采用变频调速系统的机舱风机能耗分析

杨 帆 林 蓁 刘 琛

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

船舶通风系统在设计之初会为风机配备充分的冗余以保证系统的可靠运行，选用的风机容量偏大，驱动电机功率偏高。当船上设备低负载运行或者关闭时，所需通风量降低，此时的风机依然在恒定功率下运行，造成不必要的能源浪费。船舶通风系统常通过调节出口阀门的开度来增大或减小流量，俗称挡板节流法。该方法实质是通过牺牲风机的负载效率、增加管网阻力来获得动力输入平衡［1］，效率会因此降低。因此，对机舱风机进行变频调速技术改造，实现依据负载变化来调节风机的输入功率以达成节能减排效果，成为船东对新造船或现有船队改造以获得经济收益的重要方式。20 000箱级集装箱船作为典型亚欧航线上的主力运输船型，通过对其进行变频调速系统改造，研究出合理的风机能耗分析方式，将对船东、对新造船或现有船队改造以获得经济收益产生重要的指导作用。

1 机舱风机变频系统

传统机舱风机的功率选取须满足最大负荷工况，同时还要留出一定的余量。20 000 TEU船选用5台最大风量160 000 m3/h的风机，在计算中最大航行工况下已留有12.5%的余量，对日常应用能量浪费明显。当系统风量变化时，大部分的风机通过减少运行台数，或调节进、出口阀门的开度来达到节能的功效。调节过程中，管路特性没有发生改变。关小风机出口阀门会造成压力升高、阻力增大，牺牲了风机的效率［2］。如果使用机械-手工方式调节，则比较耗时，相当于作二次调试，效率也低。［3］

1.1 机舱风机变频技术

JCZ-160-5通风机可通过变频改变压力-流量特性曲线（如图1所示）。在变频调速的过程中，风机效率下降，但降幅不大。选取各频率下效率最优点（图2），通过拟合可得到JCZ-160-5通风机在最优效率时的流量-压力变化曲线：

图1 JCZ-160-5通风机性能曲线图

图2 JCZ-160-5风机频率对应最优效率变化曲线

20 000 TEU集装箱船将最高效率点优化至150 000 m3/h-400 Pa，因此JCZ-160-5通风机在最优效率时的流量-压力变化曲线：

对于风机轴功率，有：

式中：K为风机系数，一般取1～1.1，本方案取1.025；ηf为风机效率，%；Pf为风机全压，Pa；Qf为风机流量，m3/h。

风机全压为：

式中：η1为风机驱动电机效率，%；η2为风机变频器效率，%。

通过变频器效率和电机效率典型曲线图拟合成的效率公式来反映变频器及电机效率变化趋势［4-6］：

式中：X为电机的相对转速（流量比），%。

风机的总输入功率为：

本船通风机最大风量为160 000 m3/h， 在实际使用中，20 000 TEU集装箱船设定的工作流量为150 000 m3/h-400 Pa，实际输入功率不会达到75 kW的最大输出功率值。计算求得此时风机的输入功率约为65 kW，风机效率为88%。考虑在带冷箱的情况下，20 000 TEU船在日常航行中保持5台风机同时工作的状态，此时管网特性为0.465 s2/m5；操纵工况时的管路阻力损失，可知此时管网特性为0.450 s2/m5；停泊和装卸工况下的主机负荷为0，需开2台风机，管路的阻力损失相近，此时管网特性为0.230 s2/m5。

1.2 航线海洋气温

20 000 TEU级集装箱船在航行过程中，海洋气温会随着季节和天气变化，且历年的海洋气温都不相同。空气密度同空气温度和湿度密切相关，在不同空气温度和湿度下的空气密度可通过查表获得。同时，空气密度受到温度和湿度的影响。当温度下降，空气密度增加；当湿度下降，空气密度增加。当空气湿度恒定70% pH、大气压力101.3 kPa、环境温度35℃时，空气密度为1.131 kg/m3。

表1 亚欧航线海域年平均气温

1.3 设计选型

根据ISO8861规范，机舱内通风量为：

式中：Qh为总通风量，m3/h；Pdp为主机散热量，kW；Pdg为辅机散热量，kW；Pb为锅炉及加热器散热量，kW；P0为其他散热量，包括电气、蒸气和舱柜等，kW；ρ为在35℃、70%RH、101.3 kPa条件下的空气密度，kg/m3；C为空气比热容，kJ/kg；ΔT为机舱温升，K；Qdp为主机燃烧空气量，m3/h；Qdg为辅机燃烧空气量，m3/h；Qb为锅炉燃烧空气量，m3/h。

根据公式计算可求得各种工况下的风量需求（见下页表2）。ISO8861：1998（柴油发动机船舶机舱通风）明确了机舱内通风量由设备燃烧空气量和散热所需通风量决定，且总通风量必须≥1.5倍的燃烧空气量。通过计算可知，20 000 TEU船的最大总通风量出现在最大航行工况下，且总通风量超过燃烧风量的1.5倍。本方案采用5台75 kW机舱风机，其中2台为可逆风机，额定总流量达到了800 000 m3/h。

