基于PID調節風機變頻控制系統在船舶中的應用

陳麗霞

(南通象嶼海洋裝備有限責任公司，江蘇 南通 226368)

0 引言

燃料消耗費用一直是船舶運營成本中最大的一筆。船舶在航行過程中工況經常會發生變化，且工況非常復雜，而在船舶設計的初期，設備的功率選型均按照最大的工況進行選擇，這無形會造成船舶燃油消耗的浪費。因此，船舶節能性越來越受到船東的重視。根據實際工況，合理控制設備運行狀態，提高船舶整體性能，是綠色船舶追逐的目標。

利用變頻器實現調速運行是節約能源的有效措施。通過改變電源的頻率，得到不同的轉速[1]；設定不同的運行速度，得到不同的功率[2-3]。因此，進行自動有效地調速，根據船舶航行的實際工況得到最佳的運行速度，是實現節能的關鍵。為此，本文分析了風機變頻調速節能原理，對機艙風機的PID調節控制進行研究，并計算63 500 t散貨船變頻控制的機艙風機燃油量。

1 風機的變頻調速節能原理

變頻風機的頻率不是固定的，而是可以進行動態調整的。綜合考慮到成本及實際工況，變頻風機的頻率一般選擇為30～60 Hz可調。

電機是船舶機艙風機的動力源。機艙風機主要依靠電機轉速來驅動風機葉輪。根據異步電動機的工作原理，交流異步電動機的轉速按式(1)計算[4]：

(1)

式中：s、p、f分別為轉差率、極對數、電源頻率。

s、p為常值，因此根據式(1)可知：只要改變電源頻率，就可以改變風機的轉速。

通過改變電機轉速來改變風機轉速時，其電機效率基本不變，但風量qv與轉速成正比，功率P與轉速的n立方成正比[2]。故風量、功率與轉速有如下關系：

(2)

式中：P1為實船功率；P2為額定功率；n1為實船轉速；n2為額定轉速。

由式(1)和式(2)可以看出，當風機頻率降低時，風機的轉速也會降低。風機的轉速降低后其風量降低，有效功率也大幅降低[2]。這就是變頻風機節能的主要理論論據。

2 機艙風機的PID調節控制

2.1 典型PID控制及作用

“P”是比例控制。單獨的比例控制也稱“有差控制”，輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關系，偏差越大輸出越大。

“PI”是比例積分控制。比例控制不能最終消除余差的缺點限制了它的單獨使用，克服余差的辦法就是在比例控制的基礎上增加積分控制作用。積分控制器的輸出與輸入偏差對時間的積分成正比。只要偏差存在，輸出就會不斷累積(輸出值越來越大或越來越小)，一直到偏差為零，累積才會停止。“PI”將兩者結合，既能通過比例控制作用加快響應速度，又能通過積分控制作用消除余差，但卻降低了響應速度。

“PID”是比例積分微分控制，也是最為理想的控制方式。它集三者之長，既能通過比例作用加快響應速度，又能通過積分作用消除余差，還能通過微分作用實現超前控制。PID調節器加快了系統的動作，減少了調整時間，從而改善了系統的動態性能。

2.2 機艙風機的PID調節控制

在船舶實例運用中，將機艙溫度和機艙內外壓差作為PID調節的依據，將正常環境的溫度值和內外壓差值作為PID調節的最終目標，從而實現無偏差調節。在科技發達的今天，正是由于PID功能的優越性、靈活性、廣泛性，使得變頻器的功能大都集成了PID，簡稱“內置PID”。典型的機艙風機變頻PID調節控制原理圖見圖1。

圖1 變頻器內置PID調節控制原理圖

圖1中：

比例控制P就是機艙風機輸出的風量是否滿足船舶航行時機艙設備所需的風量，是否能夠達到正常的設定值。

比例積分控制PI按照一定的邏輯判斷，根據船舶實際的工況對風機的運行速度進行控制。如果機艙溫度變高或者機艙內外壓差變大，就增加風機轉速；反之，機艙溫度降低或者機艙內外壓差減小，就降低風機轉速。

比例積分微分控制PID根據各個傳感器測量的數據進行分析比較。當實際的情況與設定值差距很大時，則快速地提高或降低風機的運行速度；當實際情況與設定值接近時，則緩慢地調速，直到無限接近或達到設定值[5]。

3 實船應用

63 500 t散貨船的機艙配有4臺機艙供風機，風機頻率可調，范圍為30～60 Hz，并選用施耐德變頻器及配套PLC控制模塊。根據上述PID調節方案，通過監測機艙環境溫度及機艙內外壓差與設定值進行比較，從而進行實時調節。

