史貴昌

(上海海程船舶設(shè)備有限公司， 上海 200063)

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船舶海水泵變頻技術(shù)應(yīng)用研究

史貴昌

(上海海程船舶設(shè)備有限公司， 上海 200063)

摘要變頻技術(shù)作為電力電子技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)驅(qū)動(dòng)控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。該文通過引入變頻技術(shù)的定義，以已經(jīng)出現(xiàn)的海水泵變頻節(jié)能系統(tǒng)為例，分析實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的幾種形式，詳細(xì)闡述了船舶海水泵的變頻調(diào)速過程及原理，并在總結(jié)當(dāng)前應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出可行的更新方案。

關(guān)鍵詞變頻調(diào)速節(jié)能中央冷卻系統(tǒng)海水泵

0引言

眾所周知，傳統(tǒng)船舶海水泵在選型時(shí)以海水溫度32℃為設(shè)計(jì)溫度，而在實(shí)際航行時(shí)極少海域能夠達(dá)到該溫度，且海水泵始終以工頻恒速運(yùn)行。顯然，當(dāng)船舶航行在不同海域，或者主機(jī)在不同的負(fù)載下，海水泵的冷卻能力存在大量冗余。這不僅在某種程度上對(duì)海水泵電機(jī)本身造成一定不利影響，而且會(huì)大幅增加船舶運(yùn)輸成本。

隨著電力電子技術(shù)迅猛發(fā)展，變頻技術(shù)已逐漸應(yīng)用于各行各業(yè)，許多機(jī)械為了滿足運(yùn)行及生產(chǎn)工藝的要求，如車輛、電梯、機(jī)床、空調(diào)等，均實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速。綠色環(huán)保也已不再是船舶建造過程中較新的議題，無論是通過燃燒低硫輕油或LNG，還是在船舶尾氣處理技術(shù)上均有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。同理，通過在運(yùn)行過程中變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，也不失為一良策，具有很好的發(fā)展前景。

因此，現(xiàn)結(jié)合市場(chǎng)上出現(xiàn)的海水泵節(jié)能系統(tǒng)ESS(Energy Saving System)進(jìn)行詳細(xì)分析。完整解讀變頻技術(shù)在海水泵變頻中的應(yīng)用設(shè)計(jì)，并提出改進(jìn)建議。

1變頻技術(shù)簡(jiǎn)介

變頻控制技術(shù)的基本原理：將交流電的電源頻率變換為較低頻率的交流電，用改變供電頻率的方法來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并且滿足一定的轉(zhuǎn)距要求。

由電機(jī)學(xué)原理可知，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率分別為

(1)

(2)

式中 ：f為電動(dòng)機(jī)定子頻率；p為定子的極對(duì)數(shù)；f1為轉(zhuǎn)子頻率。

從式(1)、(2)可以看出，改變極對(duì)數(shù)p、改變轉(zhuǎn)差率s和調(diào)節(jié)頻率f均可以調(diào)速。異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法主要有以下幾種。

(1) 變極調(diào)速：利用YD系列籠型異步電動(dòng)機(jī)的繞組接線方式變換，可改變?cè)撾妱?dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)階躍式的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，其調(diào)速范圍限定在2～4級(jí)。

(2) 電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速：該調(diào)速系統(tǒng)主要由晶閘管整流電源、電磁轉(zhuǎn)差離合器和異步電動(dòng)機(jī)三大部分組成。通過改變晶閘管的控制角可以方便地改變直流輸出電壓的大小，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。

(3) 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速：在繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中串接電阻，可改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，并隨電阻值的增大而變軟。如果負(fù)載為恒定值，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將隨機(jī)械特性的改變而變化。由于調(diào)速運(yùn)行過程中有電能消耗于外接的電阻器中，所以也不宜長(zhǎng)期低速運(yùn)行。

(4) 變頻調(diào)速：變頻調(diào)速就是通過改變電動(dòng)機(jī)定子供電頻率以改變同步轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。在調(diào)速過程中，從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差功率，因而具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能，是現(xiàn)有異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法中最有前途的一種方法。按照控制方法來分類，目前的交流異步電機(jī)變頻調(diào)速電源主要有脈沖寬度調(diào)制型和矢量控制型兩種。

脈沖寬度型(又稱PWM型)變頻器的基本工作原理：通過整流器將工頻交流電整流成直流電，經(jīng)過中間環(huán)節(jié)再由逆變器逆變成頻率可調(diào)的交流電，供電給交流電動(dòng)機(jī)。

