現(xiàn)有船舶冷卻水泵變頻節(jié)能改造的實(shí)例

陳身通

(浙江省海運(yùn)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310014)

隨著全球溫室效應(yīng)日益加劇，環(huán)境與能源問(wèn)題日益嚴(yán)重，特別是全球氣候變暖引起全世界的廣泛關(guān)注，節(jié)能減排已成為環(huán)保領(lǐng)域的重要舉措。作為高能耗、高排放的行業(yè)，船舶運(yùn)輸自然成為了節(jié)能減排改革的重點(diǎn)領(lǐng)域。隨著“雙碳”政策的推進(jìn)，船舶的節(jié)能減排形勢(shì)十分嚴(yán)峻。變頻技術(shù)作為一種節(jié)能技術(shù)，在岸基設(shè)備上得到了廣泛的應(yīng)用，但在船舶行業(yè)中，因其特殊性，沒(méi)有得到很好的應(yīng)用。本文對(duì)現(xiàn)有船舶冷卻水泵進(jìn)行變頻節(jié)能改造，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，以供同行參考。

1 變頻技術(shù)

1.1 變頻器工作原理

變頻器是利用電力電子器件把工頻交流電源變換成各種頻率的交流電源以實(shí)現(xiàn)電機(jī)變速運(yùn)行的設(shè)備，三相交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為：

n=60f(1-s)/k，

(1)

式中，n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；f為定子交流電的頻率；s為傳差率；k為電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)。

根據(jù)公式(1)，只要改變f、s、p中的任意1個(gè)參數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。其中變頻調(diào)速在調(diào)速性能、運(yùn)行積極性、調(diào)速平滑性以及機(jī)械特性等方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)。交流異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速已成為交流調(diào)速的首選方案。

1.2 變頻技術(shù)在水泵理論分析

由流體力學(xué)可知，泵的功率公式為：

P=ρgqVp/η，

(2)

式中，P為功率；ρ為密度；g為重力加速度；qV為流量；p為壓力；η為泵的效率。

根據(jù)離心泵的相似定律，流量與轉(zhuǎn)速成一次方關(guān)系，流量與轉(zhuǎn)速成平方關(guān)系，功率與轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系。由此可知，水泵的效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時(shí)，n可成一次方比例的下降，而此時(shí)P成立方關(guān)系下降。

2 船舶冷卻水泵變頻節(jié)能改造

2.1 船舶海水冷卻泵變頻節(jié)能改造

海水冷卻泵工作原理示意圖見圖1。船舶海水冷卻泵通常是以海水溫度32 ℃，柴油機(jī)為100%負(fù)荷時(shí)的冷卻要求來(lái)設(shè)計(jì)的。無(wú)論海水溫度以及柴油機(jī)負(fù)荷如何變化，海水冷卻泵都以額定轉(zhuǎn)速、恒流量為中央冷卻器提供冷卻海水，而實(shí)際情況是在不同的季節(jié)及海域，絕大多數(shù)時(shí)間海水的溫度都低于32℃，柴油機(jī)負(fù)荷通常遠(yuǎn)低于100%。根據(jù)熱交換原理，所需的冷卻海水量可以相應(yīng)降低，而實(shí)際上一定量的海水被旁通入海，海水流量過(guò)大造成能源浪費(fèi)。

圖1 海水冷卻泵工作原理示意圖

海水冷卻泵變頻節(jié)能改造，是根據(jù)海水溫度及柴油機(jī)負(fù)荷的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)海水冷卻泵的轉(zhuǎn)速，來(lái)調(diào)整海水冷卻泵的流量，從而調(diào)整海水冷卻泵的功率，達(dá)到節(jié)能效果。海水冷卻泵變頻節(jié)能改造是采集海水進(jìn)、出口溫度，海水進(jìn)、出口壓力，中央冷卻器淡水進(jìn)、出口溫度，通過(guò)控制單元模塊邏輯分析計(jì)算出最佳的海水冷卻泵轉(zhuǎn)速，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出給變頻器，實(shí)現(xiàn)對(duì)海水冷卻泵的變頻節(jié)能改造。

2.2 船舶淡水冷卻泵變頻節(jié)能改造

變頻技術(shù)在目前現(xiàn)有船舶(包括新造船舶)淡水冷卻系統(tǒng)上還未開始大范圍應(yīng)用。對(duì)淡水冷卻系統(tǒng)的使用比較謹(jǐn)慎，實(shí)踐的比較少。早期建造的船舶淡水冷卻泵沒(méi)有單獨(dú)設(shè)置1臺(tái)停泊低溫淡水冷卻泵，冷卻水量浪費(fèi)更加嚴(yán)重；即使設(shè)有停泊低溫淡水冷卻泵的船舶，也是按停泊時(shí)的最高負(fù)荷設(shè)計(jì)的，但大多數(shù)時(shí)間達(dá)不到該負(fù)荷。所以對(duì)低溫淡水冷卻泵進(jìn)行變頻改造十分必要。淡水冷卻泵變頻節(jié)能改造的原理與海水冷卻泵基本原理一致，在這不做重復(fù)敘述。

