杜小良 ，王榮 ，沈梁

（1. 江蘇新?lián)P子江造船有限公司，江陰214532；2. 上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

0 前 言

冷藏集裝箱（以下簡稱“冷箱”）是生鮮食品以及生物制品遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)闹匾绞?，冷藏集裝箱船是實(shí)現(xiàn)冷藏貨品進(jìn)行全球國際運(yùn)輸貿(mào)易的主要途徑。 冷箱布置在船舶貨艙內(nèi)時(shí)需要風(fēng)機(jī)進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)，及時(shí)將冷箱壓縮機(jī)周圍的熱量消散，以保證冷箱良好的工作環(huán)境，確保貨物安全。 風(fēng)機(jī)是貨艙通風(fēng)系統(tǒng)中的主要設(shè)備， 也是電站的主重要負(fù)載之一，冷箱需要的散熱風(fēng)量由風(fēng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)。 除了貨艙風(fēng)機(jī)功率外，冷箱消耗功率、貨艙溫度以及冷藏和冷凍貨品的裝貨比例等都影響到風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。

以節(jié)能優(yōu)化為目標(biāo)，在滿足規(guī)范要求和貨艙通風(fēng)量的前提下，從冷箱通風(fēng)量與溫度、功率之間的關(guān)系以及風(fēng)機(jī)電氣控制方式等方面， 分析載運(yùn)風(fēng)冷式冷藏集裝箱船貨艙通風(fēng)電氣系統(tǒng)控制原理，研究采用定速、 雙速和變頻等3 種不同形式的風(fēng)機(jī)電機(jī)的節(jié)能途徑，降低船舶運(yùn)營成本，為船東提供合適的設(shè)計(jì)方案， 也為以后同類型船型設(shè)計(jì)提供參考。

1 貨艙通風(fēng)系統(tǒng)概述

確定貨艙通風(fēng)量需求是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，通過溫度控制的方法，考慮冷箱周圍（貨艙內(nèi)）的溫度變化對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)帶來的影響以及有效調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)電機(jī)運(yùn)行方式來確定貨艙風(fēng)機(jī)最佳配置方案。

DNV、ABS、LR、CCS 等船級(jí)社規(guī)范指導(dǎo)文件對(duì)冷箱船的貨艙機(jī)械通風(fēng)量有推薦值和具體的計(jì)算公式，例如：單個(gè)40 英尺（FEU）冷箱需要散熱風(fēng)量為4 500 m3/h，單個(gè)20 英尺（TEU）冷箱需要散熱風(fēng)量為3 100 m3/h。

根據(jù)貨艙大小和冷箱裝載數(shù)量，輪機(jī)專業(yè)設(shè)計(jì)的某型冷箱船貨艙典型貨艙通風(fēng)布置圖如圖1 所示，9 臺(tái)風(fēng)機(jī)分別為對(duì)應(yīng)服務(wù)區(qū)域的冷箱供風(fēng)。風(fēng)機(jī)可采用定速、雙速和變頻等3 種不同的機(jī)型配置方案，下文從通風(fēng)系統(tǒng)的供電、控制方式和節(jié)能效果等方面分別闡述不同方案的特點(diǎn)。

圖1 貨艙風(fēng)機(jī)風(fēng)管典型布置圖

2 貨艙風(fēng)機(jī)配置方案

2.1 定速風(fēng)機(jī)供電和控制

每路風(fēng)管設(shè)計(jì)滿足額定需求風(fēng)量22 500 m3/h的要求，配置9 臺(tái)恒定轉(zhuǎn)速的風(fēng)機(jī)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)的額定功率為11 kW，系統(tǒng)框圖如圖2 所示。每個(gè)風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)器集中在組合啟動(dòng)屏上，除提供電源外也實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)、停止等控制功能。 根據(jù)裝載冷箱的情況和貨艙的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，船員可以在貨艙就地控制風(fēng)機(jī)， 使9 臺(tái)風(fēng)機(jī)全開或者選擇性地部分開啟，但實(shí)際運(yùn)營過程中若該貨艙裝載了冷箱，通常貨艙風(fēng)機(jī)是全部開啟的。 因?yàn)槔湎湄浥撏L(fēng)采用額定通風(fēng)方式，風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)也是基于理論上的最高艙外溫度、 目標(biāo)溫度和最大冷箱裝載量進(jìn)行設(shè)計(jì)的，在不同的季節(jié)以及不管貨艙內(nèi)裝載冷箱數(shù)量如何變化，風(fēng)機(jī)總是運(yùn)行在最大的額定功率點(diǎn)，風(fēng)機(jī)作為連續(xù)負(fù)載航行過程中全功率運(yùn)行， 電功率消耗較大。

