海水冷却变频控制系统的设计与应用

王彦朋　宋晓波　雷明鸥　黄玲

摘要：本文以某集装箱船海水冷却变频控制系统的设计应用为例，介绍了海水冷却变频控制的原理、海水冷却变频控制系统的设计和安装。

关键词：海水泵；中央冷却系统；变频器；应用

1.引言

随着船舶航运业竞争日益激烈以及社会对环保认识的提高，节能减排已成为世界关注的问题。在新造船项目中，节能技术的应用也越来越受到船东的关注。常规中央冷却系统一般按照最大工况需求来设计，实际使用过程中，往往出现“大马拉小车”现象，油耗浪费较大。目前，变频控制技术已经非常成熟，产品成本也在不断下降。为此，通过变频控制技术优化中央海水冷却系统成为可能，并且通过优化设计可以提高船型的智能化程度，降低了船舶的运营成本。

2.海水冷却变频控制原理

目前，船舶普遍采用常规中央冷却系统设计，它由冷却海水泵、中央淡水冷却器、冷却淡水泵、自动三通温控阀以及被冷却设备等组成。海水通过海水泵进入中央冷却器，作封闭循环的冷却淡水通过中央冷却器被海水冷却，然后冷却淡水经淡水泵输送至各设备。冷却淡水通过自动三通温控阀的调节，将淡水温度控制在36℃。常规中央冷却系统原理，见图1。

一般常规的中央冷却系统设计是以满足全球航区内海水温度最高时的冷却需求来设计的，通常海水设计温度为32℃，不管海水温度如何变化，海水泵都是以额定转速、恒流量为中央冷却器提供冷却海水。但是在不同的季节及海域，海水的实际进口温度往往远低于32～C，根据热交换原理，实际所需的冷却海水量可以相应降低，海水流量过度造成能源浪费较厉害。

为了把这部分能量节省下来，海水流量可以根据海水温度的变化进行调节，当海水温度降低时，降低海水流量，维持固定的海水冷却量；当工况发生变化时，热负荷会增加或减少，实际所需的海水冷却量也会相应调整，可以通过调节海水流量达到降低能耗的目的。海水流量、热负荷及海水温度之间的關系，见图2。

海水冷却变频控制系统是采集海水进出口温度、海水进出口压力、中央冷却器淡水进出口温度，根据海水冷却量需求，通过控制单元模块逻辑分析计算出最佳的泵转速，并将信号转换成模拟信号输出给变频器，调节海水泵转速，达到调整海水流量的目的，实现能源的高效利用。

3.海水冷却变频控制系统构成

根据2 200TEU集装箱船中央冷却系统设计要求，海水冷却变频控制系统硬件配置主要包括6个部分。

3.1本地控制箱

本地控制箱安装有PLC及DYDO.AFAQ模块，通过逻辑分析采集到的各种压力、温度信号以及变频器反馈回来的信号，采用PID恒温控制方式，计算出最佳泵转速，并将泵转速转换成模拟信号输送给变频器；记录保存泵实时转速变化，并形成直观的曲线图；积累海水泵运行数据，统计汇总海水泵的节能情况并形成报表；监控整个系统运行情况，并将报警信号发送给机舱监测报警系统；对各种极端工况做出保护设置，使整个系统安全可靠，达到最佳的节能效果。

3.2人机界面（触摸屏）

海水冷却变频控制系统最直接的显示与操作界面，集中显示所有海水泵的相关数据，包括转速、功率、压力、运行状态、控制指令等；具有各种海水泵参数、变频器参数、温度参数、冷却器参数设置功能。

3.3变频器

海水冷却变频控制系统的驱动单元接收本地控制箱的命令信号，对海水泵转速进行速度控制以便调节海水流程，同时将海水泵的实际运行速度实时反馈给PLC主控单元，便于信息收集；本地控制箱失效的情况下，可以在变频器本地手动启动海水泵，并设定手动设置海水泵的转速。

3.4海水泵出口压力开关

采集海水泵的出口压力信号，作为海水泵故障判断条件之一。

3.5压力传感器

采集板冷进口压力，用于保护板冷工作压力。

3.6海水进出口及淡水进出口温度传感器

控制逻辑的感应原件，最直接反应调速效果。

4.海水冷却变频控制系统设计注意事项

中央冷却系统是船舶主机、辅机等关键设备运行的先决条件。如果中央冷却系统瘫痪，主机、辅机等重要设备将无法运行，所以海水冷却变频控制系统的设计需要将安全可靠性放在第一位，为此：