為了保證反饋裝置的準確性，需要進行多點采集數據。由于船舶機艙較大，故根據船舶運行的特點，分別對機艙的3臺發電機上方和主機的上方這4個重要設備周圍的空氣溫度進行監測，并以這些主要設備周圍的溫度作為機艙整體溫度的依據。為了客觀地反映出真實的室內外壓差，最終將壓差傳感器定位在進機艙入口處。

船舶正常航行時，機艙的環境溫度設定為40 ℃；機艙通風維持正壓，通常不超過50 Pa[6]，該船機艙內外壓差設為50 Pa。為保證測量的準確性，機艙溫度傳感器量程設為0～100 ℃，壓差傳感器量程設為0～100 Pa。

在船舶設計之初，機艙的設計溫度決定了機艙風機的選型，且船舶設備對環境溫度的要求較高。若溫度過高，會導致設備不能正常運行甚至停機，故確保機艙環境溫度尤為重要。機艙風機PID調節示意圖見圖2。從流程圖中可以看到，在PID調節中，若機艙環境溫度大于或等于40 ℃，此時不考慮機艙內外壓差，優先考慮降溫，直接快速將風機轉速調至最大，變頻器100%輸出，使機艙區域快速進行熱交換，將溫度降至設計溫度以下，以保證設備的正常運行，保證船舶運行安全。

圖2 機艙風機PID調節示意圖

船舶機艙區域與室外大氣壓差應保持50 Pa正壓差，若出現負壓，則表示機艙的進氣量不足，機艙設備運行所需的空氣不足。在確保機艙環境溫度低于40 ℃時，進行邏輯判斷，若此時的機艙內外壓差小于50 Pa，則表示此時機艙的供風量不夠，PLC給出增加轉速判斷，通過變頻器增加頻率來增加風機轉速；當機艙內外壓差大于50 Pa，則表示此時機艙的供風量有富余，PLC給出降低轉速判斷，通過變頻器降低頻率來減少風機轉速；若此時機艙內外壓差正好維持在50 Pa，則保持風機轉速不變，變頻器保持當前的頻率以保持風機轉速。

從圖2看出，PID調節是一個閉環調節過程。風機的轉速根據實際情況進行調節，使得最終機艙溫度及內外壓差達到或者無限接近設定值，滿足船舶運行要求。

4 基于PID調節的變頻控制系統的

節能計算

機艙風機的PID調節是基于機艙風機的可變頻控制，若機艙風機為定頻風機，則無法進行調速，PID調節也無法進行，機艙風機將無法進行自動調節。因此，PID調節實現了無人化機艙的升級，解放了船員的雙手。但歸根結底，變頻系統的發展與關注，源于它對船舶燃油消耗所作出的貢獻。

由式(2)可知，采用變頻調速后，風機的實際輸出功率與實際的流量和額定的流量比值的3次方成正比[2]，即

(3)

調速后，n1

綜合船舶實際工況，63 500 t散貨船機艙每臺風機的額定功率P2為21 kW，一個航次航行60 d，機艙風機綜合設定運行的轉速約為額定轉速的80%，根據式(4)計算如下：

(4)

一個航次機艙風機可以節約功率P3為：

P3=(P2-P1)×24×60×4=59 028.48 kW

查閱63 500 t散貨船發電機資料，發電機的燃油消耗量為194 g/kWh。因此通過變頻控制的機艙風機所能節約的燃油量Q為：Q=194P3≈11.5 t

從上述理論計算可以看出，在一個航次過程中，機艙風機的變頻控制降低了實際船舶燃油消耗量。僅一個航次的航行，變頻控制就為船東節約了約11.5 t燃油，因此船舶中的變頻控制越來越受到船東的歡迎。

5 結論

(1)基于PID調節的機艙風機變頻控制系統，風機可以依據機艙內環境的溫度及機艙內外壓差的變化自動調整轉速。PID調節是一個實時監測、反饋、比較的過程，響應速度快，調節速度快，最終達到供需平衡。

(2)機艙風機變頻系統通過調整風機轉速，使得在滿足機艙供風量的同時，可以大大降低風機的功率，從而降低船舶的燃油消耗，達到節能效果。

(3)相比傳統的定頻風機，在船舶運行過程中風機消耗的電能會大大減小，有利于節能減排；相比傳統的手工變頻調節，基于PID調節的變頻控制解決了由于船員經驗不足導致手工調節出現失誤、造成船舶設備無法正常運行的問題。