柯有辉

(上海海事大学 商船学院，上海 201306)

实船主海水冷却泵变频控制的改造设计

柯有辉

(上海海事大学 商船学院，上海 201306)

为解决商业运输船舶在航行时海水冷却泵排量过剩的问题，对17.6万DWT散货船海水冷却泵进行变频控制改造。根据SHINKO公司提供的离心泵特性曲线，以最小二乘准则为判断依据，建立了离心泵的变频扬程-流量(H～Q)、效率-流量(η～Q)数学模型，建立了淡水冷却器淡水进出口温差与淡水冷却系统热负荷关系的数学模型，最后给出了船舶任何工况下根据淡水冷却器进出口温差和海水泵进出口温差进行海水泵功率、频率预测的数学模型。试验表明此方法能节约能源、提高经济效益。

船用主海水冷却泵；数学模型；变频控制;节能

为了保证船舶全球航行的需要，中央冷却系统的设计工况为船舶在热带32 ℃水域全速航行。但实际情况是，一方面船舶大部分时间是在低于32 ℃的海域中航行，另一方面船舶又大多处于主机常用功率点下的经济航速[1]。主海水泵长期在超出实际需要的功率下运行。目前，典型船舶的海水冷却泵占中央冷却系统年总成本大致为22.8%～31.5%，从理论上讲，转速降低10%，水泵流量将减少10%、扬程降低19%、轴功率降低27.1%，因此海水泵通过变频调速节能就变得非常有必要,本系统由2台中央冷却器，3台额定功率为45 kW的海水泵(其中1台为备用)等设备组成。

目前对海水泵的变频调速的研究主要集中在船舶在主要工况下(设计航速、经济航速)、根据淡水冷却器淡水进口温度的变化进行海水泵变频调速，如果海水泵的排量对应的热量大于维持淡水冷却系统热平衡需要交换的热量，此时只能靠增大温控阀的开度来维持进机的淡水温度恒定，这种方法只是粗略的变频控制，因为如果温控阀的旁通流量越大，说明海水的冷能比淡水冷却系统需要交换的热量就越大，变频海水泵的节能效果没有被充分利用。

本文的目的是在维持淡水冷却系统热平衡的前提下降低温控阀的旁通流量，以达到节能的效果。文章通过淡水冷却器进出口温度差来预测为达到淡水冷却管路热平衡所需要交换的热量，再根据海水泵的进出口温度来预测出为达到淡水冷却系统热平衡海水泵所需功率、转速、流量。使海水泵在满足满足维持淡水冷却系统热负荷平衡的前提下，降低海水泵的功耗。

1 离心泵的变速特性曲线数学模型

变频海水泵的扬程-流量(H～Q)、效率-流量(η～Q)等性能曲线接近于抛物线形状，可以用matlab最小二乘法以多项式曲线拟合的方式来求解[2-3]。变频海水泵的性能曲线拟合方程形式如下：

H=H0k2+A1kQ+A2Q2，

(1)

(2)

式中：Q为水泵变速运行转速为n时的流量，m3/h；H为水泵变速运行转速为n时的扬程，mH2O；η为水泵变速运行转速为n时的效率，%；k为水泵的转速比。

离心泵转速在1 780 r/min时流量、扬程、效率试验数据记录如表1。

根据式(1)、式(2)，当k=1时，根据表1数据拟合曲线得曲线方程的各系数：

H0=33.6385；A1=-0.002 3；A2=-0.0 000 313 381；C0=0.303 222；C1=-0.00 237 434；C2=-8.07 504e-8。

所以在任意转速对应的流量-扬程，流量-效率数学模型分别对应于式(3)、式(4)：

H=-0.0 000 313 381×Q2-0.0023 ×k×Q+33.6385×k2，

(3)

(4)

在管路特性曲线不变的情况下，容易得出泵在890～1 780 r/min的转速范围内维持在高效点运行，泵的效率ηp为82%，在转速890 r/min工况下对应的压头不到10 m，根据船舶实际情况应舍弃，所以本文讨论的变频范围为在泵额定转速的60%～100%，这样也有利于变频器在较高效率下运行。

2 中央淡水冷却系统热负荷

2.1常用工况淡水冷却系统热负荷

该船4种常用工况淡水冷却系统热负荷计算，见表2。

表2 4种常用工况淡水冷却系统热负荷计算 kW

2.2淡水冷却系统热负荷与淡水冷却器进出口温度差关系曲线

根据理论计算得出，淡水冷却系统在主机各工况下的淡水冷却系统总热负荷与船舶航行试验过程中的实测淡水冷却器进出口温度差之间的关系如表3所示。

运用matlab进行最小二乘曲线拟合得到曲线如图1所示。

表3 淡水冷却系统热负荷与淡水冷却器进出口温度差关系

得出的关系方程式为：

(5)

式中：ΔT1为淡水冷却器淡水进出口温差，℃。

2.3常见工况下海水泵运行速度、功率的求解

根据上文计算出的船舶在各工况下淡水冷却系统总热负荷，裕度系数K取1.029 73，海水比热容

表1 离心泵流量、扬程、效率试验数据

图1 热负荷与冷却器进出口温度差关系曲线图

C为4 kJ/(kg·℃)，中央冷却器海水侧进出口温差为12 ℃(单台冷却器温差为6 ℃)，海水密度ρ为1 025 kg/m3，计算海水泵需要提供的总流量qs：

(6)

由于该系统为变频系统，根据式(3)、式(4)、式(6)海水泵的扬程Hs及输出功率Ps则为：

(7)

(8)

