半潛打撈船機艙風機變頻控制系統設計

邵坤明，張興權，王同盟

（招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇南通 226116）

0 引言

機艙是船舶動力設備布置最集中的處所，通常會布置主機、主發電機組，以及鍋爐、空壓機等相關輔機設備。主機、主發電機組和鍋爐等設備在工作時需要消耗大量空氣并產生大量熱量，需要配備機艙風機為這些設備提供足夠的空氣，并將熱量及有害氣體排到室外，以保證機艙內溫度合適、空氣足夠。在船舶運營過程中，不同工況下主機和主發電機組等設備的使用情況不同，對機艙內新風的需求量也不同。在進行機艙風機的選型時，一般根據最大工況需要的風量來確定風機功率，對于未安裝變頻控制系統的風機，在任何工況下風機均按額定功率進行工作，這往往會造成電能浪費。隨著工業自動化程度的不斷提高，變頻控制技術以其卓越的調速性能、顯著的節電效果在各個領域得到了廣泛應用，為節能降耗提供了重要手段[1]。利用變頻控制技術，根據不同工況對風量的需求調節機艙風機提供的風量，進而減少能耗。

本文以某半潛打撈船為例，對機艙風機變頻控制系統的設計、溫度傳感器和壓差傳感器的布置要求及變頻控制邏輯進行分析，在保障機艙內壓力維持在20～50 Pa的前提下，根據機艙溫度調節風機的轉速，實現風機的自動運行。

1 項目概況

本船為長約250 m、寬約60 m的四島式，無常規艏樓，方艉半潛打撈船。船舶航行于無限航區，具備DP2（Dynamic Positioning 2）級動力定位能力，采用全電力推進，可用于大型船舶的整體打撈，以及大型海洋油氣裝備、超大型海上裝備的運輸工作。

本船在運營過程中工況較多，且各個工況對電力負荷的需求差異較大，導致不同工況對機艙風量的需求差異較大。

2 機艙風機變頻控制系統的設計

本船的機艙通風系統依據ISO 8861: 1998標準進行設計[2]，機艙內保持輕微的正壓，且不大于50 Pa。在正常工況時，送風機吸入外界35 ℃的新風，并送入機艙，風量滿足機艙內所有設備在 100%負荷下正常運行的要求。

本船機艙分為前后2個區域，通風相互獨立。每個機艙分為上、下兩層，2層間的空氣可自由混合。每個機艙由2臺變頻軸流風機進行送風，機艙的廢氣通過煙囪棚上的排風百葉窗排出。機艙風機采用變頻控制，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）根據采集到的機艙內外的壓差值和機艙內實際溫度偏離預先設定值的情況，自動調節變頻風機的轉速，保證將機艙內的壓力和溫度控制在設計范圍內。變頻控制根據機艙內和室外環境的具體情況，通過調整機艙內送入的新風量來滿足設備的要求，使機艙內達到相對適宜的環境，同時也可減少機艙風機的能耗[3]。

2.1 機艙風機變頻控制系統的組成

機艙的變頻風機控制系統包括變頻器、溫度傳感器（Temperature Transmitter，TT）、壓差傳感器（Differential Pressure Transmitter，DPT）、PLC控制單元及液晶觸摸操作屏等。本船機艙風機變頻控制系統組成情況見圖1。

圖1 本船風機變頻控制系統組成情況

2.2 溫度傳感器和壓差傳感器安裝位置的選擇

本船的機艙風機變頻控制系統根據機艙內外的壓差值和機艙內溫度值偏離設定值的情況對變頻風機轉速進行自動調節，進而滿足機艙設備的要求。壓差傳感器和溫度傳感器的安裝位置對風機的變頻控制起到至關重要的作用。

本船機艙最主要的散熱設備為主柴油機組和鍋爐。利用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件分析機艙壓力場和溫度場的分布情況，并確定壓差傳感器和溫度傳感器的數量和安裝位置。

在進行溫度傳感器和壓差傳感器安裝位置的選擇時，需要滿足以下要求：

1）在每個柴油機組增壓器的附近布置壓差傳感器和溫度傳感器。

2）在1號機艙和2號機艙的煙囪區域布置壓差傳感器和溫度傳感器，避免煙囪區域溫度過高。

3）在鍋爐附件等易產生過高溫度的位置布置壓差傳感器和溫度傳感器。

4）在分油機間布置溫度傳感器。

5）在氣流組織均勻處布置壓差傳感器和溫度傳感器，要注意避開排氣管、冷風機出口、熱油加熱管等熱源和冷源。

本船機艙壓差傳感器和溫度傳感器的配置情況見表 1，下層和上層機艙壓差傳感器和溫度傳感器的布置情況分別見圖2和圖3。

圖2 下層機艙壓差傳感器和溫度傳感器布置情況

圖3 上層機艙壓差傳感器和溫度傳感器布置情況

表1 本船機艙壓差傳感器和溫度傳感器的配置情況

2.3 變頻控制原理和控制邏輯

本船將壓力控制的優先級設為最高級別，保證機艙內始終為正壓，且將機艙內的壓力維持在20～50 Pa。在滿足機艙壓力的要求下，根據溫度對風機的轉速進行相應調節。機艙溫度與壓力的關系曲線見圖4。在機艙溫度低于15 ℃時，機艙壓力保持在20 Pa；在機艙溫度高于35 ℃時，機艙壓力保持在50 Pa；在機艙溫度介于15 ℃～35 ℃時，機艙壓力隨機艙溫度的增加線性增加。

圖4 機艙溫度與壓力的關系曲線

通常情況下，PLC控制單元根據機艙內外的壓差值和機艙內溫度值偏離設定值的情況對變頻風機轉速進行自動調節。當機艙內外的壓力差低于最低設定值（20 Pa）時，加大風機的轉速；當機艙內外的壓力差高于最高設定值（50 Pa）時，減小風機的轉速。在設定的壓力范圍內，再根據機艙內的溫度情況調節風機的轉速。當機艙溫度低于 15 ℃時，減小風機的轉速；當機艙溫度高于 35 ℃時，加大風機的轉速。機艙風機變頻控制邏輯流程圖見圖5。

圖5 機艙風機變頻控制邏輯流程圖

3 結論

機艙是船舶動力設備布置最集中的處所，保障機艙設備安全運行非常重要。本文基于某半潛打撈船，對機艙風機變頻控制系統的設計、溫度傳感器和壓差傳感器的布置要求及變頻控制邏輯進行分析，可得到如下結論：

1）該系統可根據機艙內壓力和溫度的變化控制機艙風機的運行負荷，不僅能滿足機艙設備運行所需的新風，還能保障機艙風機在不同工況下的自動化運行。

2）該系統可有效減少能耗，并降低運營成本。