船舶機(jī)艙風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇景南

（中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，上海 200135）

0 引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，變頻控制技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，為節(jié)能降耗提供了重要手段。機(jī)艙風(fēng)機(jī)為船舶重要的機(jī)械設(shè)備，其主要功能是為機(jī)艙內(nèi)主機(jī)和發(fā)電機(jī)等機(jī)械和電氣設(shè)備供給燃燒和散熱所需的新鮮空氣，保持機(jī)艙內(nèi)有良好的環(huán)境以及設(shè)備正常工作。對(duì)于全球水域航行的船舶，外界環(huán)境溫度變化會(huì)直接影響機(jī)艙內(nèi)風(fēng)量需求的變化。機(jī)艙風(fēng)機(jī)應(yīng)用變頻控制技術(shù)可以很好地對(duì)機(jī)艙內(nèi)新風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到降低能耗和改善機(jī)艙環(huán)境的目的。

1 項(xiàng)目概況

本船船長(zhǎng)為200 m，型寬為35.2 m，型深為18.1 m，結(jié)構(gòu)吃水為11 m，入級(jí)英國(guó)勞氏船級(jí)社，具有Ice Class 1A FS級(jí)冰區(qū)加強(qiáng)符號(hào)，適航于冰區(qū)海域。其首制船憑借綠色設(shè)計(jì)理念、低碳環(huán)保指標(biāo)等優(yōu)異高效的運(yùn)營(yíng)表現(xiàn)，被評(píng)為2018年丹麥年度之星，是全球第一艘完成北極航線的集裝箱船。

2 變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)艙內(nèi)設(shè)備運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，而機(jī)艙又處于封閉狀態(tài)，熱量不易散發(fā)，導(dǎo)致機(jī)艙內(nèi)溫度升高，主機(jī)和發(fā)電機(jī)等內(nèi)燃機(jī)設(shè)備燃燒也會(huì)消耗大量的新鮮空氣，導(dǎo)致機(jī)艙內(nèi)空氣減少，含氧量降低。機(jī)艙風(fēng)機(jī)采用變頻控制的目的是根據(jù)機(jī)艙內(nèi)和室外環(huán)境狀況，通過(guò)對(duì)機(jī)艙內(nèi)送入的新風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整，保證設(shè)備所需新風(fēng)量，使機(jī)艙內(nèi)達(dá)到相對(duì)適宜的環(huán)境，同時(shí)也可降低機(jī)艙風(fēng)機(jī)能耗。

2.1 機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)配置

本項(xiàng)目機(jī)艙采用2臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)向機(jī)艙供風(fēng)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)量為93 550 m/h，靜壓970 Pa，軸功率39 kW。有2個(gè)獨(dú)立的發(fā)電機(jī)艙，分別布置2臺(tái)發(fā)電機(jī)，主機(jī)和發(fā)電機(jī)均采用舷外直接進(jìn)氣設(shè)計(jì)，機(jī)艙風(fēng)機(jī)僅用于機(jī)艙內(nèi)設(shè)備散熱，機(jī)艙內(nèi)空氣量不會(huì)因燃燒設(shè)備的啟停和工況變化而產(chǎn)生較大變動(dòng)，機(jī)艙內(nèi)壓力相對(duì)穩(wěn)定。

2.2 變頻控制變量及變量?jī)?yōu)先級(jí)選取

機(jī)艙風(fēng)機(jī)選擇變頻電機(jī)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)均設(shè)置變頻控制器，用來(lái)對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而改變機(jī)艙送風(fēng)量。船舶中控系統(tǒng)會(huì)向變頻控制器輸出4 mA～20 mA的控制電流信號(hào)：4 mA電流信號(hào)輸送至風(fēng)機(jī)變頻控制器時(shí)，風(fēng)機(jī)以最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行；20 mA電流信號(hào)輸送至風(fēng)機(jī)變頻控制器時(shí)，風(fēng)機(jī)以 100%轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

中控系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)變頻器的控制是依靠對(duì)機(jī)艙內(nèi)環(huán)境變量信息進(jìn)行采集分析后發(fā)出控制指令，環(huán)境變量如何選取決定了機(jī)艙風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況。

在通常情況下，機(jī)艙內(nèi)的環(huán)境變量有以下幾種：

1）機(jī)艙內(nèi)溫度是會(huì)直接對(duì)人員和設(shè)備產(chǎn)生影響的參數(shù)，溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響人員的舒適性，也會(huì)影響機(jī)艙內(nèi)設(shè)備的工作性能。

2）機(jī)艙內(nèi)和室外環(huán)境的溫差，設(shè)置此參數(shù)是為了保證機(jī)艙內(nèi)和室外環(huán)境保持相對(duì)穩(wěn)定的水平，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)度調(diào)節(jié)。

3）機(jī)艙棚內(nèi)和室外環(huán)境的壓差，機(jī)艙內(nèi)耗氣設(shè)備會(huì)對(duì)機(jī)艙內(nèi)空氣總量產(chǎn)生影響，從而引起壓力變化，此參數(shù)設(shè)置是保證機(jī)艙內(nèi)有充足的新鮮空氣量和良好的通風(fēng)效果。

