63 500 t散货船海水泵节能设计及应用

金文刚

(新大洋造船有限公司,江苏 扬州 225107)

0 引言

进入二十一世纪以来，能源危机和气候变暖正成为全球性的难题，船舶作为世界贸易运输的主要载体，能源消耗和排放巨大。国际海事组织近些年不断推出的包括船舶能效设计指数、限制氮排放物和硫排放物的规则等，旨在进一步降低能耗，减少污染，促使船舶设计和建造更加关注节能和环保。

商业运输船舶的冷却水系统通常设计为中央冷却水系统，其原理是利用海水泵输送海水进入中央冷却系统来冷却淡水，被冷却后的高低温淡水再去冷却相关负载，包括主机、发电机等重要船用设备。目前常规设计中，海水泵恒定运行在最大工况，即满足船舶在热带32 ℃的水温下满负荷的全速航行，并未考虑相关变化因数。

事实上，无限航区船舶跨越的纬度较大，四季变换时海水的温度变化也较大。同时，船舶因港口、货运及海况等原因，主辅机的负荷也变化不一，因此海水泵很多时候并不需要满负荷运行。针对上述现状，有必要设计一种随着海水温度和船舶负荷变化调节流量的冷却水系统方案，以节省电能并降低燃油消耗量。随着变频驱动技术的发展，通过将此技术运用于船舶海水泵控制，能达到去除冗余设计，实现按需调节海水流量，满足冷却水系统运行的目的。本文以63 500 t散货船海水冷却系统为研究对象，在分析船舶中央冷却水系统和海水泵调速原理基础上，提出在中央冷却水系统主海水泵上增加变频控制功能的改造设计方案。

1 船舶中央冷却水系统介绍

1.1 工作原理

63 500 t散货船的冷却水系统为中央冷却水系统，其原理图见图1。该系统采用2台中央冷却器，每台承担50%的最大冷却量。海水侧配置了3台使用功率各30 kW的离心式海水泵，正常工作时同时使用2台泵，备用1台，具备故障自动切换功能。经过海水泵运转，海水从高位海底门或者低位海底门进入，作为冷却介质进入冷却器与低温淡水进行热交换后，直接由海水管路排至舷外。

图1 冷却水系统原理图

1.2 海水侧和淡水侧的流量控制

原设计中，海水侧通过海水泵出口管路上的阀门或加设节流孔板来调节流量。这种方式通常无法保证系统的稳定性，控制精度不高，而且不可避免地会造成较大的漩涡和局部撞击，也就是局部损失。中央冷却器淡水管一侧，在淡水出口总管上设置了1只按照负载冷却量变化进行自动调节的电动三通温控阀，该阀由船舶集控室进行控制和设置。在保证泄漏量的前提下，该阀按照反馈信号自动实现流量分配，稳定进行温度控制。

1.3 海水泵电机启动和运行方式

原设计中，3台海水泵电机的额定电流均为50 A，采用星三角启动方式。实际测量显示，电机瞬间的启动电流约175 A。考虑到发电机容量只有680 kW, 这样高的电流会瞬间冲击电网并影响电机的使用寿命。同时，启动时的机械冲击力和水泵突然停止时的水锤效应会对阀门和管路等造成破坏，增加机械设备长期安全使用的风险。

2 海水泵的调速原理

2.1 海水泵的特性

离心泵工作平稳，流量连续均匀，适用流量范围大，转速高而且易于调节。离心式海水泵的调速基于泵的相似性原理,即泵的转速与流量、扬程、功率成一定正比，关系如下：

Q/Q0=n/n0H/H0= (n/n0)2

P/P0= (n/n0)3

(1)

式中：n0、Q0、H0、P0分别为水泵在额定工况下的转速、流量、扬程、功率；n、Q、H、P分别为水泵在实际工况下的转速、流量、扬程、功率。

由此推算得出，如果海水泵流量由100%降为80%，根据式(1)推出，则水泵的轴功率仅为额定功率的51%，理论上节省49%的电量，节能效果很明显。设计过程中，还要参照泵的特性曲线进行合理选择。

2.2 变频控制的特性

船用海水泵大多采用三相交流异步电动机，其转速原理的表达式如下：

N= 60f(1-S)/a

(2)

式中：N为电机的转速，r/min；f为电机的电源频率,Hz；S为电机转差率；a为电机定子绕组极对数。

由此可知，当转差率S恒定，改变电机的频率f时就可改变电机转速。尽管改变定子频率会导致磁通扰动变化，并带来不良影响，但现代变频技术的发展，则很好地解决了这个问题。交流异步电机变频调速主要有矢量控制型和脉冲宽度调制型两种。

尽管变频调速可以有效降低转速，但也不意味着可以无限降低。从电机的角度来讲，转速的降低会导致比转速的减少，从而导致电机效率和变频器的效率降低。从管路系统设计来讲，冷却水系统需要最低流量的保证，所以选择合理的调速范围非常重要。