表2 各工况下的通风量需求 m3 / h

1.4 系统设计

本方案通过采集机舱内外的温度传感器及压差传感器的数据信号，经PLC处理后输出给变频器控制的风机来控制每台风机的转速。其中，机舱温度传感器环境温度采样点布置于风机房百叶窗；机舱温度传感器布置在机舱棚内壁，且应避免安装在距离排气管或锅炉等热源过近的位置。压差传感器布置于机舱棚墙壁以便选取内外压差，并应避免安装在离舱室门或出风口过近的位置。温度和压差数据的采集应尽量不受局部环境的影响。控制回路工作原理可参考船用泵PLC控制回路。详细电气控制图参见图3。

图3 风机电气控制图

1.5 控制逻辑

PLC逻辑控制器主要判断4项数据：机舱温度、外界环境温度、主机负荷和机舱内外气压差，通过测得机舱温度和环境温度可获得某一时间的温差。当传感器输入环境温度信号，PLC会判断机舱温度是否在设定的温度范围内，风机保持当前状态运行；如果机舱温度偏大或偏小，根据风机状态决定是否开启或关闭风机。

机舱内外压差的存在是保证机舱内形成风道的必要条件。在风机调整机舱温度达到合理范围时，还需要考虑机舱压差是否达到通风的基本要求，继而决定是否控制风机强制通风。根据风机的特性曲线，当风机变频运行时，压头在一定的范围内波动，但不会出现下降特别大的情况。

目前20 000 TEU集装箱船在停泊和装卸货时开启2台风机，以满足机舱左右两侧风道的风量分配，此时机舱内外压差满足工作条件。

考虑到主机的发热量和燃烧空气量较大，当机舱内温度较低时，单纯使用以下控制方案无法反映主机负荷，容易造成主机热量无法排出。因此，当主机运行时，PLC会接收一路主机负荷的信号，即使机舱温度偏低，在主机运行时仍会控制风机对特定区域通风，保证主机的正常运行。机舱风机控制逻辑如图4所示。

图4 机舱风机控制逻辑

1.6 变量设定

ISO 8861所规定的极限环境温度为35℃。20 000 TEU船在航行中，大部分时间的室外温度并不会达到极限环境温度，故要求所得最大工况势必会造成能源浪费。因此，计算中一般设定在极限环境温度下的机舱温升不超过12.5 K。同时，船舶在冬季航行时，由于外界气温低，若机舱温升仍保持在12.5 K，机舱内温度会变得过低，对设备的运行造成影响。日常应用中设定机舱温度为45℃，冬季机舱极限最低温度15℃。

通过压差监测，PLC控制变频风机将机舱内外气压差维持在50 Pa正压差以上，使机舱内空气可以顺畅排出。由于目前运营状态的20 000 TEU集装箱船在开启2台风机时已经可以满足要求，且一般风机选型和风量都有很大的冗余，可默认机舱内外气压差在50 Pa的正压差以上。通过查阅图1风机不同频率下的特性曲线，各工况满足最大排风压力要求。根据图1，假定JCZ-160-5风机的压头变化随流量的变化不大，效率将会出现下降，下降幅度相对较小。由于目前缺失风机相关资料，无法得知具体的风机效率，假定效率同静压变化趋势一致，静压头为400 Pa。

2 能效优化

表3提供20 000 TEU箱船在带冷箱航行过程中，各航段功率节省的统计。

表3 典型集装箱船欧亚航线功率节省统计

通过计算可知，带冷箱状态下需5台风机同时运作，当船舶处于操纵或停泊工况时，所需风量和风机运行台数如表3所示。风机处于原工况下的输入功率为65 kW，节省功率因此可由式（9）计算：

式中：P为节省总输入功率，kW；Nin为原风机输入功率，kW；N1为风机总输入功率，kW；T为区域内航行时间，h。

根据20 000 TEU级集装箱船典型航行时刻表可知，单航次用时为104天。根据表2和式（9）计算可知，单航次功耗节省约41 935 kW h。按年均3个航次计算，20 000 TEU集装箱船年节约功耗125 805 kW h。柴油发电机组的燃油消耗率为234 g/kW h，按每吨380船用重油价格4 100元计算，年节约燃油费用约：125 805× 234÷106×4 100 =117 754元。

变频设备对船厂的报价为68.76万人民币，通过计算可求得成本收回时间约为5.8年。

3 结 语

采用变频调速系统的机舱风机可以一直运行在高效区间。由于燃油价格波动及设备报价所产生的投资回报年限会有波动，但对船舶通风机进行节能变频改造可在整船寿命周期内获得显著的经济效益。