圖2 定速風(fēng)機(jī)供電及控制圖

2.2 雙速風(fēng)機(jī)供電和控制

冷箱的冷藏壓縮機(jī)工作工況是受到環(huán)境溫度因素影響的， 在同一貨艙內(nèi)冷箱數(shù)量相同的情況下，因?yàn)椴煌竟?jié)和航區(qū)環(huán)境溫度不同，冷藏貨品和冷凍貨品的散熱量不同， 直接影響到貨艙內(nèi)溫度。 雙速風(fēng)機(jī)是考慮冷箱裝載量不足的情況下，讓風(fēng)機(jī)的功率運(yùn)行點(diǎn)在相應(yīng)擋位上， 控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)機(jī)不同的通風(fēng)量需求， 將電機(jī)設(shè)置在2 個(gè)不同的轉(zhuǎn)速點(diǎn)，對(duì)應(yīng)高低2 個(gè)功率點(diǎn)，通過啟動(dòng)箱進(jìn)行兩種轉(zhuǎn)速的切換。 控制目標(biāo)是貨艙溫度，控制對(duì)象是風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速， 供電及控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 雙速風(fēng)機(jī)供電及控制圖

系統(tǒng)的框架搭建和組成與定速風(fēng)機(jī)系統(tǒng)類似，區(qū)別在于雙速風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中， 每臺(tái)風(fēng)機(jī)有2 個(gè)高、低轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)。 當(dāng)冷箱裝載較多或貨艙溫度較高時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行在高轉(zhuǎn)速狀態(tài)，反之，就運(yùn)行在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)。 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，需要根據(jù)溫度控制精確度的要求，在貨艙里安裝3～5 個(gè)溫度傳感器。 通過溫度來控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，可以在冷箱常用的部分裝載工況下實(shí)現(xiàn)一定的節(jié)能效果。

雙速風(fēng)機(jī)的高低功率設(shè)定與冷箱裝載率、可選擇的電機(jī)產(chǎn)品型號(hào)有關(guān)。 以圖1 中某型冷藏船某風(fēng)機(jī)向?qū)?yīng)風(fēng)管送風(fēng)，服務(wù)于不同數(shù)量冷箱時(shí)運(yùn)行不同的功率為例，在不考慮貨艙內(nèi)冷風(fēng)流場分布和溫度變化的情況下，可以近似得到在不同冷箱裝載率時(shí)的能耗比，如表1 所示。

表1 雙速電機(jī)供風(fēng)量和功率

由此可見，根據(jù)船東實(shí)際營運(yùn)需求，通過合理的配載設(shè)計(jì)，采用雙速風(fēng)機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)，在冷箱實(shí)際裝載量低于額定裝載量某一比例時(shí)，采用雙速電機(jī)后節(jié)能效果比較顯著。

2.3 變頻風(fēng)機(jī)控制

與定速和雙速風(fēng)機(jī)的供電和控制不同，變頻風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)采用變頻電機(jī)，以控制貨艙溫度為目標(biāo)，通過變頻器進(jìn)行無級(jí)調(diào)速來控制風(fēng)機(jī)風(fēng)量輸出。 對(duì)應(yīng)不同的運(yùn)行頻率，風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率點(diǎn)也不一樣。

風(fēng)機(jī)變頻控制就是為每臺(tái)風(fēng)機(jī)都配置單獨(dú)的變頻起動(dòng)器， 以貨艙為單位進(jìn)行分組和區(qū)域劃分。貨艙內(nèi)安裝溫度傳感器和二氧化碳濃度傳感器，都接入到單獨(dú)的信號(hào)采集和控制單元，實(shí)時(shí)地采集貨艙內(nèi)多點(diǎn)位置的溫度和二氧化碳濃度并計(jì)算分析，通過中央控制器PLC 基于PID 的閉環(huán)邏輯進(jìn)行控制。 每一臺(tái)風(fēng)機(jī)都采用獨(dú)立的變頻器進(jìn)行風(fēng)機(jī)頻率和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，其工作原理為：中央控制器與裝載計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，通過裝載計(jì)算機(jī)讀取貨艙區(qū)域全部冷數(shù)量和箱位置，根據(jù)實(shí)際裝載量，中央控制器按照單冷箱通風(fēng)量比例，初始設(shè)置對(duì)應(yīng)變頻器的頻率。 在沒有冷箱布置的區(qū)域，相對(duì)應(yīng)區(qū)域的風(fēng)機(jī)不會(huì)啟動(dòng)。

溫度控制是貨艙通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，中央控制器可以根據(jù)貨艙內(nèi)溫度的變化，自動(dòng)啟停某臺(tái)風(fēng)機(jī)或確定其運(yùn)行頻率，在確保全部冷藏貨物安全的情況下，降低風(fēng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速，減少投入運(yùn)行風(fēng)機(jī)的數(shù)量，從而達(dá)到節(jié)能的目的。 同時(shí)，不讓所有的風(fēng)機(jī)始終長期處于運(yùn)行的狀態(tài)是延長風(fēng)機(jī)壽命的好辦法。 圖4 為根據(jù)風(fēng)機(jī)控制廠家推薦的貨艙風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制流程圖。

