基于变频控制的中央冷却系统性能研究

唐 强，张维竞，许婉莹

(上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240)

0 引言

现代的大型船舶一般均采用中央冷却系统。这种冷却系统利用舷外的海水通过中央冷却器对淡水进行冷却，被冷却的淡水再去冷却其他换热设备。在这种冷却系统中，海水不再接触各种换热器和主机设备，很好地解决了设备和管路的腐蚀问题，降低了维护费用，提高了系统的可靠性及使用寿命［1－2］。

为了保证船舶安全航行的需要，中央冷却系统海水泵的设计排量是按照船舶的设计工况选取的，该工况海水温度保持32℃，主机运行在最大设计功率点［3］。但实际上，船舶大部分时间是在低于32℃的海域上航行，而船舶正常航行的主机功率低于最大设计功率，如果中央冷却系统仍采用传统的定速泵，由于其转速和流量无法随系统工况的变化而变化，必然会导致能源的浪费［4］。特别在船舶能效设计标准正式实施的背景下［5］，中央冷却系统采用变频技术，使船舶在不同的运行工况下，自动调节海水泵的运行参数，有利于实现船舶的节能减排，降低船舶的运营成本。

1 系统数学模型

中央冷却系统由淡水系统和海水系统两部分组成，其结构简图如图1 所示。淡水系统对动力装置各设备进行冷却，使其温度保持在有效工作范围内［6］，而海水系统则利用低温海水对淡水进行冷却，使被冷却的淡水在淡水回路中循环利用。

图1 中央冷却系统结构简图

中央冷却系统的主要换热元件为中央冷却器，该冷却器的作用是将冷却系统的全部热负荷传递给海水，使整个系统达到热平衡。中央冷却器为板式冷却器，采用逆流换热方式，海水和淡水以相反的流动方向从热交换板两侧的空间流过实现热量的交换。

根据板式冷却器的换热原理［7］，分别对淡水侧和海水侧的换热过程进行数学建模。淡水侧的动态方程为

式中 tfi——淡水的进口温度/℃;

tfo——淡水的出口温度/℃;

mf——淡水侧流量/kg·s－1;

cf——淡水的定压比热容/kJ·kg－1·℃－1;

A——中央冷却器的换热面积/m2。

ΔT 为中央冷却器的平均温差，根据实际的换热原理，计算采用对数平均温差。其表达式为

式中 tsi——海水的进口温度/℃;

tso——海水的出口温度/℃。

中央冷却器的总传热系数K，可根据板式冷却器的传热过程［8］，由下式计算得到

f

－2

℃－1;

αs——海水侧的换热系数/kW·m－2·℃－1;

δ——板片的厚度/m;

λ——板片的导热系数/kW·m－1·℃－1;

γf——淡水侧的污垢热阻/m2·℃·kW－1;

γs——海水侧的污垢热阻/m2·℃·kW－1。

W1为冷却淡水侧的热容量，

计算表达式为

式中 Mf——冷却淡水侧的质量/kg;

Mc——冷却器换热板片的质量/kg;

Cc——换热板片合金的比热容/kJ·kg－1

·℃－1。

同理，海水侧的换热方程为

式中

W2——冷却海水侧的总热容量/kJ·℃－1;

ms——海水侧流量/kg·s－1;

Cs——海水的定压比热容/kJ·kg－1·℃－1。

2 系统变频控制方案

传统的中央冷却系统在选型设计时一般采用定速泵，虽然定速泵的控制和维护比较简单，但由于定速泵不能实现无级变速，其在运行时能耗较大［9－10］。随着航运界对船舶节能减排标准的不断提高和变频技术的日益成熟，变频泵在中央冷却系统中得到了推广和应用。为了实现系统在不同工况下的控制要求，需要制定相应的变频控制方案，使控制系统合理地调整海水泵的运行参数，并实现节能目标。

船舶工况的变化主要包括两种情况，分别为主机负荷的变化和海水温度的变化。当主机运行功率降低时，冷却系统的热负荷降低，所需的冷却水量减少，变频泵的能耗降低;当海水温度降低时，海水的冷却能力增强，也可减少所需的冷却水流量，降低变频泵的能耗。

为了保证各换热设备正常、可靠运行，需保证冷却水的进出口温度在一定范围之内，对于不同类型的船舶，温度要求略有不同。一般情况下，控制系统的受控参数为淡水三通阀出口温度和海水出口温度。控制三通阀出口温度，即保证了冷却淡水进入各换热器的温度恒定，确保各设备的正常运转。而监控海水的出口温度，原因在于如果海水温度过高，会导致海水流经的设备和管路出现大量结垢，从而降低冷却器的传热效率，影响设备的使用寿命。根据以上的控制目标，制定船舶在不同工况下的变频控制方案，如图2 所示。

图2 变频控制方案逻辑图

在图2 中，三通阀出口温度T1作为控制系统的主要受控参数，为了保证各设备正常运行，其温度保持在设定温度36℃。将船舶的工况参数输入到中央冷却系统的模型中，监测此时系统相应节点的运行参数。当T1超过设定的36℃时，表明系统冷却不充分，此时提高变频泵的频率，增加冷却水量;当T1小于36℃时，表明系统冷却过量，需要降低变频泵的频率，减少冷却水量。而变频泵的运行频率还要受到系统边界条件的制约。

海水出口温度T2以及变频泵安全运行频率作为保证系统稳定运行的边界条件。为了防止海水温度过高而发生大量盐析，当海水出口温度达到或超过安全界限值48℃时，海水泵不能再进一步降速，此时需要调节系统辅助控制量——三通阀开度来控制淡水的出口温度，通过减小三通阀开度，减少淡水进入中央冷却器与海水热交换的流量，可降低海水出口温度，此时为了使T1回到设定温度，需适当提高变频泵频率。与此同时，为了保证变频泵安全高效运行，达到足够的出口压力，其运行的频率值需高于最低安全频率f0。当变频泵频率降到f0时，不能再进一步降速，如果此时T1仍小于36℃，同样可以通过调节三通阀开度来控制淡水出口温度。

