船舶主海水冷却泵变频控制的设计应用
2012-01-22,
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(1.青岛扬帆船舶制造有限公司,山东 青岛 266209;2.中交一航局第二工程有限公司,山东 青岛 266071)
大型商业运输船舶的冷却系统通常设计为中央冷却系统,即船上所有设备均用淡水冷却,包括主机、辅柴油机、空压机、空调及冷藏装置、大气冷凝器等。船上设置2台(1用1备)或3台(2用1备)电动海水泵提供海水用于冷却淡水,淡水用来冷却船用设备,充分利用了海水的冷量。大型商业运输船舶多为无限航区,跨越纬度较大,包括冰区。在如此宽的纬度范围内,海水表层温度变化也很大(4~30 ℃);主海水冷却泵设计参数均考虑极限设计(海水温度32 ℃),且留有一定的余量,冗余较大;且海水泵在航行期间持续运行,是船上的耗电大户。在实际使用中,海水泵几乎是不会满负载运行的,存在较大的节省空间,节能潜力大。综上考虑,设计随海水温度变化自动调整冷却水流量的控制系统。以205 000 DWT散货船为例,介绍船用主海水冷却泵改为变频自动控制系统的设计应用。
1 系统介绍
1.1 工作原理
海水冷却泵(设计参数见表1)为3台66 kW电动离心泵,2台正常使用,1台备用,自动切换。海水泵提供海水做为冷却介质进入2台中央淡水冷却器(设计参数见表2[1])与淡水进行热交换。海水冷却系统见图1,淡水冷却系统见图2,在大部分海水温度较低海区,海水冷却泵容量较大且为持续运行,这样必然消耗大量能源, 海水泵将做大量无用功, 使航行成本增加。
表1 海水泵设计参数
表2 中央淡水冷却器参数
注:换热量为8 470 kW;冷却面积为261 m2。
1.2 海水采用节流调节,淡水采用温控阀调节
通过海水泵出口的阀门来调节流量,不可避免地造成较大的截留损失,高压力等现象,系统稳定性差。而且调节速度慢,控制精度差,浪费了大量的电能。为了保证淡水出口温度恒定,在淡水出口总管设置气动三通温控阀(见图2),随着负载的变化自动调节旁通水流量。
1.3 海水泵电机采用Y-Δ启动
海水泵电机是采用Y-Δ启动而非直接启动,但启动电流仍然很大,为电机额定电流的3.6倍,高达370 A,这样大的冲击电流严重影响了电网与电机的使用寿命,同时,启动时的机械冲力和水泵停止时的水锤效应容易对机械散件、阀门、管道等造成破坏,从而增加了机械设备的维护费用。
图1 海水冷却管系
图2 淡水冷却管系
2 海水泵可采用的简单节能方式
2.1 设置温度传感器
在海水泵出口总管设PT100温度传感器(见图1),温度传感器连续测量海水温度,信号反馈给自动控制系统,海水温度低于设定值即可自动停止1台泵,仅1台泵运行,海水温度高于设定值时自动启动第2台泵。
2.2 海水温度的设定值
仅1台海水泵运行时,进入每台冷却器的海水流量需减半,即为250 m3/h。依此计算(见表3),要满足系统换热量不变的要求,海水温度需要小于等于20.26 ℃。因此在自动控制系统中海水温度值设定为20 ℃,海水温度在设定的20 ℃时,将会自动停止1台泵。
此方式的节能效果非常有限,海水泵不能随着海水温度的变化自动调整冷却水的流量,且负载变化时无法进行自动调节。海水温度为20~32 ℃时,还需要2台泵运行,海水温度低于20 ℃时,也无法再进行节能调节。
表3 中央淡水冷却器参数
注:换热量为8 470 kW;冷却面积261 m2。
2.3 此种节能方式的特点
海水泵采用此方式节能,投资成本低,系统相对简单,但节能效果不明显,系统稳定性差,调节速度慢,调节范围小,与未进行改造的方式几乎无差别。
3 海水泵变频的设计应用
变频技术在近年来有较大的发展,已成功应用于船舶的电力推进与船舶设备,节能效果明显,为船东带来了可观的经济效益[1-2]。
3.1 变频后的工作原理
1)系统介绍。在中央冷却器淡水出口处安装一只PT100温度传感器(见图2),连续测量冷却器排出口总管淡水温度,信号反馈给变频自动控制系统。设定淡水温度值(36 ℃),排出口监测的温度值反馈到自动调频系统,进行±频率调整,驱动海水泵电机根据频率的变化而改变转速,海水泵的流量也随之变化,由此构成一闭环自动调节系统。
2)电气原理。实践中,由于变频器投资成本较高,可采用调速与定速混合供水,根据温度变化,第1台海水泵变频启动转为工频后,再变频启动第2台海水泵。考虑到同型号的水泵一调速一定速并列运行时,虽然调度灵活,但由于无法兼顾到调速泵与定速泵的高效工作阶段,此种情况下调速运行的范围是很小的。因此,本系统电气部分设计为全变频驱动,原理设计见图3[2],M1~M3为海水泵驱动电机。
图3 电气系统原理
电气控制原理如下,设定冷却淡水出口温度为36 ℃。
启动本系统→1#变频器驱动1#海水泵电机→温度高于设定值→系统由 1#变频器+2#变频器驱动1#、2#海水泵电机。见图4。考虑到本系统各海水泵电机有冗余设计,若任一台变频器损坏,由PLC发出控制信号至切换装置,系统可在需2台泵工作时,1台变频器+工频启动器工作。
