变频调速在船舶辅机节能控制中的可行性分析

摘要：在对船舶辅机变频节能控制的重要性进行简单分析后，对船舶辅机系统变频调速节能控制原理进行了研究。最后，结合工程实例，详细分析了变频调速在船舶辅机节能控制中的应用。

关键词：船舶；辅机；变频调速；节能控制

中图分类号：U44 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）05（c）-0000-00

船舶上泵、风机等电动机，是功能最多、用途最广、数量最多的重要辅助机械设备。常规调控方式是采用调整阀、回流阀、截止阀等设备来进行流量、压力等信号的静态调控，容易引起管路、阀门等设备的密封性能遭到破坏，进而加速泵腔、阀体的磨损和汽蚀作用，严重时还会引起辅机设备的损坏，影响船舶的运行安全[1]。另外，常规控制方式中，泵、风机等大多采用异步电动机交流接触器直接驱动模式运行，其存在起动过程的起动电流较大、机械冲击较大，且辅机设备的电气综合保护性能偏差等缺点，巨大冲击会导致辅机设备性能的下降，影响其使用寿命；长期运行在额定功率下，不能随负载波动动态调节，输出与输入间很难实现平衡调节，引起大量电能资源浪费；当负载出现机械故障时，综合保护设备不能瞬时动作，导致电机持续运行在重负荷区域，时常会引起泵、风机的损害及电动机机烧损[2]。

1 船舶辅机变频节能控制的重要性分析

对航运企业而言，采取有效技术措施在生产运营与节能环保间取得一个良好的平衡关系，是一个非常重要的研究课题。根一些统计调查资料表明，船舶上绝大多数泵、风机等电机拖动系统均处于恒速运转的额定运行工况。加上一些船舶辅机系统在设计过程中，通常按照船舶最大运行工况来进行辅机系统选型，容易出现容量、功率选择较大，系统匹配性能不优越等问题，进而在实际运行过程中经常出现“大马拉小车”的低效工况，引起大量电能资源浪费。因此，将新型动态节能调控技术引入到船舶辅机控制系统中，提高辅机系统运行性能水平，搞用船舶辅机系统的节能工作，对提高航运企业运营经济效益和综合竞争实力具有非常重要的研究意义[3]。

变频调速控制技术，是现代控制技术、电力电子技术、计算机通信技术等先进技术综合为一体的高效节能动态调控技术。自其投人到工程应用中，在各行各业中发挥非常良好的作用，取得了良好的节能应用效果，且其应用领域也在不断扩展。将变频器引入到船舶辅机控制系统中，尤其是针对泵、风机的运行工况特性，利用变频调速动态控制技术来改变常规的调整阀、截止阀等静态调控方式，能够有效改善辅机控制系统的运行工况，达到提高供水、供风质量和降低电能资源浪费等节能降耗改造目的。

2 船舶辅机系统变频调速节能控制原理

在船舶辅机控制系统中，主要控制对象是船舶运行过程中所需的水系统、风系统、油系统的流量、温度、水位、压力等控制信号。由电机学中的相似原理知，调控系统在改变泵、风机等运行转速过程中（即电动机转速从调节到时），其能量转换效率基本维持不变，但其流量（）、扬程（）、及功率（）等特性参数将会发生改变，即：

（1）

从上式可以看出，转速变换相应船舶辅机系统中的特性参数也将会发生改变，这也是变频调速节能控制技术研究的重点。按照管阻特性和扬程特性来描述泵、风机在负荷波动过程中的调节特性详见图1所示：