式中：qs为理想泵的实际排量；qo为理想泵的理论排量；ρs为海水密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；qs为海水泵流量，m3/h；Hs为海水泵扬程，m；ηp为泵的效率；ηm为电机效率；ηinv为变频器效率。

整理得海水泵总功率P、淡水冷却系统热负荷Q与海水泵进出口温度差三者之间的关系如下：

P=2Ps=

(9)

2.4主机在各工况下，海水泵总功率与海水泵进出口温差关系曲线

如图2所示，船舶主机在MCR工况运行时，中央冷却器海水侧进出口温差在12～20 ℃时，双泵运行，随着海水温度的降低，变频泵的转速也降低；当主机在CSR工况下运行时，中央冷却器海水侧进出口温差在12～18.8 ℃时，双泵运行，随着海水温度的降低，变频泵的转速也降低；温度在18.8～20 ℃时，单泵运行，变频泵的转速随海水温度的降低而降低。

当主机在75%MCR工况下运行时，中央冷却器海水侧进出口温差在12～17 ℃时，双泵运行，随着海水温度的降低，变频泵的转速也降低，温度在17～20 ℃时，单泵运行，变频泵的转速随海水温度的降低而降低。

当主机在50%MCR工况下运行时，中央冷却器海水侧进出口温差在12～15.2 ℃时，双泵运行，随着海水温度的降低，变频泵的转速也降低，温度在15.2～20 ℃时，单泵运行，变频泵的转速随海水温度的降低而降低。

图2 海水泵总功率与进出口温差关系图

3 功率消耗函数

对任意低温淡水冷却系统工况，对海水泵变频控制的预测，其功率消耗函数如下：

P=2Ps=

(10)

当海水泵进出口温差为t1-t2=12 ℃，淡水冷却器进出口温度差ΔT1大于6.3 ℃时，双泵运行，随着ΔT1的增大，泵的总功率增大；5.5 ℃≤ΔT1≤6.3 ℃时，单泵运行，随着ΔT1的增大，泵的总功率增大；ΔT1≤5.5 ℃时，为了维持系统所需的压头，泵的功率均维持在10.15 kW。

当海水泵进出口温差为t1-t2=14 ℃，淡水冷却器进出口温度差ΔT1大于7.2 ℃时，双泵运行，随着ΔT1的增大，泵的总功率增大；6.2 ℃≤ΔT1≤7.2 ℃时，单泵运行，随着ΔT1的增大，泵的总功率增大；ΔT1≤6.2 ℃时，为了维持系统所需的压头，泵的功率维持在10.15 kW；其他情况依次类推，见图3。

图3与图2的最大值有细微差别，原因是图3在MCR工况下淡水冷却系统热负荷是根据最小二乘曲线拟合作出，而图2的热负荷为理论计算值。

图3 冷却器进出口温差与海水泵功率关系图

4 频率函数

对任意低温淡水冷却系统工况，对海水泵变频控制的预测，其频率函数如下：

f=

(11)

当海水泵进出口温差为t1-t2=12 ℃，淡水冷却器进出口温度差ΔT1大于6.3 ℃时，双泵运行，随着ΔT1的增大，泵的频率增大；5.5 ℃≤ΔT1≤6.3 ℃时，单泵运行，随着ΔT1的增大，泵的频率增大；ΔT1≤5.5 ℃时，为了维持系统所需的压头，双泵的频率均维持在36 Hz。

当海水泵进出口温差为t1-t2=14 ℃，淡水冷

却器进出口温度差ΔT1大于7.2 ℃时，双泵运行，随着ΔT1的增大，泵的频率增大；6.2 ℃≤ΔT1≤7.2 ℃时，单泵运行，随着ΔT1的增大，泵的频率增大；ΔT1≤6.2 ℃时，为了维持系统所需的压头，单泵的频率维持在36 Hz。

单泵运行特性参考了淡水冷却器进出口温度差与海水泵总功率关系图；其他情况依次类推，见图4。

图4 冷却器进出口温差与海水泵功率关系图

5 结束语

通过分析，根据低温淡水冷却器进出口淡水的温差以及海水泵进出口温度差得出了变频泵的变频规律，根据海水泵进行变频改造后，节能效果显著，随着变频调速技术的日益成熟与变频器价格的下降，变频技术在船舶海水泵上的应用将逐渐成为新趋势。

[1]陈伟智.某船中央冷却系统控制策略研究 [D]. 上海：上海交通大学，2013.

[2]王昭俊. 采暖循环水泵的性能回归曲线方程研究[J]. 哈尔滨建筑大学学报，2000，33(2)：66-69.

[3]孟娜.并联水泵变频运行的效率保障技术研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

In order to solve the issue of excessive volume of S.W. cooling centrifugal pump for merchant transport ships,the control system of S.W.pump of 176 000 DWT bulk carrier is reconstruct.Based on the characteristic curve of centrifugal pumps provided by SHINKO company and criterion of the least square,mathematical model of (H～Q)，(η～Q)relationship under different pump's speed is established.The math relationship between inlet/outlet temperature difference of heat exchanger and heat load of cooling fresh water system is established.Finally,the math relationship between inlet/outlet temperature difference of heat exchanger and S.W. pump under any condition is found out so as to predict the proper power and frequency of the pump.Experiments show that with this method,energy can be saved and economic benefit' s can be improved.

main S.W.cooling pump;mathe maticalmode;inverter control;energy saving

柯有辉(1987-)，男，湖北黄石人，在读硕士研究生，研究方向为轮机自动化。

U661.43

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.03.010

2015-01-19