半潜打捞船机舱风机变频控制系统设计

邵坤明，张兴权，王同盟

（招商局重工（江苏）有限公司，江苏南通 226116）

0 引言

机舱是船舶动力设备布置最集中的处所，通常会布置主机、主发电机组，以及锅炉、空压机等相关辅机设备。主机、主发电机组和锅炉等设备在工作时需要消耗大量空气并产生大量热量，需要配备机舱风机为这些设备提供足够的空气，并将热量及有害气体排到室外，以保证机舱内温度合适、空气足够。在船舶运营过程中，不同工况下主机和主发电机组等设备的使用情况不同，对机舱内新风的需求量也不同。在进行机舱风机的选型时，一般根据最大工况需要的风量来确定风机功率，对于未安装变频控制系统的风机，在任何工况下风机均按额定功率进行工作，这往往会造成电能浪费。随着工业自动化程度的不断提高，变频控制技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果在各个领域得到了广泛应用，为节能降耗提供了重要手段[1]。利用变频控制技术，根据不同工况对风量的需求调节机舱风机提供的风量，进而减少能耗。

本文以某半潜打捞船为例，对机舱风机变频控制系统的设计、温度传感器和压差传感器的布置要求及变频控制逻辑进行分析，在保障机舱内压力维持在20～50 Pa的前提下，根据机舱温度调节风机的转速，实现风机的自动运行。

1 项目概况

本船为长约250 m、宽约60 m的四岛式，无常规艏楼，方艉半潜打捞船。船舶航行于无限航区，具备DP2（Dynamic Positioning 2）级动力定位能力，采用全电力推进，可用于大型船舶的整体打捞，以及大型海洋油气装备、超大型海上装备的运输工作。

本船在运营过程中工况较多，且各个工况对电力负荷的需求差异较大，导致不同工况对机舱风量的需求差异较大。

2 机舱风机变频控制系统的设计

本船的机舱通风系统依据ISO 8861: 1998标准进行设计[2]，机舱内保持轻微的正压，且不大于50 Pa。在正常工况时，送风机吸入外界35 ℃的新风，并送入机舱，风量满足机舱内所有设备在 100%负荷下正常运行的要求。

本船机舱分为前后2个区域，通风相互独立。每个机舱分为上、下两层，2层间的空气可自由混合。每个机舱由2台变频轴流风机进行送风，机舱的废气通过烟囱棚上的排风百叶窗排出。机舱风机采用变频控制，可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）根据采集到的机舱内外的压差值和机舱内实际温度偏离预先设定值的情况，自动调节变频风机的转速，保证将机舱内的压力和温度控制在设计范围内。变频控制根据机舱内和室外环境的具体情况，通过调整机舱内送入的新风量来满足设备的要求，使机舱内达到相对适宜的环境，同时也可减少机舱风机的能耗[3]。

2.1 机舱风机变频控制系统的组成

机舱的变频风机控制系统包括变频器、温度传感器（Temperature Transmitter，TT）、压差传感器（Differential Pressure Transmitter，DPT）、PLC控制单元及液晶触摸操作屏等。本船机舱风机变频控制系统组成情况见图1。

图1 本船风机变频控制系统组成情况

2.2 温度传感器和压差传感器安装位置的选择

本船的机舱风机变频控制系统根据机舱内外的压差值和机舱内温度值偏离设定值的情况对变频风机转速进行自动调节，进而满足机舱设备的要求。压差传感器和温度传感器的安装位置对风机的变频控制起到至关重要的作用。

本船机舱最主要的散热设备为主柴油机组和锅炉。利用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）软件分析机舱压力场和温度场的分布情况，并确定压差传感器和温度传感器的数量和安装位置。

在进行温度传感器和压差传感器安装位置的选择时，需要满足以下要求：

1）在每个柴油机组增压器的附近布置压差传感器和温度传感器。

2）在1号机舱和2号机舱的烟囱区域布置压差传感器和温度传感器，避免烟囱区域温度过高。

3）在锅炉附件等易产生过高温度的位置布置压差传感器和温度传感器。

4）在分油机间布置温度传感器。

5）在气流组织均匀处布置压差传感器和温度传感器，要注意避开排气管、冷风机出口、热油加热管等热源和冷源。

本船机舱压差传感器和温度传感器的配置情况见表 1，下层和上层机舱压差传感器和温度传感器的布置情况分别见图2和图3。

图2 下层机舱压差传感器和温度传感器布置情况

图3 上层机舱压差传感器和温度传感器布置情况

表1 本船机舱压差传感器和温度传感器的配置情况

2.3 变频控制原理和控制逻辑

本船将压力控制的优先级设为最高级别，保证机舱内始终为正压，且将机舱内的压力维持在20～50 Pa。在满足机舱压力的要求下，根据温度对风机的转速进行相应调节。机舱温度与压力的关系曲线见图4。在机舱温度低于15 ℃时，机舱压力保持在20 Pa；在机舱温度高于35 ℃时，机舱压力保持在50 Pa；在机舱温度介于15 ℃～35 ℃时，机舱压力随机舱温度的增加线性增加。

图4 机舱温度与压力的关系曲线

通常情况下，PLC控制单元根据机舱内外的压差值和机舱内温度值偏离设定值的情况对变频风机转速进行自动调节。当机舱内外的压力差低于最低设定值（20 Pa）时，加大风机的转速；当机舱内外的压力差高于最高设定值（50 Pa）时，减小风机的转速。在设定的压力范围内，再根据机舱内的温度情况调节风机的转速。当机舱温度低于 15 ℃时，减小风机的转速；当机舱温度高于 35 ℃时，加大风机的转速。机舱风机变频控制逻辑流程图见图5。

图5 机舱风机变频控制逻辑流程图

3 结论

机舱是船舶动力设备布置最集中的处所，保障机舱设备安全运行非常重要。本文基于某半潜打捞船，对机舱风机变频控制系统的设计、温度传感器和压差传感器的布置要求及变频控制逻辑进行分析，可得到如下结论：

1）该系统可根据机舱内压力和温度的变化控制机舱风机的运行负荷，不仅能满足机舱设备运行所需的新风，还能保障机舱风机在不同工况下的自动化运行。

2）该系统可有效减少能耗，并降低运营成本。