4.1系统冗余设计，增加安全可靠性

在海水冷却变频控制系统设计中，需要强调系统冗余设计，确保系统在单个或多个故障的情况下，仍可保证船舶正常航行。

4.2操作权限设置

海水冷却变频控制系统与常规中央冷却系统在海水泵起停控制设计上存在较大区别。按照原常规设计，海水泵有机旁起停操作和集控室起停操作两个操作位置；而海水冷却变频控制系统，操作位置有集控室的人机界面、变频器、本地控制箱、机旁多个操作位置，再加上海水泵有自动或手动两种操作模式，所以海水冷却变频控制的起停控制需要特别设计，使各操作位权限分明、分配合理，避免出现控制操作混乱。

启动操作控制流程，见图3。

（1）在本地控制箱设置遥控，本地选择开关，通过选择开关来决定是人机界面（触摸屏）控制还是机旁按钮盒控制；机旁按钮盒含启动、停止、运行指示，“Remote”模式时只能在HMI界面上操作，反之在“Local”模式时只能在泵的就地按钮操作泵的起动，停止；

（2）本地控制箱具有最高权限，控制箱上设置每台海水泵的遥控/本地选择开关，还设置了应急停止按钮；各泵的运行指示灯、空间加热器指示灯，在PLC正常状态下都可以在本地控制箱应急停止所有海水泵；

（3）变频器的权限：在变频器上“Hand on”起动泵时，它是不需要PLC的控制与支持，因此在PLC发生故障情况下，可以在变频器上紧急起动海水泵。并且，在这种情况下变频器是不受本地控制箱上应急按钮控制，所以应急按钮只能在变频器的“Auto”模式下、在PLC正常工作时，才会起作用。

4.3安全保护设计

（1）试验标明，海水在冷却过程中温度升高，如果达到50℃～55℃则会引起海水的大量析盐，造成管路和冷却器内积垢严重，影响传热效果和损害设备。因此，需要对海水出口温度进行控制。当海水出口温度达到45℃设定值时采取保护措施，加大海水流量，并输出报警值；

（2）淡水在柴油机进出口的温度反映了柴油机的冷却状况。淡水出口温度过高或过低都不合理，出口温度过低则表示柴油机部件热损失过大，降低热效率，且气缸壁等部件温差太大，使热应力增大，容易产生破裂、磨损、腐蚀；但如果出口温度过高，则表示冷却效果不理想，气缸壁等部件因表面温度过高而使缸内滑油易蒸发和变质，破坏滑油油膜，加剧部件的磨损、老化等。因此，对淡水进出口温度设置上下限，当温度接近設定值时采取保护措施，并输出报警。一般淡水出口温度上限设定为55℃，进口温度设定为34℃；

（3）在调速过程中，泵的转速不能太低，否则容易导致电机效率较低，引起无用功损耗增加，并且考虑到中央冷却系统的重要性，需要确保中央冷却最低进口压力，海水泵最低转速设置为30 Hz。

4.4海水泵启动顺序和海水泵切换的设计

海水冷却变频控制系统通过PLC自动采集记录海水泵运行时间。通过触摸屏可以设置三台海水泵优先启动顺序，并以设置海水泵运行多长时间以后进行自动切换，确保三台海水泵整体运行平衡，避免单台海水泵长时间运行发生故障。

5.海水冷却变频控制系统的注意事项

（1）海水泵变频器应尽可能靠近海水泵布置，以便尽可能缩短变频器到马达的电缆长度，避免采用变频电缆；

（2）从变频器到马达的电缆需要单独设计电缆路径，与其它电缆尽可能分开敷设，避免产生电磁干扰问题。

6.结语

海水冷却变频控制系统不仅取得很好的节能效果，还改善了中央冷却系统的运行工况，提高了系统的自动化程度及安全可靠性；海水泵通过降速运转，有利于降低海水泵发生汽蚀的可能性，减少磨损，延长海水泵等冷却设备的使用寿命，降低了故障率；通过海水冷却变频系统智能化的设计，使船员对中央冷却系统的管理简单方便，减少船员的劳动强度，设备维护工作也更人性化、合理化。

面对当前航运市场低迷，竞争日益激烈的情况下，降低油耗成本和维护成本已成为船东越来越关注的问题。在新造船项目中，海水冷却变频控制系统的应用必将增强船厂的竞争力。