劉 巖，臧 軍，方一格

（中船重工第七O三研究所無錫分部，江蘇 214151）

節(jié)能型船用冷水機(jī)組試驗(yàn)臺研制

劉 巖，臧 軍，方一格

（中船重工第七O三研究所無錫分部，江蘇 214151）

設(shè)計(jì)并建造了一套200萬大卡制冷量船用冷水機(jī)組試驗(yàn)臺。采用水箱溫度分區(qū)、快速摻混和恒溫出水的方法，在盡可能少利用外部能源輸入的前提下，使冷凝熱與制冷量相互抵消，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺的節(jié)能設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明：試驗(yàn)臺響應(yīng)迅速、波動(dòng)小、耗能低、控制精度高，溫度控制精度達(dá)±0.1℃，水流量控制精度達(dá)±0.4%。

船用冷水機(jī)組試驗(yàn)臺；節(jié)能；試驗(yàn)研究

0 引言

隨著造船技術(shù)的不斷提高和船舶行業(yè)的迅猛發(fā)展，船用冷水機(jī)組的需求在不斷擴(kuò)大，機(jī)組容量和技術(shù)水平也在不斷提高，這就對機(jī)組的測試技術(shù)和試驗(yàn)裝置提出了更高要求。傳統(tǒng)的水冷冷水機(jī)組試驗(yàn)裝置是選擇兩套獨(dú)立的水系統(tǒng)控制策略，配置與冷凝器產(chǎn)生的冷凝熱和蒸發(fā)器產(chǎn)生的制冷量相等量的冷源和熱源加以平衡，能量消耗很大，尤其對于大型機(jī)組，能耗是制冷量的2～3倍。研制一套節(jié)能型船用冷水機(jī)組試驗(yàn)臺對推動(dòng)船用冷水機(jī)組的性能改進(jìn)和產(chǎn)品開發(fā)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)

1.1 節(jié)能設(shè)計(jì)原理

冷水機(jī)組試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)充分考慮機(jī)組自身冷熱平衡特點(diǎn)，采用單水箱閉式循環(huán)系統(tǒng)，并對水箱進(jìn)行溫度分區(qū)，將冷凝熱和制冷量分別在水箱內(nèi)進(jìn)行能量交換，降低了外部能源的輸入，節(jié)省能源消耗。根據(jù)能量守恒原理，冷凝熱平衡掉制冷量后多余的熱量即為壓縮機(jī)輸入功轉(zhuǎn)化的熱量，試驗(yàn)系統(tǒng)僅需配置相對應(yīng)的冷源平衡該部分熱量，就能實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)組的性能測試，與傳統(tǒng)測試方法相比，能節(jié)約大量的能源。

1.2 系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺采用單水箱閉式循環(huán)，由冷凍水回路、冷卻水回路、兌水回路及負(fù)載調(diào)節(jié)回路組成。冷凍水回路與冷卻水回路相對獨(dú)立，通過兌水回路將蒸發(fā)器產(chǎn)生的制冷量間接地在調(diào)溫水箱內(nèi)與冷凝器產(chǎn)生的熱量進(jìn)行熱質(zhì)交換，調(diào)溫水箱內(nèi)多余的熱量由負(fù)載調(diào)節(jié)回路平衡。如圖1所示，為試驗(yàn)臺原理圖。

圖1 冷水機(jī)組試驗(yàn)臺原理圖

冷凍水回路與兌水回路間采用公共平衡管 AB連接，將冷凍水流量控制和溫度控制分離，冷凍水回路通過變頻泵控制流量，而兌水回路通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)整兌水量的多少控制冷凍水溫度變化，使冷凍水流量和溫度處于相對獨(dú)立控制狀態(tài)，降低了兩者間的耦合干擾，如圖2所示。

圖2 流程布置圖

此外，調(diào)溫水箱通過負(fù)載調(diào)節(jié)回路為冷卻水回路提供了一個(gè)溫度恒定的水源，來維持穩(wěn)定的冷卻水試驗(yàn)工況。同時(shí)兌水回路的存在使冷卻水回路與冷凍水回路處于獨(dú)立的水循環(huán)狀態(tài)，避免了兩回路中大量冷熱能量在有限的閉式系統(tǒng)內(nèi)快速摻混導(dǎo)致振蕩現(xiàn)象的產(chǎn)生，使整個(gè)系統(tǒng)能迅速、穩(wěn)定地控制。冷卻水回路流量也采用變頻流量控制。

2 試驗(yàn)工況的精確控制

2.1 水溫的恒定控制

根據(jù)船用冷水機(jī)組試驗(yàn)大綱規(guī)定，無論冷卻水進(jìn)水溫度還是冷凍水的出水溫度均需要控制在工況點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。通過建立水溫控制模型及傳遞函數(shù)的模擬調(diào)節(jié)，得出可以通過PI控制器的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)恒溫出水，詳見文獻(xiàn)[7]。

