变频控制技术在3 600TEU集装箱船的应用

初建树, 殷宗学, 刘金媛

(中远船务集团工程有限公司， 辽宁 大连 116600)



变频控制技术在3 600TEU集装箱船的应用

初建树, 殷宗学, 刘金媛

(中远船务集团工程有限公司， 辽宁 大连 116600)

航运业的发展造就了船舶行业的进步，但是随之而来的海洋和大气污染问题也逐渐引起各国人们的关注。以新技术、新能源为基础的绿色船舶概念正逐渐进入人们的视野。着重介绍了3 600TEU集装箱船中变频控制技术的使用和节能效应。

绿色船舶 变频控制 集装箱船

0 引言

绿色船舶的提出由来已久，海洋环境的保护已越来越受到人们的关注。随着航运业的发展，船舶逐渐成为海洋和大气的主要污染源之一。因此，国际海事组织IMO近些年不断推出新的更高的要求，以强制性公约、规范等形式加强对海洋环境乃至大气环境的保护。这些要求在很大程度上影响了船舶的设计和建造理念，决定船舶市场的竞争力。绿色船舶是指采用相对先进的技术，能在生命周期内经济地满足其预定功能和性能，同时实现节约资源和能源、减少或消除环境污染，并对操作和使用人员具有良好保护的船舶。

本文主要从电气变频控制技术方面对船舶节能减排进行分析介绍，以在建3 600TEU集装箱船设计为例，简要剖析变频控制技术对该型船舶节能环保所起到的积极作用。

1 变频控制技术的优点

目前，变频控制技术在工业中的应用十分广泛，主要应用于各行业旋转类设备的调速中。此技术通过对电能的电压、电流、频率和相位进行变换，使设备运行在相对高效、节能、平稳的状态，可以降低能耗，延长设备使用寿命等。随着人们节能环保意识的不断加强，变频控制的应用也越来越普及。在航运和船舶领域，随着各种强制性公约、规范的不断实施，绿色船舶和智能船舶概念不断提出，变频控制技术的使用也出现了大幅度的增长，局部系统变频设备的使用比例越来越高。其主要的效益表现在三个方面：(1) 节能提效；(2) 无级调速；(3) 提高系统自动化程度。

2 变频设备控制的主要方式

通常情况下，变频设备通过传感器采集温度、压力或流量的采样信息，然后将采样信息反馈到控制系统，通过控制系统对变频器的控制最终达到控制泵和风机的目的。其控制方式主要包含以下三种。

2.1 温度T(温差ΔT)控制

将冷却水出口温度、供水总管供水温度或者回水温差等作为控制器的信号采样输入。将该输入采样值与温度设定值进行比较，得出输出信号，并传送给控制器(变频器)以控制泵或者风机的转速，最终，使冷却水的流量或者水管温度满足系统要求。其基本的闭环控制图如图1所示。

图1 温度闭环控制

从图1中可以看出，温度控制的时效性可能会比较差，环境温度对传感器采样的精确性有影响。所以一般情况下，在船舶设备控制中，温度控制通常在通风系统中使用，通过比较采集环境温度和设定温度的温差实现对风机的变频控制。

2.2 压力P(压差ΔP)控制

压力控制是通过传感器采集管路上的压力信号，以设定值与采集信号压差作为变频控制器的输入值，从而改变泵的转速。当管路负载发生变化时，相关管路上的阀门开度变化引起管路压力变化，控制系统监测到该处压力变化后，按照预先设定的程序计算出偏差ΔP,最终产生输出信号以控制水泵电机转速。其基本的闭环控制图如图2所示。

图2 压力闭环控制

从图2中可以看出，基本的闭环控制逻辑同温度控制是一致的。但是在实际的变频控制中，制约的因素多样、采集的信息源很多，最终的控制逻辑往往比较复杂。

2.3 流量F控制

流量控制主要是通过实际检测水量或风量来调节水泵或风机，从而达到供需平衡。但在实际的船舶系统控制中，对管路和风道有严格的规范。在实际的控制系统中，仅仅通过流量控制很难达到控制要求，所以流量信息采集更多是以辅助温度和压力控制的方式出现在整个控制系统中。

3 变频控制技术在3 600TEU集装箱船的应用

3 600TEU集装箱船在变频技术的使用上几乎涵盖了所有重要系统，如主冷却系统、货舱通风系统、机舱通风系统、燃油系统、冷藏箱系统等。

在主冷却系统中，系统的控制功能中共包含了六种控制方式，分别为：(1) 中央冷却器出口温度控制；(2) 低温淡水冷却器温度控制；(3) 空气冷却器温度控制；(4) 低温淡水流量控制；(5) 高温淡水温度控制；(6) 低温冷却器温度控制。