图1 船舶辅机控制系统泵、风机动态调控特性

从式（1）和图1来看，在常规阀门或挡板变流静态调节方案中，交流电机始终运行在额定运行工况，只是通过阀门关小或全开来调节辅机系统中的管阻特性来实现对流量、风压、水位等控制调节。如，当船舶辅机系统负荷发生变化时，引起泵、风机流量由变化到时：对于常规控制方式下，则通过调节阀门开度来完成管阻特性从（阀门全开）调节到（阀门关小）工况，转速始终处于额定运行转速不变，即辅机系统从运行工况A点调控到B点，以满足系统水压、风压等需求；而在以变频器为核心的变频调速动态调控系统中，则主要通过调节船舶辅机系统的扬程特性来完成流量从向的平滑调节过渡，相应其管阻特性始终维持在阀门全开工况，电动机转速由下降到。从图（1）可知，在对于相同流量的调节调节下，常规阀门或挡板变流静态调节方式下其电能总消耗近似于的面积值；而在以变频器为核心的变频节能方式下其电能总消耗近似于。相应两种调控方式下的电能消耗差值为（图1中阴影部分所示），这就是变频调速节能控制所取得的节能效果。综上所述，采用以变频器为核心的智能变频调控系统，对原来的静态变流阀门调控系统进行技术升级改造，在相同流量调控下，其取得的节能降耗效果十分明显，尤其对于处于连续波动调节、运行持续时间较长、用电量较大的重要辅机系统而言，其获得的节省电能资源相当可观，且能够有效改善辅机调控系统的运行性能，确保船舶具有较高的运行安全水平。

3 变频节能技术在船舶恒压供水节能中的应用

一种小型船舶其供水系统原来控制方式是无论工作人员使用水否，均按照额定功率运行，其水泵动、静叶调节过程中的节流损失以及无人用水时，相比设计额定运行工况下的节流损失会增加40%。从大量记录数据表明，水泵系统运行效率较低，电、水等能源浪费相当严重，直接影响到船舶电站的厂用电率。结合水泵大量的历史运算数据分析结果可知，从理论节能潜力分析表明，如采用以变频器为核心的变频节能调速控制方案对水泵系统进行动态节能调节，大致可以获得45%的节能潜力，节能效果相当明显。于是决定采用变频器对水泵控制系统进行节能升级改造，其具体的节能改造方案如图2所示：

图2 基于变频器的小型船舶供水系统节能改造方案

按照图2对供水系统进行节能升级改造后，不仅成功地将以变频器为核心的智能自动化变频调控系统引入到船舶供水系统节能工程中，同时实现了有人用水时的恒压节能供水、无人用水时自动停运的自动调控，达到升级改造和节能降耗的目的。具体表现在以下多方面优点： （1）通过变频器的恒压变频调速控制，有效解决小型船舶使用压力柜进行供水过程中存在压力波动较大、最大压力过高等问题，提高了供水系统的性能水平和综合使用寿命；

（2）有效克服了常规高位水箱供水模式下可能存在的压力过小、用水不畅等问题，确保供水系统运行具有较高的安全可靠性；

（3）采用变频器为核心的变频恒压供水系统，其通过内部软起动，有效避免了常规直接起动过程中大电流对电机设备的冲击，其系统智能自动化水平较高，综合维护较便捷，故障率较低；

（4）综合保护功能较齐全。恒压变频调速控制系统，具备过压、过流、过载、故障报警等多种智能自动化保护功能和可视化、人性化操控功能；

（5）整套控制系统在无人用水时均处于停止工况，与常规直接额定转速控制模式相比，可以达到40%～60%的节能效果和约20%的节水效果。

4 结束语

基于变频器为核心的智能变频调速控制之所以能够实现船舶辅机控制系统的节能，除了采用先进的变频控制器，以实现电动机输入与输出间动态平衡调节外，最重要的是该集成自动控制系统从根本上改变了船舶辅机系统常规的粗放式控制与运行管理模式，使得辅机系统的实际功率输出能够同步跟踪系统负荷波动需求而动态变化，以实现电能、水能等资源的按需分配和精细化管理，达到船舶辅机系统的节能降耗升级改造目的。

参考文献

[1] 徐立，刘杰.船舶动力装置中的异步电动机变频调速节能技术[J].船海工程，2008，，37（3）：62-64.

[2] 肖乐明.交流电机变频调速技术在船舶的应用[J].航海技术，2007，（02）：51-53.

[3] 黄胜，郭春雨.船舶推进节能技术研究与进展[J].舰船科学技术，2007，29（01）：27-32.