控制系统实时监测各个节点的受控参数，自动调节变频泵频率以及三通阀开度，通过循环判别，以满足相应的边界条件和控制目标，最终保证系统进入安全、平稳运行模式，并获得此时系统的运行参数。

3 系统仿真分析

结合前文所述的中央冷却系统的数学模型以及变频控制方案，对以某57 000 t 散货船中央冷却系统为原型的科研样机进行计算机仿真建模。

模拟试验采用的科研样机为某57 000 t 散货船中央冷却系统按照40∶1 缩比后的物理试验系统。该系统在设计工况时，海水入口温度为32℃，中央冷却器理论换热量为180 kW，冷却海水流量16 m3/h，冷却淡水流量12．5 m3/h。将各设备和元件的初始参数输入到模型中，建立该系统的动态仿真模型，如图3 所示。

图3 系统仿真模型图

为了验证该仿真模型的准确性，对该样机系统进行测试试验，试验周期以海水温度进行划分，以试验当季海水最低温度为起点，梯度递增至设计工况的32℃，以模拟船舶航行在不同海域的情况。实际试验时，选取9℃、17℃、25℃和32℃四个海水温度试验点。

样机试验的每一个海水温度测试点又分别选取船舶航行和进出港两类典型工况进行系统测试试验，记录各工况的主要运行参数数据，并与对应的计算机仿真结果进行比较。其中，冷却海水流量和变频泵功率对比趋势图如图4 和图5 所示。

图4 冷却海水流量对比趋势图

图5 变频泵功率对比趋势图

由图4 和图5 的对比趋势图可以看出，试验的数据结果基本位于仿真曲线附近，试验值和仿真值的吻合度较高。考虑到运行试验时，仪表的数据很难稳定，存在一定的波动，因此从总体上来看差异在工程允许范围内。通过以上趋势图可以看出，当主机负荷下降或海水温度降低时，系统所需的冷却海水流量减小，变频泵功率也大幅降低，而当工况点进一步下降时，由于受到控制系统边界条件的制约，海水流量和变频泵功率不再降低，基本保持在各自的极限位置。研究结果表明，该仿真模型可以实现中央冷却系统的变频自动控制，通过试验值和仿真值的结果比较，验证了仿真模型的合理性和正确性。

通过变频泵功率的对比趋势图可以看出，当系统热负荷下降或海水温度降低时，变频泵消耗的功率沿相应曲线下降，可实现无极、连续变化，节能效果比较明显。现模拟船舶在23℃海域稳定航行这一工况，为满足该系统的冷却要求，根据仿真计算可得此时所需冷却海水流量为6．7 m3/h，此时变频泵运行频率为14． 6 Hz，变频泵电机的能耗为0．39 kW。若该系统海水泵组以传统的配置方式采用三台定速泵，按3 ×50%方式配置，每台海水泵的排量为8 m3/h，则该工况下定速泵的能耗约为1．2 kW，则与原定速泵的方案相比，采用变频泵节能67．5%。该试验的样机系统是实船中央冷却系统的缩比模型，两系统结构和工作原理基本相同，其节能效果可以推广到实船上的系统，因此中央冷却系统采用变频技术，可以有效的降低船舶能耗。

4 结论

本文结合中央冷却系统的工作原理建立系统的动态数学模型，为了使船舶满足更高的能效标准，中央冷却系统采用变频技术，并运用动态仿真技术建立仿真模型对提出的变频控制方案加以实现，通过与样机试验的结果对比，验证了仿真模型的准确性。从仿真结果来看，海水泵采用变频泵可以有效的降低船舶能耗，对实现船舶的节能减排，提高船舶运营的经济性具有重要意义。

［1］陈绍纲，朱国伟，李渤仲，等．轮机工程手册［M］．北京:人民交通出版社，1992．

［2］郑玄亮，刘喜卫，曾庆谦．船舶中央冷却系统热平衡计算及程序仿真设计［J］． 船舶与海洋工程，2012(2):42 －46．

［3］陈伟智，张维竞，张小卿，等． 船舶中央冷却系统节能技术研究［J］．节能技术，2012，30(6):508 －511．

［4］李文蛟，刘晓红，詹宗勉．船舶中央冷却系统主海水泵变频自动调速系统的模拟试验及其节能研究［J］．大连海事大学学报，1996，22(1):33 －37．

［5］柳卫东，陈兵． 新造船能效设计指数及其对船舶设计的影响［J］．船舶工程，2010，32(2):17 －21．

［6］HANSEN M，STOUSTRUP J，BENDTSEN J D． Modeling of nonlinear marine cooling system with closed circuit flow［C］//Proceedings of the 18th IFAC World Congress，2011:136 －141．

［7］吴桂涛，任旭东，孙培廷．船舶主机缸套冷却水系统的建模与仿真［J］．哈尔滨工程大学学报，2003，24(4):376 －379．

［8］吴桂涛，孙培廷． 船舶中央冷却系统的热力计算数学模型［J］．大连海事大学学报，2002，28(1):13 －15．

［9］张王征，姜涛． 船舶主海水冷却泵变频控制的设计应用［J］．船海工程，2012，41(6):19 －22．

［10］罗雄麟，叶松涛，许锋． 离心泵变频控制对分支管路流量控制性能的影响分析［J］．化工自动化及仪表，2014，41(7):749 －753．