳感器，在系統總管設置遙控型管網隔斷閥，并搭建一套數據采集系統或依托大型船舶的輔機監控系統采集傳感器、閥門的數據。

考慮到冷水機組、管路傳感器、管網隔斷閥的布置一般較為分散，實施系統數據采集時，可以由冷水機組自帶控制箱就近采集冷水機組出水溫度、回水溫度、機組運行參數、冷卻水泵運行參數、冷媒水泵運行參數，由分布設置的數據采集設備采集管網溫度傳感器、流量傳感器及管網隔斷閥的數據。監控計算機統一收集分析冷水機組控制箱、數據采集設備傳輸的數據。典型的數據采集系統構成見圖2。

圖2 冷媒水系統數據采集系統構成

監控計算機運行輔助決策軟件，分析冷媒水機系統的運行狀態，綜合計算全船冷源的負荷狀況，比對當前處于運行狀態的冷水機組最大制冷能力，特別是回水溫度，利用合適的判據進行冷水機組加機、減機需求計算，通過適當的算法決策出需要啟動或停止運行的冷水機組，向用戶提供輔助決策建議。輔助決策流程見圖3。

圖3 冷媒水系統輔助決策流程

2 全船冷源負荷計算

當冷媒水系統管網隔離閥打開，全船冷媒水管網合并運行時，需計算全船所有用戶支路的冷源能量負荷；當冷媒水系統管網隔離閥關閉，全船冷媒水管網分區獨立運行時，需計算該分區所有用戶支路的冷源能量負荷，并按分區提供輔助決策建議。

全船或分區的冷源能量負荷計算公式如下。

(1)

式中：Qc為全船或分區內當前冷媒水系統冷源能量負荷，該值為動態變量，隨冷源用戶的變化而變化；C1為計算系數，含單位換算系數；N為全船或分區內冷媒水系統用戶支路數量；qk為全船或分區內冷媒水系統用戶支路的流量；to(k)為全船或分區內冷媒水系統用戶支路供水溫度；ti(k)為全船或分區內冷媒水系統用戶支路回水溫度。

3 冷水機組加機輔助決策

3.1 系統加機需求判斷

1)將計算得到的系統當前負荷Qc和冷水機組額定總制冷量進行比對，Qc應高于運行冷水機組當前工況最大制冷能力的一定比例，判據如下。

(2)

式中：C2為常數，一般取值0.9～1.0；M為全船或分區內當前正處于正常工況狀態的冷水機組的數量，若為0時，則直接建議冷水機組加機1臺；Qr(k)為單臺冷水機組的額定制冷量。

2)當前所有處于運行中的冷水機組冷媒水出水溫度均高于X1(X1值一般為5 ℃～10 ℃)。

3)當前所有處于運行中的冷水機組出水溫度下降速率小于Y(Y值一般不大于1 ℃/min)。

在滿足以上三項條件后，可視為冷媒水系統冷源供應不足，有增加冷水機組投入運行的需求。

3.2 冷水機組加機策略

1)每次決策只給加機1臺的建議。

2)每次決策時從未開機的冷水機組中選擇累積運行時間最短的冷水機組(還可以優先啟動位于管網中部的冷水機組，有利于兼顧艏艉區域用戶)，以圖文形式給出啟動運行該冷水機組的輔助決策建議。

3)根據冷媒水系統的配置情況，聯動建議打開或關閉對應的管路附件，如工況調節閥等。

4)每次執行完成加機操作后，應至少間隔30 min才允許進行下一次決策，且該時間間隔應根據系統的水力特性確定，在實際應用時予以標定。

決策出建議啟動的冷水機組后，向用戶發出提示，并引導用戶進行操作。

4 冷水機組減機輔助決策

4.1 系統減機需求判斷

1)當前運行的冷水機組多于1臺。

2)將計算得到的系統當前負荷Qc和冷水機組運行狀態額定制冷量進行比對，Qc應低于減機后系統最大制冷能力的一定比例，判據如下。

(3)

式中：M為全船或分區內當前正常工況狀態的冷水機組的數量，應大于1,當M=1時，若式(3)成立，建議關閉當前運行的冷水機組，直接用系統中的海水-淡水換熱器(若有時)進行冷源供應。