圖4 貨艙風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制流程圖

以某型冷箱船貨艙通風(fēng)為例（見圖1 布置圖），按照冷箱的配載圖，將溫度傳感器（測溫范圍-20 ℃～100 ℃）均勻地放在前后貨艙的中間層兼顧周圍溫度，該傳感器參與系統(tǒng)變頻的控制。 在貨艙艙口圍前后左右各裝一個(gè)溫度傳感器，作為貨艙溫度集中監(jiān)控使用，不參與系統(tǒng)變頻的控制，但該傳感器檢測到的溫度參數(shù)作為在貨艙溫度出現(xiàn)超溫異常情況下啟動(dòng)全頻全速模式運(yùn)行的必要條件。 另外，在貨艙前后艙底各裝一個(gè)CO2濃度傳感器，當(dāng)貨艙內(nèi)CO2濃度大于設(shè)定值時(shí)， 報(bào)警信息輸出到中央變頻控制器進(jìn)行報(bào)警提示的同時(shí)，全部風(fēng)機(jī)自動(dòng)運(yùn)行在全速送風(fēng)模式，加速熱量交換，快速降低CO2濃度，確保貨物安全。

所有對(duì)風(fēng)機(jī)的操作都可以在船舶辦公室/控制內(nèi)的中央變頻控制器HMI 單元上完成。風(fēng)機(jī)供電及控制系統(tǒng)框圖如圖5，通信框圖如圖6 所示。

圖5 變頻風(fēng)機(jī)供電及控制框圖

從圖6 的貨艙風(fēng)機(jī)通信系統(tǒng)框圖還可以看出，每個(gè)貨艙風(fēng)機(jī)啟動(dòng)器和PLC 控制器可接收到該貨艙的每一個(gè)風(fēng)機(jī)信息，風(fēng)機(jī)被預(yù)設(shè)了地址碼，它的安裝位置、服務(wù)區(qū)域、所屬組別都可以在控制界面中顯示出來，而風(fēng)機(jī)周圍的溫度、風(fēng)機(jī)當(dāng)前的控制模式、工作狀態(tài)、工作頻率、消耗的電能、整個(gè)貨艙CO2的濃度、貨艙周圍的溫度也都通過MIMIC 圖實(shí)時(shí)顯示。 圖7 為貨艙溫度顯示的MIMIC 圖。

圖6 變頻風(fēng)機(jī)通信框圖

圖7 貨艙溫度顯示MIMIC 圖

同樣以圖1 貨艙風(fēng)機(jī)布置為例，某一風(fēng)機(jī)向?qū)?yīng)風(fēng)管送風(fēng)，服務(wù)于不同數(shù)量冷箱時(shí)不同的頻率和功率如表2 所示，在不考慮貨艙內(nèi)冷風(fēng)流場分布和溫度變化的情況下，可以近似得到在不同冷箱裝載率時(shí)的能耗比。 另外變頻風(fēng)機(jī)一般選用高效風(fēng)機(jī)，所以在同樣的額定需求風(fēng)量要求下，變頻電機(jī)的額定功率選得比較小，對(duì)應(yīng)低頻率下運(yùn)行的電機(jī)功率將更小。 變頻電機(jī)有最低轉(zhuǎn)速保護(hù)限制，最低保護(hù)轉(zhuǎn)速頻率設(shè)置在15 Hz。

表2 變頻電機(jī)風(fēng)量和功率

3 結(jié) 語

定速、 雙速和變頻風(fēng)機(jī)等3 種方案的特點(diǎn)明顯，如表3 所示。

表3 三種電機(jī)方案主要特點(diǎn)

從冷箱船貨艙通風(fēng)適用性考慮：采用恒功率恒轉(zhuǎn)速的風(fēng)機(jī)初期投入少，成本低，手動(dòng)控制，操作簡單；采用雙速風(fēng)機(jī)成本略高，可在中央變頻控制器HMI 單元上完成所有操作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，適用于高低緯度溫差較大的固定航線，在貨艙風(fēng)機(jī)數(shù)量少于30 組的船舶上， 采用雙速風(fēng)機(jī)方案節(jié)能效果明顯。 船舶航線環(huán)境溫度變化大，且承運(yùn)冷藏貨品數(shù)量受季節(jié)影響， 在貨艙風(fēng)機(jī)數(shù)量大于30 組的船舶上，采用變頻風(fēng)機(jī)方案的節(jié)能效果更為理想，可有效彌補(bǔ)初投資大的不足。 在節(jié)能減排的大環(huán)境下，變頻方案更受到歐洲船東的青睞。