17000立方米液化乙烯船變頻海水泵的應(yīng)用與研究

佘青青

摘要：本文對17000m3液化乙烯船的變頻海水泵的功能原理進(jìn)行分析，與傳統(tǒng)額定轉(zhuǎn)速的冷卻海水泵進(jìn)行比較，證明了變頻海水泵的應(yīng)用能夠帶來實際的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：船用海水冷卻泵? 變頻調(diào)速? 節(jié)能? 安全

1引言

大型商業(yè)運(yùn)輸船舶的冷卻系統(tǒng)通常設(shè)計為中央冷卻系統(tǒng)，即船上所有設(shè)備均用淡水冷卻，包括主機(jī)、輔柴油機(jī)、空壓機(jī)、空調(diào)及冷藏裝置、大氣冷凝器等。船上設(shè)置2臺或3臺電動海水泵提供海水用于冷卻淡水，淡水用來冷卻船用設(shè)備。傳統(tǒng)的主海水冷卻泵設(shè)計參數(shù)均考慮極限設(shè)計（海水溫度32 ），所有設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)行，且留有一定余量，實際使用中，船舶大多處于70%～80%的經(jīng)額定功率經(jīng)濟(jì)航速，且大部分時間是在低于32度的海域中航行。因此，海水泵是長期在超出實際需要的功率下運(yùn)行的。變頻技術(shù)近年來已成功應(yīng)用于船舶電力推進(jìn)與船舶設(shè)備，節(jié)能效果明顯，為船東帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。本文以17K LEG船為例，介紹變頻海水泵在本項目的應(yīng)用。

2 海水冷卻系統(tǒng)

由于船舶在不同工況、海區(qū)下航行面對不同的海水溫度，中央冷卻系統(tǒng)面對同樣的熱交換量，所需海水量就不同，熱帶海區(qū)或全負(fù)荷工況下，海水泵需全速運(yùn)行，以最大流量供應(yīng)海水給中央冷卻系統(tǒng)。而寒冷海區(qū)航行及部分負(fù)荷工況下航行，由于海水溫度低，海水溫差大，同樣熱交換所需海水流量就少。由此可見，船舶在不同工況，不同海區(qū)下航行，冷卻海水的用量是不同的。傳統(tǒng)的中央冷卻系統(tǒng)是以恒定轉(zhuǎn)速泵供應(yīng)海水，這樣會造成泵無論是何種工況、何種海況都以恒定轉(zhuǎn)速工作，不利于節(jié)能。鑒于此，可應(yīng)用海水泵降速運(yùn)行技術(shù)，滿足不同工況不同海區(qū)，實現(xiàn)海水系統(tǒng)不同海水量需求的要求，達(dá)到節(jié)能目的。

本項目海水冷卻泵（設(shè)計參數(shù)見表1）為2臺64 kW電動離心泵，單臺泵額定功率滿足船舶航行極限工況。冷卻系統(tǒng)示意圖見圖1，海水由海水冷卻泵自左右舷的海底門吸入主管路， 然后海水作為冷卻介質(zhì)進(jìn)入2臺中央淡水冷卻器。淡水系統(tǒng)由三臺低溫淡水冷卻泵提供動力，在中央冷卻器里與海水進(jìn)行熱交換，淡水管路中溫度傳感器FWF17作為變頻器的控制量，保證淡水溫度恒定在設(shè)定值附近，當(dāng)?shù)疁囟冉档蜁r，降低海水泵轉(zhuǎn)速，達(dá)到節(jié)能目的。溫度傳感器FWF46作為淡水溫度的輔助控制量，控制溫控閥FWV83的開度。

3 CM-1000變頻系統(tǒng)分析

3.1變頻器工作原理

通過電力半導(dǎo)體的通、斷作用，將頻率固定不變的交流電轉(zhuǎn)化為頻率可以變換的交流電源，給海水泵提供可靠的電源，見圖示2。本系統(tǒng)由控制單元CM-1000，變頻器VSD，泵及相關(guān)傳感器組成，系統(tǒng)配置見圖3。

3.2系統(tǒng)功能

CM-1000能根據(jù)淡水溫度對泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，通過傳感器實現(xiàn)泵運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測。狀態(tài)監(jiān)測主要包括，軸承溫度，泵的軸承監(jiān)測，機(jī)械密封，馬達(dá)與泵之間的連接故障等。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時，模式選擇為“自動”。主泵啟動，備泵停止。

3.2.1淡水溫度保持：當(dāng)系統(tǒng)初始化結(jié)束后，進(jìn)入淡水溫度自動控制階段。系統(tǒng)會根據(jù)淡水溫度自動調(diào)節(jié)海水泵轉(zhuǎn)速。淡水溫度將維持或接近設(shè)定值附近（34℃）。當(dāng)?shù)疁囟炔▌訒r系統(tǒng)會維持淡水溫度在允許范圍內(nèi)。

3.2.3淡水溫度低于設(shè)定值：當(dāng)?shù)疁囟鹊陀谠O(shè)定值時，系統(tǒng)會降低海水泵轉(zhuǎn)速，海水泵運(yùn)行功率下降，同時淡水溫度上升，結(jié)果就是整個冷卻系統(tǒng)節(jié)約電能。如果系統(tǒng)壓力非常接近最低壓力設(shè)定值，海水泵轉(zhuǎn)速不會繼續(xù)降低，而是維持在系統(tǒng)設(shè)定的最低壓力之上。

3.2.4手動工作模式：以下幾種情況需要手動控制主海水泵a）沖洗中央冷卻器b）對海水流量和壓力有最低要求，如應(yīng)急工況 c）控制箱之間通訊故障. 選擇開關(guān)打到“MAN”位置，海水泵將以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，此時除了泵的應(yīng)急停止信號， 其他傳感器送過來的控制泵信號將不起作用.