3)當前所有處于運行中的冷水機組冷媒水出水溫度均高于X2(X1值一般為5 ℃～10 ℃，且X2

在滿足以上三項條件后，認為冷媒水系統冷源供應有富余，有減少冷水機組運行的需求，可以減至少1臺冷水機組運行。

4.2 冷水機組減機策略

1)每次決策只給減機1臺的建議。

2)每次決策時從已開機的冷水機組中選擇累積運行時間最長的冷水機組(還可以優先關閉位于管網艏艉部的冷水機組，保留舯部的冷水機組)，以圖文形式給出停止運行該冷水機組的輔助決策建議。

3)根據冷媒水系統的配置情況，聯動建議打開或關閉對應的管路附件，如工況調節閥等。

4)每次執行完成減機操作后，應至少間隔30 min才進行下一次決策，根據系統的水力特性確定該時間間隔，在實際應用時予以標定。

決策出建議啟動的冷水機組后，向用戶發出提示，并引導用戶進行操作。

5 冷媒水管網合并與分區原則

1)根據船舶本身使命任務確定冷媒水管網的合并或分區，如夏季冷卻需求最大，可以將管網合并運行，輪流使用冷水機組向全船供冷；冬季空調冷卻需求小，特種設備換熱需求大，可以分區運行。

2)為了節約全船冷量資源，實現冷源的合理供應，可在平時打開隔斷閥使全船管網并網運行[4]，使用數量較少的冷水機組供應全船用戶。

3)在某些特定工況下，需要專用保障時，或需要長期穩定供應冷源、避免其他用戶對特殊用戶的影響，可關閉隔離閥將管網分區運行，開啟分區內的單臺或多臺冷水機組供應特殊用戶。

4)局部管路破損時，應當分區運行，減少破損處對全船冷媒水系統的影響。

當冷媒水管網分區運行時，由于分區內冷水機組數量一般很少，一般只有1或2臺，進行冷水機組加減機輔助決策的實際意義已經不大。因此，冷媒水系統輔助決策技術僅對配置有多臺(建議3臺以上)冷水機組的大型船舶有較好的應用價值。

6 冷媒水系統輔助決策軟件開發

結合圖1表達的輔助決策流程，進行輔助決策軟件設計。某大型船舶的冷媒水輔助決策軟件基于冷媒水系統監控軟件，采用面向對象編程語言VB進行開發，與冷水機組控制箱、數據采集設備(用于采集管網支路溫度、流量參數)之間采用Modbus TCP通信協議。軟件將所有采集到的參數均以測點ID(如61110010)的方式表達。

輔助決策功能集成在冷媒水管網監控頁面，見圖4，設“決策查詢”功能按鈕，用于手動啟動輔助決策程序，程序代碼以腳本形式在后臺運行。

圖4 冷媒水系統監控與決策軟件界面

軟件運行流程見圖5。

圖5 輔助決策軟件流程

啟動輔助決策軟件的程序算法表述如下。

1)運行輔助決策程序時，先比對軟件當前時間與冷媒水系統中最后一臺冷水機組運行狀態(啟動或停止)變更的時間間隔，若大于30 min，則開始本次輔助決策運算;若不大于30 min，則提示等待系統達到平衡。

2)進入輔助決策運算，采用遍歷法計算所有當前處于運行狀態的冷水機組的額定總制冷量，利用式(1)計算當前冷媒水管網所有支路的冷量負載，利用加機需求判斷的3個判據檢查加機條件是否滿足，若滿足則進入加機決策，進入第3)步；若不滿足，則進入減機條件判斷，轉第4)。軟件相應設置若干標志位。

3)若進入加機決策，利用查詢最小值算法找出當前處于停機狀態的冷水機組中找出累計運行時間最短的機組，在人機交互界面給出建議啟動該機組的信息，并提示相應閥件的聯動關系。

4)若無加機需求，則利用冷水機組減機需求判斷的3個判據檢查減機條件是否滿足。若不滿足，則本次輔助決策結束，給出提示“建議保持系統當前狀態”；若滿足，則利用查詢最大值算法找出當前處于停機狀態的冷水機組中找出累計運行時間最長的機組，在人機交互界面給出建議保留運行的機組信息，并提示相應閥件的聯動關系。

7 結論

通過輔助決策技術的實施，可以進一步優化系統運行工況，更加合理地搭配使用，將設計思想貫穿到系統使用過程中，驗證冷媒水系統的設計，為優化改進提供反饋，統一調度冷媒水資源。關于冷媒水管網的合并與分區輔助決策技術，需要進一步研究算法，通過數據計算給出分區或合并決策建議。