3 节能控制方案设计

3.1 节能控制系统的工作原理

该船中央冷却水系统的主海水泵增加变频控制的功能，遵循反馈—运算—控制—调整的原则，通过监测海水温度和冷却淡水温度的变化实现对主海水泵负荷的自动调节。此节能控制的改造设计方案见图2。

Tf—淡水侧淡水温度；Hf—淡水压力；

3台海水泵均由变频控制，任意2台泵主用，另1台泵作为备用。每台泵额定流量为50%的总设计流量。方案是以淡水侧淡水温度Tf、淡水压力Hf、海水侧的海水入口温度TS与海水进口压力HS作为输入的核心控制信号，同时结合低温水三通控制阀的开度指示4～20 MA信号作为反馈参考和修正，形成了完整的冷却水系统输入信号。基于这些信号的参数经过控制单元的计算处理后，对比预设定的数值，发出信号控制海水泵变频器，对主海水泵进行自动无极调速以满足各种工况下的海水流量，这样的控制系统也形成了稳定的闭环控制。

当检测到海水温度降低或者冷却淡水温度降低时，海水泵会被降低频率，实现减小海水流量的功能；当系统中海水温度或冷却淡水温度升高时，海水泵会被升高频率，实现加大海水流量的功能。

3.2 海水泵变频控制的流程

海水变频控制的流程是系统在一定范围内，基于信号反馈不断比较和自动调整的过程，流程图见图3。供电后变频器开始运行，给出信号启动海水泵，海水泵达到预设定的最大转速运行，通过冷却淡水侧温度传感器反馈的实际温度值来比较是否低于设定值。如果温度高于设定值：则提高泵的转速直至全速；如果温度值低于设定值，则说明海水冷却能力过剩，需要降低海水泵的转速来匹配温度值。如果是2台海水泵同时运行的话，流量低至1台泵的额定流量，则可以停掉其中1台泵。

流量稳定后，当冷却负载的负荷变化时，系统通过控制单元，将程序内设定的冷却淡水温度值来对比实际冷却淡水的温度。如果高于设定值，则说明海水冷却能力不足，则变频系统会相应提高泵转速和海水流量；如果低于设定值，则变频系统会相应降低泵转速和海水流量。同时，系统也会根据海水的温度，换算出相应换热量，从而调节泵的流量。循环该过程能根据负荷情况和海水温度将海水泵运行在最经济的状态。同时，系统能实时监测热交换器海水出口温度。当海水出口温度高于50 ℃时，海水会有大量盐晶体析出，在管路中影响冷却能力。

图3 冷却系统自动控制流程

该变频控制系统在配电板的海水泵启动器上还设置有手动旁通功能，旁通转换后，就恢复到非节能的星三角控制运行状态。3台泵也能实现备用泵的切换控制。当压力开关检测到压力低于限值，备用泵启动。根据设定，3台泵可并行7～10 s，再停止压力低的故障泵，同时发出报警信号并输出至监测报警系统。经过检查排除故障后，该泵才能够恢复到备用状态。

3.3 海水泵变频节能设计的参数推算

要实现海水泵的变频控制，首先必须掌握所需冷却设备在各种工况下所产生的热负荷以及淡水热平衡量；然后根据热平衡计算，得出海水泵需要提供多少海水流量来满足整个系统的冷却需求。下面以目标船中央冷却水系统热平衡计算进行相关参数推算分析。

本船选用阿法拉伐提供的板式换热器，板片为钛合金材料。

按照其设计原理，传热基本方程式为：

Q=KA△T

(3)

式中：K为换热器总传热系数，W/(m2·K)；A为总传热面积，m2；△T为换热介质的平均温差，℃。

根据热平衡方程，计算对数平均温差△T：

△T=[(t0-T1)-(t1-T0)] /ln[(t0-T1)/

(t1-T0)]

(4)

式中：t0为淡水进中央冷却器的温度，℃；t1为淡水出中央冷却器的温度，℃；T0为海水进中央冷却器的温度，℃；T1为海水出中央冷却器的温度，℃。

中央冷却器中淡水侧与海水侧的热平衡方程式如下：

t0=t1+3.6C/(GCdρd)

(5)

T1=T0+3.6C/(QChρh)

(6)

式中：C为热交换总量，kW；G为淡水流量，m3/h；Cd为淡水比热，kJ/(kg·℃)；ρd为淡水密度，kg/m3；Q为海水流量，m3/h；ρh为海水比热，kJ/(kg·℃)；Ch为海水密度，kg/m3。

在实船中央冷却系统设计中，冷却介质只有淡水和海水，其比热、密度均为已知量。冷却淡水的总流量和总热量通常由各主要设备供应商给出。主机、辅机、空调、大气冷凝器、滑油冷却器、空压机等主要设备在船舶正常航行和低速工况下最大需求热交换量和冷却淡水流量分别为6 917 kW、427 m3/h，最小需求热交换量和冷却淡水流量分别为2 076 kW、209 m3/h。根据热平衡计算得出海水泵的流量至少为543 m3/h，船厂最终选定海水泵的额定流量为280 m3/h。