異步電動(dòng)機(jī)矢量控制方式的特征從原理上來說，就是把交流電動(dòng)機(jī)解析成直流電動(dòng)機(jī)一樣的轉(zhuǎn)矩發(fā)生機(jī)構(gòu)，按照磁場(chǎng)和其正交電流的積等于轉(zhuǎn)矩這一最基本的原理，將異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為類似于直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，在經(jīng)過了轉(zhuǎn)化的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，模仿直流電機(jī)控制的一種高性能的控制方法。

本文僅針對(duì)船舶中央冷卻系統(tǒng)海水泵變頻調(diào)速進(jìn)行討論。

2變頻節(jié)能系統(tǒng)安裝類型

對(duì)海水泵引入變頻系統(tǒng)可以有四種類型，如圖1所示。

圖1　ESS系統(tǒng)安裝布置圖

1型：最常見ESS配置類型，旁通模式下工頻啟動(dòng)，并帶有泵智能控制部分，實(shí)現(xiàn)備用泵的啟動(dòng)控制，從而使中央冷卻系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

2型：除了變頻模式啟動(dòng)，還可以通過人工遙控啟動(dòng)停止?？梢酝ㄟ^船舶自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)旁通模式下的備用泵啟動(dòng)。

3型：完全通過變頻器實(shí)現(xiàn)泵的工頻運(yùn)行和變頻運(yùn)行，并通過程序?qū)崿F(xiàn)備用泵控制啟動(dòng)。

4型：和2型相似，只不過旁通模式下的控制可以嵌入船舶其他控制系統(tǒng)，具有相應(yīng)的連接端口。

3變頻模式

本文將以1型為例，詳細(xì)介紹變頻模式的功能及特點(diǎn)。圖2為海水泵的變頻控制方案。

圖2　海水泵的變頻控制方案

我們已經(jīng)知道，對(duì)同一臺(tái)離心泵而言，若轉(zhuǎn)速變化，其特性曲線也將發(fā)生變化。如果海水泵的轉(zhuǎn)速從N變化到N′、則該海水泵的轉(zhuǎn)速和其流量Q、揚(yáng)程H和有效功率P的變化滿足式(3)，由式(3)可知，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速平方成正比關(guān)系，流量與轉(zhuǎn)速成2次方關(guān)系、泵的有效功率與轉(zhuǎn)速成3次方關(guān)系。這意味著通過變速，可以明顯地實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

(3)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)以圖3的流程邏輯為基礎(chǔ)，進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

圖3　變頻控制基本流程圖

供電后變頻器開始運(yùn)行，控制海水泵啟動(dòng)，首先達(dá)到最大轉(zhuǎn)數(shù)。通過比較淡水實(shí)際溫度是否低于設(shè)定值，如果不低于，則返回提高泵的轉(zhuǎn)數(shù)直至全速；如果已經(jīng)低于設(shè)定值，則說明海水冷卻能力過剩，需要調(diào)整泵的轉(zhuǎn)速(如多臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)停掉一臺(tái)海水泵或降低泵的轉(zhuǎn)速兩種情形)。然后通過PLC程序?qū)Ρ鹊蜏氐疁囟龋c設(shè)定值相比較；如果高于設(shè)定值，說明海水冷卻能力不足，海水流量偏小，則提高泵轉(zhuǎn)速。循環(huán)該過程以維持低溫淡水溫度同設(shè)定值相同，維持泵的轉(zhuǎn)速。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海水出口的溫度，當(dāng)海水出口溫度高于50℃時(shí)，海水會(huì)有大量鹽晶體析出，在管路中嚴(yán)重影響冷卻能力，從而對(duì)管路、中央冷卻器造成不利影響。

從該系統(tǒng)布置圖中可以看出，該系統(tǒng)是以淡水溫度為主要控制參考值(見圖4)，以海水出口溫度50℃為安全值。實(shí)際控制模型中，為了增加控制的準(zhǔn)確度，增加海水進(jìn)出口溫度為控制參考量。下面詳述實(shí)際應(yīng)用中所安裝的傳感器及其功能。

圖4　系統(tǒng)布置圖

傳感器：

(1) 海水總管進(jìn)口壓力傳感器。

信號(hào)類型：4～20 mA。

壓力范圍：0～6 bar。

默認(rèn)設(shè)定值：0.6 bar。

設(shè)定值為能夠通過中冷器的最小壓力，即正常運(yùn)行時(shí)壓力值高于設(shè)定值，如果海水進(jìn)口壓力低于設(shè)定值時(shí)間在10 s以上，變頻器則提高輸出頻率，即提高泵轉(zhuǎn)速，當(dāng)壓力值高于設(shè)定值0.1 bar時(shí)，變頻結(jié)束。