以中央冷却器出口温度控制为例，其控制的主要方法是通过调节两台主海水泵的泵速(频率)，保持海水出口温度最大不超过最高设定温度48℃， 同时确保ME SAC(淡水空冷器)不超过10℃。

图3 中央冷却器温度控制

从图3可以看出，假设入口三通阀FW 107(Mark3)全打开且淡水冷却器ME SAC(Mark6)温度设定超过10℃，这时主海水泵(Mark1)NO.2和NO.3的泵速将逐渐增加以提升冷却淡水通过中央冷却器的流量，通过调节泵速来调节冷却水换热量，将ME SAC的温度维持在设定值以下。

当ME SAC的温度降低后，主海水泵泵速逐渐降低，同时保持主海水泵出口温度(Mark1位置)不超过48℃。如果ME SAC的温度降低且最终低于10℃，主海水泵也将会逐步降低泵速，最终保持泵转速大于最低泵速。综上所述，当海水泵出口温度和ME SAC的温度均低于其设定温度时，主海水泵将维持最低转速运行。

可以看出，主冷却系统的温度控制最终体现在泵速的调节上，通过泵速的调节达到换热的目的，最终将温度控制在设定值以内。在上述控制中，主要有两个定量，分别是主海水泵出口设定最高温度48℃和ME SAC设定最高温度10℃。同时还有两个变量，分别是主海水系统出口实际温度e1和ME SAC实际温度e2。 通过检测温差e1和e2，将差值反馈到中央控制系统，通过中央控制系统设计的PID控制程序调节海水泵泵速进而调整温差。泵速与温差差值e呈正比。

泵速增加： e1> 0 或 e2> 0；

泵速不变： e1= 0 和 e2= 0；

泵速减低： e1< 0 和 e2< 0。

其自动控制逻辑如图4所示。

图4 主冷却系统温度控制

因为该系统为变频控制，所以其泵速可以从最小速度调节到100%转速，对应的控制信号为4 mA～20 mA。从中控系统发出到变频器，设定范围为最小转速对应4 mA(42%转速)， 最大转速对应20 mA=100%转速。通过对泵的变频控制，系统可以将温度保持在设定值附近，保持泵的平滑启动，并控制速度变化，这和常用的主冷却控制系统有很大的不同。主要区别如下：

(1) 常用的主冷却系统泵转速保持不变，过量的冷却水需要通过温控阀和三通阀排出回路，这样虽然可以保证主冷却系统功能的使用，但排出的冷却水却造成了比较大的浪费。

(2) 常用的主冷却系统泵的启动电流比较大，即使采用降压启动也只能减小一部分启动电流，但却是以牺牲功率为代价的。所以，频繁启动不仅会对电动机本身造成影响，也会浪费功率。

(3) 变频控制启动时马达可以从最小转速逐步启动，启动电流小，启动平滑，对电网冲击小，可以减小发电机常备负荷，从而减少燃料的使用，降低排放，实现绿色环保的目的。 图5为常用主冷却系统和在变频控制下主冷却系统中泵能量损失的大致区间。

图5 主冷却系统泵能量损失对比图

从厂家提供的相关统计数据也可以看出，当系统通过冷却水流量控制温度时，系统流量为可变量，使用常规温控阀改变流量的方式其能耗接近使用变频控制系统能耗的一倍，当流量需求越低即泵速越低时，变频控制系统消耗的能量越少，如表1所示。

表1 能耗统计

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4 结语

相较于传统常规的工业控制变频控制在节约能源、增加设备效率等方面具有积极的意义。如今在全世界积极提倡和推广绿色船舶、智能船舶的概念，对船舶节能减排、绿色环保、控制温室气体排放等方面提出了更高的要求，未来变频控制技术在船舶工业领域将会有更广阔的发展前景。

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Application of Frequency Control Technical on 3 600TEU Container Carrier

CHU Jian-shu, YIN Zong-xue, LIU Jin-yuan

(COSCO Shipyard Group Co., Ltd., Dalian Liaoning 116600, China)

The development of ship industry improve ship building industry, but the sea and atmospheric pollution caused more and more focus from different countries. So the concept of green ship based on new technical and new energy resource will step into the view of people. The utilization of variable speed/frequency control technical and energy saving in 3 600TEU container carrier was introduced.

Green ship Frequency control Container carrier

初建树(1982-)，男，工程师，研究方向为支线集装箱船舶、智能船舶电气。

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