3 船舶冷卻水泵變頻節(jié)能改造的實(shí)例

3.1 現(xiàn)狀

某47 500 DWT散貨船，2012年建造。主機(jī)：1臺(tái)，型號(hào)為MAN 6S46MC-C7，功率為 6 450 kW。副機(jī) ：3臺(tái)，型號(hào)為DAIHATSU 5DK-20，功率為610 kW。中央板式冷卻器：2臺(tái)，每臺(tái)換熱量為3 700 kW，冷卻海水流量為240 m3/h。主海水冷卻泵：3臺(tái)，功率為37 kW；低溫淡水冷卻泵：2臺(tái)，功率為75 kW；停泊低溫淡水冷卻泵：1臺(tái)，功率為45 kW。冷卻水泵均為定速電機(jī)驅(qū)動(dòng)的離心泵。

3.2 變頻節(jié)能改造方案

新增1臺(tái)FR-A840-01160變頻器，對(duì)停泊低溫淡水冷卻泵進(jìn)行變頻控制，切換工頻-變頻主電路改造示意圖見圖2。新增2臺(tái)FR-A840-00930變頻器，對(duì)3臺(tái)主海水冷卻泵進(jìn)行變頻控制。其中1#與3#主海水冷卻泵由1臺(tái)變頻器切換控制，2臺(tái)電動(dòng)機(jī)切換工頻-變頻主電路改造示意圖見圖3。

圖2 切換工頻-變頻主電路改造示意圖

圖3 2臺(tái)電動(dòng)機(jī)切換工頻-變頻主電路改造示意圖

原主配電板主海水冷卻泵、停泊低溫淡水冷卻泵保留其斷路器，原啟動(dòng)單元內(nèi)接線進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)原泵的本地與遙控轉(zhuǎn)換、備用泵切換、壓力保護(hù)功能報(bào)警、變頻控制器過(guò)電流以及工頻-變頻之間自動(dòng)與手動(dòng)切換等功能。

3.3 海水冷卻泵變頻控制原理

變頻器設(shè)定為經(jīng)過(guò)海水冷卻后的出口淡水溫度為36 ℃，變頻器輸出信號(hào)作為第一控制量。而溫控三通閥設(shè)定溫度由原來(lái)36 ℃改為34 ℃，溫控閥輸出信號(hào)作為次要控制量。①當(dāng)熱交換器淡水出口溫度高于36 ℃時(shí)，由相關(guān)溫度傳感器傳遞信號(hào)到變頻器，變頻器發(fā)出海水冷卻泵增速信號(hào)，使海水冷卻泵轉(zhuǎn)速提高、冷卻加強(qiáng)，最終使淡水溫度穩(wěn)定在36 ℃；②當(dāng)熱交換器淡水出口溫度小于36 ℃，但大于34 ℃時(shí)，由相關(guān)溫度傳感器傳遞信號(hào)到變頻器，變頻器輸出降速信號(hào)使海水冷卻泵轉(zhuǎn)速降低、冷卻減弱，最終使淡水溫度穩(wěn)定在36 ℃；③當(dāng)?shù)隹跍囟刃∮?4 ℃時(shí)，變頻控制器輸出降速信號(hào)使海水冷卻泵轉(zhuǎn)速降低、冷卻減弱，同時(shí)三通閥根據(jù)感溫探頭輸出開啟信號(hào)，使三通閥動(dòng)作,旁通開大，淡水旁通至熱交換器進(jìn)口，進(jìn)行加熱，提高淡水溫度，最終使淡水溫度穩(wěn)定在36℃。

海水冷卻泵變頻控制原理示意圖見圖4，虛線框部分為船舶冷卻泵變頻節(jié)能改造部分。設(shè)定溫控閥可調(diào)時(shí)，海水冷卻泵變頻控制邏輯示意圖見圖5。