試驗(yàn)臺采用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制技術(shù)，應(yīng)用PI控制器，建立水溫閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，如圖 3所示，其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對象和測量變送裝置為試驗(yàn)臺測試系統(tǒng)中電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、通流量和PT100溫度計(jì)等。

圖3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)圖

測量裝置一般為數(shù)據(jù)采集模塊，每隔一定的采樣周期對被控對象的某個(gè)參數(shù)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，PI控制器的輸入為給定值和實(shí)際值的偏差e，輸出值經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)/模轉(zhuǎn)換后傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的控制量，目的為消除偏差e，使其趨向于0，從而達(dá)到水溫自動(dòng)化穩(wěn)定控制的目的。

2.2 變頻流量控制

傳統(tǒng)的流量控制方法采用調(diào)節(jié)閥控制，其實(shí)質(zhì)是在水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定的狀態(tài)下，通過調(diào)節(jié)閥開度的大小改變回路的阻力特性，從而控制回路的流量，如圖4所示。但該過程中水泵發(fā)生了明顯的非線性變化。

圖4 系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)原理

圖5 閥門流量與閥權(quán)系數(shù)之間的關(guān)系

變頻流量控制中不存在調(diào)節(jié)閥，回路的阻力特性是固定的，當(dāng)水泵頻率改變時(shí)，流量隨即發(fā)生變化。從圖 5可看出，流量與頻率的關(guān)系幾乎是線性的，這對提高系統(tǒng)流量的控制品質(zhì)十分有益。同時(shí)變頻流量控制可降低水泵 30%左右的揚(yáng)程，降低了水泵的裝機(jī)容量和運(yùn)行能耗；在低負(fù)荷情況下，與帶有調(diào)節(jié)閥的系統(tǒng)相比，節(jié)能幅度更大。

3 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)臺能耗分析

對200萬大卡制冷量船用冷水機(jī)組進(jìn)行試驗(yàn)測試，配置了1160kW的冷源及100kW調(diào)節(jié)熱源。試驗(yàn)結(jié)果表明：在額定工況下，機(jī)組冷凝器側(cè)產(chǎn)生熱量為2880kW，蒸發(fā)器側(cè)產(chǎn)生了2320kW的冷量，試驗(yàn)臺負(fù)載實(shí)際投入冷量580kW，熱量45kW，穩(wěn)定運(yùn)行。負(fù)載實(shí)際輸入能量 625kW，而采用傳統(tǒng)測試方法需分別輸入2880kW冷量和2320kW的熱量，與之相比，節(jié)約了4600kW輸入能量，接近2倍機(jī)組的制冷量。

3.2 試驗(yàn)臺效率分析

對圖6、7中冷水機(jī)組在額定工況和變工況下分別達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的效率曲線進(jìn)行對比分析，得到機(jī)組運(yùn)行效率數(shù)據(jù)，見表 1所示。數(shù)據(jù)表明，該試驗(yàn)臺響應(yīng)迅速，能在較短時(shí)間里達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，大大縮短了測試周期，節(jié)約了能耗及運(yùn)行成本。

圖6 名義工況運(yùn)行曲線圖

圖7 測試系統(tǒng)變工況運(yùn)行曲線圖

表1 運(yùn)行效率數(shù)據(jù)表

3.3 試驗(yàn)臺控制精度分析

3.3.1 溫度控制精度分析

圖 8為測試系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行曲線圖?？煽闯觯渌畽C(jī)組在額定工況下連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，測試系統(tǒng)中冷卻水進(jìn)出口水溫、冷媒水進(jìn)出口水溫均在±0.3℃內(nèi)波動(dòng)，實(shí)際控制精度達(dá)±0.1℃。

3.3.2 流量控制精度分析

由圖8所示，冷卻水流量曲線3和冷凍水流量曲線6始終在(600±2)t/h和(500±2)t/h的范圍內(nèi)波動(dòng)，流量的實(shí)際控制精度可達(dá)±0.4%。

圖8 測試系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行曲線圖

4 結(jié)論

介紹了節(jié)能型船用冷水機(jī)組試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)原理，闡述了試驗(yàn)臺各回路設(shè)計(jì)方法及控制方案，并通過機(jī)組實(shí)際運(yùn)行對試驗(yàn)臺能耗進(jìn)行分析，得出了 200萬大卡制冷量的冷水機(jī)組測試僅需625kW能量即能實(shí)現(xiàn)測試，減少了試驗(yàn)臺負(fù)載建設(shè)容量，降低了機(jī)組運(yùn)行成本，提高了試驗(yàn)臺的響應(yīng)速率和測試效率，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能設(shè)計(jì)的初衷，達(dá)到了良好的節(jié)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

劉巖（1982-），男，碩士研究生。研究方向：艦船設(shè)備測試。