在中央冷热器热交换面积和冷却淡水流量不变的情况下，各设备在不同工况下的热交换量值和海水温度值不同，海水所需的实际流量也相应减少。从正常航行工况和低速工况下热平衡计算可以得出每台海水泵的实际流量范围约为125～272 m3/h。据此，泵工作流量的变频范围系数可设定为50%～100%。

由于海水泵额定流量为280 m3/h，根据计算，得出管路的进出口压差为0.25 MPa，再结合不同转速下的流量、扬程数据，绘制扬程、流量与效率曲线，见图4。

图4 不同转速下扬程/流量、效率/流量的特性曲线

4 变频节能方案的能效分析

4.1 变频节能方案对船舶能效设计指数的影响

EEDI指数是衡量船舶能效水平的指标, 是根据二氧化碳(CO2)排放量和货运能力的比值来表示船舶的能效。根据EEDI指数公式计算，63 500 t散货船未使用海水泵变频方案时的能效设计指数为3.940 6；使用海水泵变频方案后，EEDI指数为3.898 5，下降了0.042 1。EEDI指数的数值越低，说明船舶更加环保节能。因此，该节能装置的使用也是优化EEDI指数的有效手段之一。

4.2 变频节能方案收益推算分析

该海水泵变频节能方案，使船舶营运具有很高的投入产出比，经济效益较好。从上述可知， 63 500 t散货船的海水泵在定速设计工况下，2台运行功率共为60 kW。根据交船后相关航运数据来设定，航行工况以经济航速占比约50%，低速航行约占20%来计；以全年海上航行天数250天计，春夏季与秋冬季各航行125天；春夏季和秋冬季的海水平均温度分别为25．5 ℃和14 ℃。综合温度和工况，海水泵所需的功率值分别为51.2 kW和38 kW，故使用该海水节能装置的总用电量约为：

P1=267 600 kWh

使用该海水节能装置前运行250天，总用电量约为：

P2=360 000 kWh

从上述数据对比可知，使用变频节能方案后，一年可节省的电能达到92 400 kWh。按照辅机的单位燃油消耗量193 g/kWh和低硫柴油市场价6.8元/kg计算，一年可节省约121 000元。海水变频控制方案的前期投资不算太大，综合估算，一般安装该节能装置营运2年左右即可收回整个投资，效益非常明显。随着现代船舶的大型化，大功率海水泵的使用，变频节能系统的经济回报越发明显。

5 变频装置安装使用的要点

该船冷却水系统变频节能控制装置的单元组成包括组合控制屏、安装于配电板上的启动单元、安装于集控台上的触摸屏遥控单元，以及安装于管路上相应的温度和压力传感器等，组成单元见图5。全套设备由厂家打包提供，所有组件的安装使用正确与否对于系统的稳定运行至关重要，在前期的设计过程中应注意下列要点：

图5 节能控制装置组成单元

(1)组合控制单元应安装于通风良好的机舱处所或者有空调送风的独立舱室。

(2)组合控制单元含有变频装置，其自带风机噪声大，尽量不要安装在集控室。

(3)变频器在工作中易于产生电磁干扰。变频电缆的敷设要和其他电缆分开，特别是通信电缆，防止干扰其他系统的正常工作。

(4)变频器通电前，应确保关闭前盖、电缆盖以及机柜门。对电缆和电机做任何测试前，应将变频电缆和变频器断开。

(5)集控台上的遥控单元应设计包含所有泵组的控制功能，安装于值班人员易于接近的位置。

6 结论

为进一步节能减排，满足国际海事组织对于绿色船舶的要求，本文通过分析，对船舶中央冷却水系统进行优化设计。产生如下影响：

(1)该节能系统的进一步推广使用，具有非常良好的经济和社会价值，必将逐渐成为船舶配置的新趋势。

(2)变频控制实现后，由于变频软启动的使用，杜绝了大电流启动对电机的冲击，延长了泵电机的机械使用年限。

(3)变频控制实现后，由于电机转速实现了无极调速，平顺稳定，因而带来海水泵出口流量和压力的平稳，降低了水流对管路的硬冲击和对调节阀的机械磨损。

(4)变频控制实现后，能够达到对冷却水系统的自动调控，减轻了船员在船上的工作负担。

(5)变频控制实现后，海水泵流量与压力控制更加智能简单，配合操作的模拟图，能够清晰地观测到整个系统的工作状态，手动状态下的调节精度也非常高。

(6)变频控制实现后，安全保障进一步提高。海水变频器作为主用控制方式，一旦发生故障时，系统可将变频器控制切除，转换到旁通状态，恢复到配电板上的星三角控制模式，保障了海水系统的安全运行。