(2) 壓差傳感器。

信號(hào)類型： 4～20 mA。

壓力范圍： 0～6 bar。

默認(rèn)設(shè)定值：0.2 bar。

壓差傳感器檢測(cè)泵的運(yùn)行狀況，ESS系統(tǒng)在一般情況下低壓運(yùn)行。

泵應(yīng)該運(yùn)行在正常的壓差范圍內(nèi)，如果壓差低于設(shè)定值，會(huì)被認(rèn)為泵能力降低，發(fā)出警報(bào)并切換到備用泵。

(3) 自動(dòng)溫控三通閥。

信號(hào)類型： 4～20 mA。

范圍： 0～100%。

開度0%意味著旁通管路關(guān)閉，致使所有低溫淡水流向冷卻器，該溫控閥將根據(jù)設(shè)定溫度進(jìn)行自我調(diào)節(jié)。但在ESS系統(tǒng)中只起監(jiān)測(cè)作用，自動(dòng)控制淡水溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度，并不參與頻率控制。

(4) 壓力開關(guān)。

在By-pass模式時(shí)，泵智能控制器備用泵切換取決于三個(gè)條件。一為運(yùn)行泵電源故障；二為電機(jī)過載；三為排出壓力低于壓力開關(guān)設(shè)定值。對(duì)于中央冷卻系統(tǒng)有三臺(tái)海水泵的船舶，壓力開關(guān)可以安裝于每臺(tái)泵出口，也可裝于海水總管路。從而實(shí)現(xiàn)一臺(tái)運(yùn)行兩臺(tái)備用或兩臺(tái)運(yùn)行一臺(tái)備用。

(5) 海水進(jìn)口溫度傳感器。

信號(hào)類型： 4～20 mA。

溫度范圍： 0～100 ℃。

默認(rèn)值： 32 ℃。

安裝于中央冷卻器海水進(jìn)口側(cè)，當(dāng)海水溫度高于設(shè)定值時(shí)，頻率升高，當(dāng)海水溫度低于設(shè)定值時(shí)，頻率下降。

(6) 海水出口溫度傳感器。

信號(hào)類型： 4～20 mA。

溫度范圍： 0～100 ℃。

默認(rèn)值： 48 ℃。

安裝于中央冷卻器海水出口側(cè)，因?yàn)楹Ｋ疁囟冗^高會(huì)造成鹽析，所以當(dāng)檢測(cè)到的實(shí)際溫度低于溫度設(shè)定值時(shí)，頻率下降；當(dāng)其高于溫度設(shè)定值時(shí)，頻率上升。

(7) 低溫淡水出口溫度傳感器。

信號(hào)類型： 4～20 mA。

溫度范圍： 0～100 ℃。

默認(rèn)值： 38 ℃。

安裝于中央冷卻器低溫淡水出口側(cè)溫控三通閥之后，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，頻率上升；低于設(shè)定值時(shí)，頻率下降。

變頻模式分為自動(dòng)變頻與手動(dòng)變頻。

所謂自動(dòng)變頻，即所有泵的啟動(dòng)、停止及頻率變化，均根據(jù)實(shí)際溫度及壓力，按照PLC程序進(jìn)行全自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)單臺(tái)泵運(yùn)行頻率升至54 Hz達(dá)10 s時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)一級(jí)備用泵；當(dāng)兩臺(tái)泵的運(yùn)行頻率低至30 Hz時(shí)，停一級(jí)備用泵，留一臺(tái)主泵運(yùn)行；在三臺(tái)泵的系統(tǒng)中，如果兩臺(tái)均出現(xiàn)故障不能啟動(dòng)，則系統(tǒng)自動(dòng)切換為By-pass模式。且在自動(dòng)變頻模式下，操作人員無法使用啟動(dòng)停止按鈕進(jìn)行操作，均由程序自己完成?？偠灾?，在保持冷卻系統(tǒng)功能正常的前提下達(dá)到節(jié)能的目的。

所謂手動(dòng)變頻，即由操作人員進(jìn)行泵的啟動(dòng)、停止及頻率的設(shè)定(最低可設(shè)頻率為30 Hz)。

變頻模式下的操作，可在HMI觸摸屏上完成，并且可以選擇當(dāng)?shù)乜刂坪图厥疫b控兩種模式。

4By-pass旁通模式

在旁通模式下，當(dāng)?shù)乜刂苹蛘哌b控啟停，恢復(fù)到傳統(tǒng)的工頻恒速運(yùn)行狀態(tài)。常見的ESS布置系統(tǒng)中，安裝SMC505泵智能控制器實(shí)現(xiàn)旁通模式下的備用泵切換控制。與變頻模式相似，常規(guī)設(shè)定為當(dāng)壓力開關(guān)檢測(cè)到壓力低于設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)備用泵，并且并行10 s，停止壓力低的“故障”泵。同時(shí)發(fā)出相應(yīng)警報(bào)故障，直到故障排除復(fù)位后該泵才能夠恢復(fù)到備用狀態(tài)。

