17000立方米液化乙烯船變頻海水泵的應用與研究

佘青青

摘要：本文對17000m3液化乙烯船的變頻海水泵的功能原理進行分析，與傳統額定轉速的冷卻海水泵進行比較，證明了變頻海水泵的應用能夠帶來實際的經濟效益。

關鍵詞：船用海水冷卻泵? 變頻調速? 節能? 安全

1引言

大型商業運輸船舶的冷卻系統通常設計為中央冷卻系統，即船上所有設備均用淡水冷卻，包括主機、輔柴油機、空壓機、空調及冷藏裝置、大氣冷凝器等。船上設置2臺或3臺電動海水泵提供海水用于冷卻淡水，淡水用來冷卻船用設備。傳統的主海水冷卻泵設計參數均考慮極限設計（海水溫度32 ），所有設備滿負荷運行，且留有一定余量，實際使用中，船舶大多處于70%～80%的經額定功率經濟航速，且大部分時間是在低于32度的海域中航行。因此，海水泵是長期在超出實際需要的功率下運行的。變頻技術近年來已成功應用于船舶電力推進與船舶設備，節能效果明顯，為船東帶來了可觀的經濟效益。本文以17K LEG船為例，介紹變頻海水泵在本項目的應用。

2 海水冷卻系統

由于船舶在不同工況、海區下航行面對不同的海水溫度，中央冷卻系統面對同樣的熱交換量，所需海水量就不同，熱帶海區或全負荷工況下，海水泵需全速運行，以最大流量供應海水給中央冷卻系統。而寒冷海區航行及部分負荷工況下航行，由于海水溫度低，海水溫差大，同樣熱交換所需海水流量就少。由此可見，船舶在不同工況，不同海區下航行，冷卻海水的用量是不同的。傳統的中央冷卻系統是以恒定轉速泵供應海水，這樣會造成泵無論是何種工況、何種海況都以恒定轉速工作，不利于節能。鑒于此，可應用海水泵降速運行技術，滿足不同工況不同海區，實現海水系統不同海水量需求的要求，達到節能目的。

本項目海水冷卻泵（設計參數見表1）為2臺64 kW電動離心泵，單臺泵額定功率滿足船舶航行極限工況。冷卻系統示意圖見圖1，海水由海水冷卻泵自左右舷的海底門吸入主管路， 然后海水作為冷卻介質進入2臺中央淡水冷卻器。淡水系統由三臺低溫淡水冷卻泵提供動力，在中央冷卻器里與海水進行熱交換，淡水管路中溫度傳感器FWF17作為變頻器的控制量，保證淡水溫度恒定在設定值附近，當淡水溫度降低時，降低海水泵轉速，達到節能目的。溫度傳感器FWF46作為淡水溫度的輔助控制量，控制溫控閥FWV83的開度。

3 CM-1000變頻系統分析

3.1變頻器工作原理

通過電力半導體的通、斷作用，將頻率固定不變的交流電轉化為頻率可以變換的交流電源，給海水泵提供可靠的電源，見圖示2。本系統由控制單元CM-1000，變頻器VSD，泵及相關傳感器組成，系統配置見圖3。

3.2系統功能

CM-1000能根據淡水溫度對泵轉速進行控制，通過傳感器實現泵運行狀態監測。狀態監測主要包括，軸承溫度，泵的軸承監測，機械密封，馬達與泵之間的連接故障等。當系統正常運行時，模式選擇為“自動”。主泵啟動，備泵停止。

3.2.1淡水溫度保持：當系統初始化結束后，進入淡水溫度自動控制階段。系統會根據淡水溫度自動調節海水泵轉速。淡水溫度將維持或接近設定值附近（34℃）。當淡水溫度波動時系統會維持淡水溫度在允許范圍內。

3.2.3淡水溫度低于設定值：當淡水溫度低于設定值時，系統會降低海水泵轉速，海水泵運行功率下降，同時淡水溫度上升，結果就是整個冷卻系統節約電能。如果系統壓力非常接近最低壓力設定值，海水泵轉速不會繼續降低，而是維持在系統設定的最低壓力之上。

3.2.4手動工作模式：以下幾種情況需要手動控制主海水泵a）沖洗中央冷卻器b）對海水流量和壓力有最低要求，如應急工況 c）控制箱之間通訊故障. 選擇開關打到“MAN”位置，海水泵將以額定轉速運行，此時除了泵的應急停止信號， 其他傳感器送過來的控制泵信號將不起作用.