本項(xiàng)目選取以上3種變量作為中控系統(tǒng)的輸入變量，主要出于以下幾點(diǎn)考慮：

1）本項(xiàng)目屬于全球航行船舶，夏季最高氣溫可能會(huì)達(dá)到45 ℃，冬季會(huì)降低到?25 ℃，保持機(jī)艙內(nèi)溫度處于適宜的范圍是首要考慮的因素。

2）溫差調(diào)節(jié)是在機(jī)艙內(nèi)溫度在適宜范圍內(nèi)，對(duì)機(jī)艙內(nèi)環(huán)境的優(yōu)化調(diào)節(jié)，使其始終處于最佳狀態(tài)。

3）機(jī)艙內(nèi)保持一定的正壓對(duì)機(jī)艙內(nèi)通風(fēng)效果和熱量排出具有一定的好處。

對(duì)于變頻控制變量的優(yōu)先級(jí)，本項(xiàng)目選擇機(jī)艙內(nèi)溫度作為主要控制變量，在機(jī)艙內(nèi)溫度滿足設(shè)定條件后，再根據(jù)溫差進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)溫度和溫差均滿足設(shè)定條件時(shí)，壓差控制啟動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)艙內(nèi)壓力。當(dāng)高優(yōu)先級(jí)設(shè)定條件觸發(fā)時(shí)，變頻控制器會(huì)立即執(zhí)行高優(yōu)先級(jí)變量發(fā)出的指令。

2.3 變頻控制傳感器安裝位置選擇

傳感器對(duì)機(jī)艙內(nèi)的環(huán)境具有監(jiān)測(cè)功能，機(jī)艙屬于船舶最大的設(shè)備處所，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，艙室眾多，對(duì)所有位置均設(shè)置傳感器會(huì)導(dǎo)致成本過(guò)高和控制混亂，因此選擇最能體現(xiàn)機(jī)艙內(nèi)環(huán)境狀況的位置來(lái)布置傳感器。

機(jī)艙內(nèi)主機(jī)和發(fā)電機(jī)是散熱量最大的設(shè)備，其散熱量占機(jī)艙內(nèi)總散熱量超過(guò) 60%。機(jī)艙風(fēng)機(jī)將新風(fēng)送入機(jī)艙內(nèi)各處，機(jī)艙內(nèi)空氣是經(jīng)過(guò)機(jī)艙與煙囪之間的大開(kāi)口排到室外，因此此處能體現(xiàn)處機(jī)艙內(nèi)溫度和壓力的平均水平。

本項(xiàng)目具有2個(gè)相對(duì)獨(dú)立的發(fā)電機(jī)室，在左發(fā)電機(jī)室和右發(fā)電機(jī)室內(nèi)各設(shè)置1個(gè)溫度傳感器，在機(jī)艙大開(kāi)口左右兩舷也各設(shè)置1個(gè)溫度傳感器，用于監(jiān)測(cè)機(jī)艙內(nèi)環(huán)境溫度。在2臺(tái)機(jī)艙風(fēng)機(jī)的進(jìn)口分別設(shè)置1個(gè)溫度傳感器，用于監(jiān)測(cè)室外環(huán)境溫度。機(jī)艙內(nèi)和室外環(huán)境的溫差通過(guò)溫度傳感器獲取的參數(shù)做差值獲得。本項(xiàng)目設(shè)置1個(gè)壓差傳感器，室內(nèi)探頭放置在機(jī)艙大開(kāi)口附近，室外傳感器布置在不易受氣流影響的機(jī)艙外。

變頻控制傳感器布置見(jiàn)圖1。

圖1 變頻控制傳感器布置

2.4 變頻控制設(shè)定值選擇及報(bào)警

機(jī)艙內(nèi)和室外傳感器采集到各環(huán)境參數(shù)后會(huì)通過(guò)中控系統(tǒng)分析形成指令后對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。溫度、溫差和壓差設(shè)定值決定機(jī)艙內(nèi)環(huán)境處于何種狀態(tài)。

2.4.1 溫度設(shè)定值

通常機(jī)艙內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為45 ℃，超過(guò)此溫度，機(jī)械設(shè)備和電氣設(shè)備的工作性能都會(huì)有所下降。機(jī)艙內(nèi)屬于高發(fā)熱量機(jī)器處所，機(jī)艙內(nèi)35 ℃以下可以滿足船員正常工作需求。船舶在低溫環(huán)境航行時(shí)，機(jī)艙內(nèi)溫度必然會(huì)下降，過(guò)低的機(jī)艙環(huán)境溫度會(huì)在機(jī)器設(shè)備表面形成凝水，也會(huì)影響機(jī)器設(shè)備的正常工作，通常20℃的溫度比較適宜。