5與船舶AMS間的通訊

該變頻節(jié)能系統(tǒng)的兩塊HMI觸摸屏之間通過RS-485實(shí)現(xiàn)通訊，而與船舶AMS之間通訊則通過硬線實(shí)現(xiàn)，包括模式選擇、泵的運(yùn)行狀態(tài)和故障報(bào)警。下面將詳細(xì)介紹故障報(bào)警點(diǎn)及其原因。

(1) ESS系統(tǒng)故障。

PLC模塊電源故障或者兩臺(tái)以上的變頻器出現(xiàn)故障，則會(huì)將該警報(bào)傳輸?shù)紸MS中。

(2) 每臺(tái)泵的系統(tǒng)故障。

當(dāng)運(yùn)行泵有電源故障、變頻器過載情況時(shí)，會(huì)出現(xiàn)該警報(bào)。

(3) 備用泵啟動(dòng)警報(bào)。

該警報(bào)在By-pass模式時(shí)才會(huì)出現(xiàn)，當(dāng)備用泵啟動(dòng)時(shí)由泵智能控制器SMC505發(fā)出5 s的信號(hào)，可以在AMS的警報(bào)歷史中查到。

(4) ESS非正常報(bào)警。

當(dāng)海水進(jìn)出口溫度、低溫淡水出口溫度、泵的進(jìn)出口壓差、海水總管壓力、變頻器溫度超過或者低于正常范圍時(shí)，會(huì)出現(xiàn)該警報(bào)。

6結(jié)論

該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中能夠有效地維持在低頻運(yùn)行，并達(dá)到預(yù)期的冷卻效果。為避免長(zhǎng)時(shí)間低頻運(yùn)行造成冷卻器結(jié)垢或雜物沉積的情況，設(shè)計(jì)添加自沖洗功能，即自動(dòng)變頻低頻運(yùn)行設(shè)定的一段時(shí)間后，即轉(zhuǎn)為短時(shí)的工頻運(yùn)行。

該系統(tǒng)在主機(jī)負(fù)荷突變或船舶負(fù)載增多，需啟動(dòng)多臺(tái)發(fā)電機(jī)時(shí)會(huì)有反應(yīng)滯后現(xiàn)象，且記錄的數(shù)據(jù)并沒有在系統(tǒng)中重新得到反饋調(diào)整。結(jié)合當(dāng)前大數(shù)據(jù)興起的理念，可以為每套ESS節(jié)能系統(tǒng)建立完整的數(shù)據(jù)庫，加強(qiáng)系統(tǒng)智能學(xué)習(xí)的能力，即可以根據(jù)當(dāng)前頻率控制趨勢(shì)，參考數(shù)據(jù)庫中的歷史記錄，從而實(shí)現(xiàn)較快的前期預(yù)調(diào)整，使變速更加平滑。在保護(hù)電機(jī)的同時(shí)，達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)。

變頻控制在船舶海水泵中的應(yīng)用，不但可以提高海水泵的運(yùn)行質(zhì)量，減少泵的磨損，延長(zhǎng)其檢修周期和使用壽命，而且還可以實(shí)現(xiàn)明顯的節(jié)能效果，減少航運(yùn)成本，打造綠色船舶，有非?？捎^的發(fā)展前景。

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作者簡(jiǎn)介：史貴昌(1989-)，男，中海集運(yùn)甲類三管輪，從事油輪惰氣、變頻節(jié)能等系統(tǒng)技術(shù)服務(wù)工作。

中圖分類號(hào)U664

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

Application of Frequency Conversion Technology to Marine Pumps

SHI Gui-chang

(Shanghai Haicheng Marine Equipment Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

AbstractFrequency conversion technology as the product of the development of power electronics has been widely used in the field of agriculture, industrial drive control. Through introducing the definition of frequency conversion technology, to take sea water pump frequency conversion energy saving system as an example, analysis several arrangement forms of frequency control of motor speed, and describe ship seawater pump variable frequency speed regulation process and principle in detail. After the summary of current application systems, proposed data analysis control method.

KeywordsFrequency conversionEnergy savingCentral cooling system Sea water pump