节能型船用冷水机组试验台研制

刘 岩，臧 军，方一格

（中船重工第七O三研究所无锡分部，江苏 214151）

节能型船用冷水机组试验台研制

刘 岩，臧 军，方一格

（中船重工第七O三研究所无锡分部，江苏 214151）

设计并建造了一套200万大卡制冷量船用冷水机组试验台。采用水箱温度分区、快速掺混和恒温出水的方法，在尽可能少利用外部能源输入的前提下，使冷凝热与制冷量相互抵消，实现试验台的节能设计。试验结果表明：试验台响应迅速、波动小、耗能低、控制精度高，温度控制精度达±0.1℃，水流量控制精度达±0.4%。

船用冷水机组试验台；节能；试验研究

0 引言

随着造船技术的不断提高和船舶行业的迅猛发展，船用冷水机组的需求在不断扩大，机组容量和技术水平也在不断提高，这就对机组的测试技术和试验装置提出了更高要求。传统的水冷冷水机组试验装置是选择两套独立的水系统控制策略，配置与冷凝器产生的冷凝热和蒸发器产生的制冷量相等量的冷源和热源加以平衡，能量消耗很大，尤其对于大型机组，能耗是制冷量的2～3倍。研制一套节能型船用冷水机组试验台对推动船用冷水机组的性能改进和产品开发具有现实意义。

1 试验台设计

1.1 节能设计原理

冷水机组试验台设计充分考虑机组自身冷热平衡特点，采用单水箱闭式循环系统，并对水箱进行温度分区，将冷凝热和制冷量分别在水箱内进行能量交换，降低了外部能源的输入，节省能源消耗。根据能量守恒原理，冷凝热平衡掉制冷量后多余的热量即为压缩机输入功转化的热量，试验系统仅需配置相对应的冷源平衡该部分热量，就能实现冷水机组的性能测试，与传统测试方法相比，能节约大量的能源。

1.2 系统回路设计

试验台采用单水箱闭式循环，由冷冻水回路、冷却水回路、兑水回路及负载调节回路组成。冷冻水回路与冷却水回路相对独立，通过兑水回路将蒸发器产生的制冷量间接地在调温水箱内与冷凝器产生的热量进行热质交换，调温水箱内多余的热量由负载调节回路平衡。如图1所示，为试验台原理图。

图1 冷水机组试验台原理图

冷冻水回路与兑水回路间采用公共平衡管 AB连接，将冷冻水流量控制和温度控制分离，冷冻水回路通过变频泵控制流量，而兑水回路通过电动调节阀调整兑水量的多少控制冷冻水温度变化，使冷冻水流量和温度处于相对独立控制状态，降低了两者间的耦合干扰，如图2所示。

图2 流程布置图

此外，调温水箱通过负载调节回路为冷却水回路提供了一个温度恒定的水源，来维持稳定的冷却水试验工况。同时兑水回路的存在使冷却水回路与冷冻水回路处于独立的水循环状态，避免了两回路中大量冷热能量在有限的闭式系统内快速掺混导致振荡现象的产生，使整个系统能迅速、稳定地控制。冷却水回路流量也采用变频流量控制。

2 试验工况的精确控制

2.1 水温的恒定控制

根据船用冷水机组试验大纲规定，无论冷却水进水温度还是冷冻水的出水温度均需要控制在工况点稳定运行。通过建立水温控制模型及传递函数的模拟调节，得出可以通过PI控制器的调节实现恒温出水，详见文献[7]。

试验台采用计算机实时控制技术，应用PI控制器，建立水温闭环负反馈控制系统，如图 3所示，其中执行机构、被控对象和测量变送装置为试验台测试系统中电动调节阀、通流量和PT100温度计等。

图3 计算机控制系统机构图

测量装置一般为数据采集模块，每隔一定的采样周期对被控对象的某个参数进行一次数据采集，PI控制器的输入为给定值和实际值的偏差e，输出值经过相应的数/模转换后传递给执行机构执行相应的控制量，目的为消除偏差e，使其趋向于0，从而达到水温自动化稳定控制的目的。

2.2 变频流量控制

传统的流量控制方法采用调节阀控制，其实质是在水泵电机转速恒定的状态下，通过调节阀开度的大小改变回路的阻力特性，从而控制回路的流量，如图4所示。但该过程中水泵发生了明显的非线性变化。

图4 系统流量调节原理

图5 阀门流量与阀权系数之间的关系

变频流量控制中不存在调节阀，回路的阻力特性是固定的，当水泵频率改变时，流量随即发生变化。从图 5可看出，流量与频率的关系几乎是线性的，这对提高系统流量的控制品质十分有益。同时变频流量控制可降低水泵 30%左右的扬程，降低了水泵的装机容量和运行能耗；在低负荷情况下，与带有调节阀的系统相比，节能幅度更大。

3 试验结果与数据分析

3.1 试验台能耗分析

对200万大卡制冷量船用冷水机组进行试验测试，配置了1160kW的冷源及100kW调节热源。试验结果表明：在额定工况下，机组冷凝器侧产生热量为2880kW，蒸发器侧产生了2320kW的冷量，试验台负载实际投入冷量580kW，热量45kW，稳定运行。负载实际输入能量 625kW，而采用传统测试方法需分别输入2880kW冷量和2320kW的热量，与之相比，节约了4600kW输入能量，接近2倍机组的制冷量。

3.2 试验台效率分析

对图6、7中冷水机组在额定工况和变工况下分别达到稳定运行的效率曲线进行对比分析，得到机组运行效率数据，见表 1所示。数据表明，该试验台响应迅速，能在较短时间里达到稳定运行，大大缩短了测试周期，节约了能耗及运行成本。

图6 名义工况运行曲线图

图7 测试系统变工况运行曲线图

表1 运行效率数据表

3.3 试验台控制精度分析

3.3.1 温度控制精度分析

图 8为测试系统连续稳定运行曲线图。可看出，冷水机组在额定工况下连续稳定运行时，测试系统中冷却水进出口水温、冷媒水进出口水温均在±0.3℃内波动，实际控制精度达±0.1℃。

3.3.2 流量控制精度分析

由图8所示，冷却水流量曲线3和冷冻水流量曲线6始终在(600±2)t/h和(500±2)t/h的范围内波动，流量的实际控制精度可达±0.4%。

图8 测试系统连续稳定运行曲线图

4 结论

介绍了节能型船用冷水机组试验台的设计原理，阐述了试验台各回路设计方法及控制方案，并通过机组实际运行对试验台能耗进行分析，得出了 200万大卡制冷量的冷水机组测试仅需625kW能量即能实现测试，减少了试验台负载建设容量，降低了机组运行成本，提高了试验台的响应速率和测试效率，实现了节能设计的初衷，达到了良好的节能效果。

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Development of Energy-saving Marine Water Chillers Testing System

LIU Yan, ZANG Jun, FANG Yige
(Wuxi Division, No.703 Research Institute of CSIC, Jiangsu 214151, China)

A set of 200 million calories cold quantity of marine large water chillers testing system was designed. On the premise of minimum use of external energy input, test system using design methods of tank temperature subdivision, rapid blending and thermostatic backwater, which makes the condensing heat and refrigerating capacity offset each other, realizes the energy save of testing system design. The test results show that the testing system has a quick response, fluctuation characteristics of small, low energy consumption, high control precision and temperature control precision of ±0.1℃. The water flow control accuracy reaches 0.4%.

marine water chiller testing system; energy saving; experiment study

TB65

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.01.012

刘岩（1982-），男，硕士研究生。研究方向：舰船设备测试。