4 變頻海水泵節能分析

4.1理論計算

冷卻海水泵屬于一種離心式水泵，離心泵構造原理為[1]：

其中，n為電機轉速，n1為之前的轉速，n2為降低后的轉速，Q為泵流量，Q1為之前流量，Q2為降低轉速后的流量，p為海水泵壓力，p1為之前的壓力，p2為降低轉速后的壓力，P電機輸出功率，P1為之前的輸出功率，P2為降低轉速后的輸出功率。

由式（1） ，（2） 可見，如果海水泵的流量減半，海水泵轉速只需原來的一般，其軸功率只需原來的1/8，節能效果非常明顯。然而，由于轉速減半，其壓力只有原來的1/4，對于客服管阻力不利，但由于海水泵選型時考慮的是最惡劣工況，在額定轉速下海水泵出口壓力是有余量的，因此可以在海水管路上設置一個壓力傳感器，保證海水泵的最低轉速。

水泵變頻調速是指通過改變異步電動機定子端輸入電源的頻率來改變電動機的轉速，從而達到改變水泵轉速的目的. 異步電動機的轉速為[2]

式中： f 為電源頻率， Hz ; s 為轉差率; p 為電動機磁極對數.

從式（4） 可以看出，要改變轉速，采取的措施有： 1） 改變轉差率s;2） 改變電機的極對數p;3） 改變定子供電頻率f . 然而，一旦泵的配套電動機選定，其p 和s 為定值，這時電動機的轉速將與供電頻率成正比，即電源的頻率越高，轉速就越高，反之，轉速越低. 泵的變頻調速就是通過改變供電頻率來改變電動機的轉速，從而改變泵的轉速.

4.2經濟效益分析

按本船航行1萬海里，海水平均溫25℃，航速15節，需要的海水泵流量為：

當然這只是理論計算值，由于海水系統對海水泵的最低壓力要求，電網效率等實際使用時可能不會這么的大的節約量。實際使用效果還有待船舶實際運營中檢驗。

4.3 安裝變頻海水泵對系統的影響

（1）實時監測系統狀態。CM-1000控制系統能實時監測海水泵運行狀態，及時將報警送至船舶中央報警系統，提醒船員處置報警，保證系統安全。

（2）節能，根據淡水溫度調節海水泵轉速，當降低海水泵轉速時，可以節約電能。

（3）延長電機和海水泵的使用壽命。電機直接啟動時電流約5～8倍額定電流，大型泵組直接啟動時機械沖擊力很大，采用變頻啟動時，可以實現軟啟動，對電機幾乎不產生沖擊，可延長機械的使用壽命。

（4）系統的可靠性與系統的復雜性成反比，同樣的，變頻控制方式與傳統的啟動器相比，可靠性差一些。當海水泵變頻器故障時，系統可自動切換到額定功率，保證海水系統的安全運行。

（5）與普通啟動器相比，目前變頻器價格比較昂貴，一次性投資較大，但從長期使用看，使用變頻泵會節約成本，是一次投入，長期受益。

（6）變頻器工作時由于整流和變頻，會產生干擾，對船上其他設備會有影響，電纜應盡量與通訊電纜分開敷設，同時變頻器應可靠接地。

5 結論

通過上述分析可看出，本項目采用的變頻海水泵節能效果顯著，使電機實現了真正軟啟動，減小了對海水管道、中央冷卻器的水力沖擊和磨損，使系統運行更安全可靠，并且可大幅度節省了設備維護費用。因此，采用變頻海水泵，可降低能耗，節約船舶運營成本。

參考文獻：

[1] 譚有廣，劉峰，許郢.水泵的變頻調速節能原理分析[J].應用能源技術，2004（3）：27228.

[2] 張春光.全自動變頻調速供水泵運行工況與節能分析[J].節能技術，2003，21（4）：41244