本項(xiàng)目的變頻控制有2種模式：一種為經(jīng)濟(jì)模式，即當(dāng)機(jī)艙內(nèi)無(wú)人值班時(shí)，風(fēng)機(jī)以經(jīng)濟(jì)模式運(yùn)行；另一種為舒適模式，即當(dāng)機(jī)艙有人值班時(shí)，風(fēng)機(jī)以舒適模式運(yùn)行。本項(xiàng)目溫度設(shè)定值選取如下：

1）經(jīng)濟(jì)模式下，最高溫度初始設(shè)定值為45 ℃，最低設(shè)定值為20 ℃，最高設(shè)定值為45 ℃。若設(shè)定值被船員調(diào)整到43 ℃以下，在15 min后會(huì)激活報(bào)警。

2）舒適模式下，最高溫度初始設(shè)定值為35 ℃，最低設(shè)定值為20 ℃，最高設(shè)定值為45 ℃。

2.4.2 溫差設(shè)定值

機(jī)艙風(fēng)機(jī)將新鮮空氣送入機(jī)艙已降低溫度，加大機(jī)艙新風(fēng)量可以進(jìn)一步降低機(jī)艙內(nèi)溫度，但也會(huì)造成能源浪費(fèi)；減小新風(fēng)量，機(jī)艙內(nèi)溫度會(huì)上升，影響設(shè)備工作和人員舒適性。因此，選擇合理的溫差范圍，對(duì)設(shè)備工作、人員舒適和節(jié)能降耗都十分重要。機(jī)艙通風(fēng)計(jì)算的溫差選取一般為12.5 K，作為風(fēng)量計(jì)算的依據(jù)，本項(xiàng)目溫差設(shè)定值選擇如下：

1）經(jīng)濟(jì)模式下，溫差最低設(shè)定值為5 K，最高設(shè)定值為15 K。若溫差設(shè)定值不在11 K～13 K范圍內(nèi)，15 min后會(huì)激活報(bào)警。

2）舒適模式下，溫差最低設(shè)定值為5 K，最高設(shè)定值為15 K。

2.4.3 壓差設(shè)定值

本項(xiàng)目壓差默認(rèn)設(shè)定值為50 Pa，最低設(shè)定值為30 Pa，最高設(shè)定值為70 Pa。

2.5 機(jī)艙風(fēng)機(jī)控制模式轉(zhuǎn)換

機(jī)艙風(fēng)機(jī)有2種控制模式：一種是自動(dòng)控制模式，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制只能通過(guò)中控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；另一種為手動(dòng)控制模式，船員需在本地控制箱進(jìn)行操作，控制風(fēng)機(jī)的啟停。對(duì)具有變頻控制功能的風(fēng)機(jī)來(lái)講，手動(dòng)控制模式也可對(duì)風(fēng)機(jī)的頻率進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，使風(fēng)機(jī)在某一固定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。

本項(xiàng)目機(jī)艙風(fēng)機(jī)的控制模式在風(fēng)機(jī)控制箱選擇，但在風(fēng)機(jī)初次通電后，風(fēng)機(jī)為手動(dòng)控制模式。若轉(zhuǎn)換到自動(dòng)控制模式，需滿足以下條件：

1）至少有1個(gè)機(jī)艙內(nèi)的溫度傳感器完好；

2）至少有1個(gè)空氣進(jìn)口（室外環(huán)境溫度）的溫度傳感器完好；

3）壓差傳感器完好；

4）風(fēng)機(jī)選定為自動(dòng)控制模式，沒(méi)有報(bào)警。

若自動(dòng)控制模式條件滿足，且風(fēng)機(jī)已經(jīng)在手動(dòng)控制模式下連續(xù)工作6 h（可調(diào)），風(fēng)機(jī)會(huì)強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為自動(dòng)控制模式，并會(huì)在自動(dòng)控制模式下持續(xù)運(yùn)行。

若風(fēng)機(jī)在自動(dòng)控制模式下運(yùn)行，需要進(jìn)行風(fēng)機(jī)啟動(dòng)或停止操作，船員必須先將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)換為手動(dòng)控制模式，然后再進(jìn)行操作。

若任意一個(gè)傳感器失效都會(huì)觸發(fā)報(bào)警，系統(tǒng)也會(huì)忽略由此傳感器采集到的信號(hào)。如果沒(méi)有可以替代的傳感器可用，風(fēng)機(jī)會(huì)強(qiáng)制轉(zhuǎn)換到手動(dòng)控制模式。機(jī)艙風(fēng)機(jī)的模式選擇及控制邏輯如圖2所示。

圖2 機(jī)艙風(fēng)機(jī)控制流程圖

3 結(jié)論

本文對(duì)某支線集裝箱船機(jī)艙風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，確定了以溫度、溫差和壓差3種環(huán)境變量作為變頻控制系統(tǒng)的輸入變量，且制定了優(yōu)先級(jí)控制方案，得出傳感器最佳數(shù)量和布置位置，結(jié)合船舶實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)以及環(huán)境對(duì)機(jī)艙內(nèi)設(shè)備和人員的影響，確定了經(jīng)濟(jì)模式和舒適模式下溫度、溫差和壓差變量的設(shè)定值以及報(bào)警點(diǎn)，為相關(guān)變頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一些思路和參考。