即正常工作时有两种工作状况:①1台驱动电机变频工作;②2台驱动电机变频工作。在设备有故障时,即任一台电机或变频器发生过流、短路等状态时,信号反馈至PLC控制器,切换装置自动转换到其它备用装置,保证系统的安全与可靠性。
图4 电气控制原理
3.2 自动变频控制系统频率下限设定
根据主海水冷却泵所需的最小扬程,计算电机的最低所需转速,进而设定变频最低下限。
1)水泵的特性。水泵属于平方转矩负载,其轴功率、转速、流量存在如下的关系。
Q1/Q2=n1/n2
(1)
p1/p2=(n1/n2)2
(2)
P1/P2=(n1/n2)3
(3)
式中:n——电机的转速,n1为之前的转速,n2为降低后的转速;
Q——流量,Q1为之前的流量,Q2为降低转速后的流量;
p——压力,p1为之前的压力,p2为降低转速后的压力;
P——电机轴输出功率,P1为之前的输出功率,P2为降低转速后的输出功率。
2)根据电机转速计算频率与流量下限,取5%冗余。
当泵工作时,随着转速的减小,压力也成比例减小,减小到一定程度就满足不了系统的要求。根据管系的实际布置、管系阻力及压力损失可知,泵的最小扬程应为11 m。因此根据最小扬程计算电机转速与频率下限。
电机转速下限:由式(2)得出电机的最小转速1 094 r/min,取5%冗余,为1 148.7 r/min。
泵流量下限:由式(1)得出泵的最小流量为323.4 m3/h。
电机频率下限:1 776 r/min时频率为60 Hz,则电机最低频率为38.8 Hz。
3)根据计算确定变频器及PLC参数。变频器参数设置:频率上限 60 Hz,频率下限38.8 Hz,频率控制输入信号4~20 mA (自PLC)。
PLC参数设置:内置PID调节器,考虑到系统热惯性较大,初步设定PID参数为:比例10%;积分3 min;微分1 min 。
3.3 经济分析
3.3.1 节约燃油费
按本船从中国行至澳大利亚1个来回的航程(约1万n mile),海水平均温度25 ℃。计算出需要海水总流量为686 m3/h。
变频方案:泵均为变频控制,流量343 m3/h。
由式(1)得出电机转速为1 218.3 r/min,由式(3)得出功率为21.3 kW,所需总功率P=21.3×2=42.6 kW,每小时节约功率为66×2-42.6=89.4 kW·h。
节电率为89.4/(66×2)=67.7%,
发电机组燃油消耗率为201 g/kWh,航速为14.5 kn,
1个航次节约燃油为201/1 000×89.4×(10 000÷14.5)=12 392.69 kg,
1个航次节约燃油费,按600美元/t计,约为3 792元/t,12.39×3 792=46 983元人民币。
3.3.2 成本核算
增加66 kW变频器(2台),国产价格约为1.5万/台,进口价格约 3万/台,增加PLC 控制器,约需2 000元人民币。
减少66 kW工频启动器(2台),约6 000元人民币。
电缆及安装降低费用:每台海水泵的连接电缆原为2根3×25,改为变频启动后可改为1根3×50,电缆可节省约2 200元,安装工时费用可节省约4 000元,总增加成本为30 000×2+2 000-6 000-2 200-4 000=49 800元
通过分析可知,船用海水泵进行变频改造后,该项目增加建造成本约为5万元。若采用进口变频器,可在2个航次(约半年)收回成本;若采用国产变频器则1个航次即可收回成本,经济效益可观。
3.4 海水泵变频改造后对系统的影响
1)改善海水系统的运行条件。变频改造后海水泵出口的流量和压力比较平稳,使海水泵的运行条件得到改善,同时减少对海水出口管道、及板冷的水力冲击。
2)延长电机和海水泵的使用寿命。进行变频改造后,可以实现软启动和软制动,对电机几乎不产生冲击,可延长机械的使用寿命。
3)减小对调节阀的机械磨损,延长调节阀的使用寿命。海水泵正常运行时,通过变频器调节其转速,从而实现出口流量和压力的自动调节,避免了完全通过调节阀对流量和压力进行控制,减小了调节阀的机械磨损。
4)海水泵流量与压力的调节范围广,调节速度快,控制精度高。
5)当海水泵变频器发生故障时,系统可将变频器切除, 自动通过旁路柜切换到工频状态,保证海水冷却系统的安全运行。
3.5 变频器改造的缺点
1)变频器运行可靠性比电磁启动器差,可以通过旁路柜切换到工频状态运行以解决该缺点。
2)变频器在工作中由于整流和变频,易产生干扰电磁波,对船上的通讯电缆产生一定的干扰。通讯电缆敷设应注意与变频器电缆尽量分开布置。
4 结论
海水泵进行变频改造后,节能效果显著,且能使电机实现真正的软启动,减小了对海水管道、调节阀、板冷的水力冲击和磨损,使系统的运行更安全可靠,并且可大幅度节省这些设备的维护费用。随着变频调速技术的日益成熟与变频器价格的下降,变频技术在船舶(尤其是冰区加强型)海水泵上的应用将逐渐成为新趋势。
[1] 王荣生.船舶设计实用手册:轮机分册[M].北京:国防工业出版社,1999.
[2] 张燕宾.变频调速应用实践[M].北京:机械工业出版社,2005.