圖4 海水冷卻泵變頻控制原理示意圖

圖5 海水冷卻泵變頻控制邏輯示意圖

3.4 淡水冷卻泵變頻控制原理

因?yàn)榻^大部分低溫淡水直接去冷卻熱負(fù)荷設(shè)備，溫度控制信號(hào)直接取用出口低溫淡水溫度。①當(dāng)?shù)蜏氐隹跍囟雀哂?6 ℃時(shí)，變頻控制器輸出停泊低溫淡水冷卻泵轉(zhuǎn)速升高信號(hào)，加強(qiáng)冷卻，最終使得淡水趨于36 ℃；②當(dāng)?shù)蜏氐隹跍囟鹊陀?6 ℃，變頻控制器輸出停泊低溫淡水冷卻泵轉(zhuǎn)速降低信號(hào)，冷卻減弱，提高出口淡水溫度，最終使淡水趨于36 ℃；③當(dāng)?shù)蜏氐疁囟鹊扔?6 ℃時(shí)，停泊低溫淡水冷卻泵保持轉(zhuǎn)速不變。

4 改造過(guò)程中注意事項(xiàng)

1)考慮溫度對(duì)電子元件的壽命和可靠性影響較大，變頻器運(yùn)行周圍溫度一般為：-10～40 ℃。該船變頻控制單元安裝在集控室內(nèi)。這是因?yàn)榄h(huán)境溫度、濕度比較適合，另外少塵埃、少油霧，與主配電板近便于布線。

2)最低頻率設(shè)定時(shí)，由于是對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的改造，電動(dòng)機(jī)使用原來(lái)的異步定速交流電動(dòng)機(jī)，普通定速電動(dòng)機(jī)一般采用轉(zhuǎn)子帶風(fēng)扇葉“自扇冷卻”結(jié)構(gòu)，因此，當(dāng)電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，冷卻風(fēng)量將與轉(zhuǎn)速成三次方比例減少，一般最低頻率控制在20 Hz以上，防止電機(jī)因冷卻不良，發(fā)熱燒毀。

3)主電路電纜線徑選擇時(shí)，應(yīng)選擇屏蔽電纜，而選擇線徑本著宜大不宜小的原則來(lái)決定。變頻器與電動(dòng)機(jī)之間的連接電纜要盡可能短，因?yàn)榫€距長(zhǎng)了，線路上的壓降增大，可能會(huì)引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不足、電流增大、電動(dòng)機(jī)過(guò)熱等現(xiàn)象。特別是變頻器輸出較低頻率時(shí)，尤其明顯。一般要求變頻器與電動(dòng)機(jī)之間線路的壓降控制在額定電壓的2～3%。而線路上的電壓降一般由下式求得[1]：

ΔU=31/3R0LI/1 000，

(3)

式中，ΔU為電壓降；R0為單位長(zhǎng)度導(dǎo)線的電阻值；L為導(dǎo)線長(zhǎng)度；I為電流。

4)控制電路的連接線都應(yīng)采用屏蔽電纜或雙絞屏蔽線，并且與動(dòng)力線分開布置。

5 改造后的經(jīng)濟(jì)性分析

航行工況下， 1臺(tái)37 kW主海水冷卻泵與1臺(tái)75 kW低溫淡水冷卻泵運(yùn)行(此泵未列入本次變頻改造);停泊工況下， 1臺(tái)37 kW主海水冷卻泵與1臺(tái)45 kW停泊低溫淡水冷卻泵運(yùn)行。假設(shè)該船全年航行175天，停泊190天。船舶在航行、停泊工況下，變頻節(jié)能改造前、后效果對(duì)比見表1。進(jìn)行冷卻水泵變頻節(jié)能改造后，該船每年可節(jié)省燃油約78.3 t，以5 000 元/噸計(jì)算，每年可節(jié)約燃油費(fèi)用39.2萬(wàn)元,而該項(xiàng)改造工程投入費(fèi)用約為20多萬(wàn)元，約8個(gè)月能收回成本。

表1 船舶在航行、停泊工況下，變頻節(jié)能改造前、后效果對(duì)比

另外，通過(guò)本次變頻節(jié)能改造，使得靠泊期間用電負(fù)荷降低后，船舶通過(guò)合理的電力分配，可以使用原有船舶的岸電受電系統(tǒng)。因?yàn)樵摯峨娤淙萘繛?00 A，在變頻節(jié)能改造之前不能滿足靠泊時(shí)用電需求，根據(jù)國(guó)家相關(guān)政策對(duì)船舶靠泊期間使用岸電的要求，需要對(duì)該船進(jìn)行船舶受電系統(tǒng)擴(kuò)容改造，而通過(guò)變頻節(jié)能改造可省去擴(kuò)容改造及其費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。

綠色航運(yùn)、綠色船舶已成為當(dāng)今航運(yùn)界熱門話題，隨著船舶能耗評(píng)級(jí)政策的推進(jìn)，船舶如何降低能耗、減少排放，成為擺在船東面前的緊迫命題。而船舶冷卻水泵變頻節(jié)能改造作為一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)，其具有效果明顯、初始投資小、回收成本時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。