4 變頻海水泵節(jié)能分析

4.1理論計算

冷卻海水泵屬于一種離心式水泵，離心泵構(gòu)造原理為[1]：

其中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，n1為之前的轉(zhuǎn)速，n2為降低后的轉(zhuǎn)速，Q為泵流量，Q1為之前流量，Q2為降低轉(zhuǎn)速后的流量，p為海水泵壓力，p1為之前的壓力，p2為降低轉(zhuǎn)速后的壓力，P電機(jī)輸出功率，P1為之前的輸出功率，P2為降低轉(zhuǎn)速后的輸出功率。

由式（1） ，（2） 可見，如果海水泵的流量減半，海水泵轉(zhuǎn)速只需原來的一般，其軸功率只需原來的1/8，節(jié)能效果非常明顯。然而，由于轉(zhuǎn)速減半，其壓力只有原來的1/4，對于客服管阻力不利，但由于海水泵選型時考慮的是最惡劣工況，在額定轉(zhuǎn)速下海水泵出口壓力是有余量的，因此可以在海水管路上設(shè)置一個壓力傳感器，保證海水泵的最低轉(zhuǎn)速。

水泵變頻調(diào)速是指通過改變異步電動機(jī)定子端輸入電源的頻率來改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到改變水泵轉(zhuǎn)速的目的. 異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為[2]

式中： f 為電源頻率， Hz ; s 為轉(zhuǎn)差率; p 為電動機(jī)磁極對數(shù).

從式（4） 可以看出，要改變轉(zhuǎn)速，采取的措施有： 1） 改變轉(zhuǎn)差率s;2） 改變電機(jī)的極對數(shù)p;3） 改變定子供電頻率f . 然而，一旦泵的配套電動機(jī)選定，其p 和s 為定值，這時電動機(jī)的轉(zhuǎn)速將與供電頻率成正比，即電源的頻率越高，轉(zhuǎn)速就越高，反之，轉(zhuǎn)速越低. 泵的變頻調(diào)速就是通過改變供電頻率來改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變泵的轉(zhuǎn)速.

4.2經(jīng)濟(jì)效益分析

按本船航行1萬海里，海水平均溫25℃，航速15節(jié)，需要的海水泵流量為：

當(dāng)然這只是理論計算值，由于海水系統(tǒng)對海水泵的最低壓力要求，電網(wǎng)效率等實際使用時可能不會這么的大的節(jié)約量。實際使用效果還有待船舶實際運(yùn)營中檢驗。

4.3 安裝變頻海水泵對系統(tǒng)的影響

（1）實時監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)。CM-1000控制系統(tǒng)能實時監(jiān)測海水泵運(yùn)行狀態(tài)，及時將報警送至船舶中央報警系統(tǒng)，提醒船員處置報警，保證系統(tǒng)安全。

（2）節(jié)能，根據(jù)淡水溫度調(diào)節(jié)海水泵轉(zhuǎn)速，當(dāng)降低海水泵轉(zhuǎn)速時，可以節(jié)約電能。

（3）延長電機(jī)和海水泵的使用壽命。電機(jī)直接啟動時電流約5～8倍額定電流，大型泵組直接啟動時機(jī)械沖擊力很大，采用變頻啟動時，可以實現(xiàn)軟啟動，對電機(jī)幾乎不產(chǎn)生沖擊，可延長機(jī)械的使用壽命。

（4）系統(tǒng)的可靠性與系統(tǒng)的復(fù)雜性成反比，同樣的，變頻控制方式與傳統(tǒng)的啟動器相比，可靠性差一些。當(dāng)海水泵變頻器故障時，系統(tǒng)可自動切換到額定功率，保證海水系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

（5）與普通啟動器相比，目前變頻器價格比較昂貴，一次性投資較大，但從長期使用看，使用變頻泵會節(jié)約成本，是一次投入，長期受益。

（6）變頻器工作時由于整流和變頻，會產(chǎn)生干擾，對船上其他設(shè)備會有影響，電纜應(yīng)盡量與通訊電纜分開敷設(shè)，同時變頻器應(yīng)可靠接地。

5 結(jié)論

通過上述分析可看出，本項目采用的變頻海水泵節(jié)能效果顯著，使電機(jī)實現(xiàn)了真正軟啟動，減小了對海水管道、中央冷卻器的水力沖擊和磨損，使系統(tǒng)運(yùn)行更安全可靠，并且可大幅度節(jié)省了設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。因此，采用變頻海水泵，可降低能耗，節(jié)約船舶運(yùn)營成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 譚有廣，劉峰，許郢.水泵的變頻調(diào)速節(jié)能原理分析[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2004（3）：27228.

[2] 張春光.全自動變頻調(diào)速供水泵運(yùn)行工況與節(jié)能分析[J].節(jié)能技術(shù)，2003，21（4）：41244