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摘要：本文对17000m3液化乙烯船的变频海水泵的功能原理进行分析，与传统额定转速的冷却海水泵进行比较，证明了变频海水泵的应用能够带来实际的经济效益。
关键词：船用海水冷却泵 变频调速 节能 安全
1引言
大型商業运输船舶的冷却系统通常设计为中央冷却系统，即船上所有设备均用淡水冷却，包括主机、辅柴油机、空压机、空调及冷藏装置、大气冷凝器等。船上设置2台或3台电动海水泵提供海水用于冷却淡水，淡水用来冷却船用设备。传统的主海水冷却泵设计参数均考虑极限设计（海水温度32 ），所有设备满负荷运行，且留有一定余量，实际使用中，船舶大多处于70%～80%的经额定功率经济航速，且大部分时间是在低于32度的海域中航行。因此，海水泵是长期在超出实际需要的功率下运行的。变频技术近年来已成功应用于船舶电力推进与船舶设备，节能效果明显，为船东带来了可观的经济效益。本文以17K LEG船为例，介绍变频海水泵在本项目的应用。
2 海水冷却系统
由于船舶在不同工况、海区下航行面对不同的海水温度，中央冷却系统面对同样的热交换量，所需海水量就不同，热带海区或全负荷工况下，海水泵需全速运行，以最大流量供应海水给中央冷却系统。而寒冷海区航行及部分负荷工况下航行，由于海水温度低，海水温差大，同样热交换所需海水流量就少。由此可见，船舶在不同工况，不同海区下航行，冷却海水的用量是不同的。传统的中央冷却系统是以恒定转速泵供应海水，这样会造成泵无论是何种工况、何种海况都以恒定转速工作，不利于节能。鉴于此，可应用海水泵降速运行技术，满足不同工况不同海区，实现海水系统不同海水量需求的要求，达到节能目的。
本项目海水冷却泵（设计参数见表1）为2台64 kW电动离心泵，单台泵额定功率满足船舶航行极限工况。冷却系统示意图见图1，海水由海水冷却泵自左右舷的海底门吸入主管路， 然后海水作为冷却介质进入2台中央淡水冷却器。淡水系统由三台低温淡水冷却泵提供动力，在中央冷却器里与海水进行热交换，淡水管路中温度传感器FWF17作为变频器的控制量，保证淡水温度恒定在设定值附近，当淡水温度降低时，降低海水泵转速，达到节能目的。温度传感器FWF46作为淡水温度的辅助控制量，控制温控阀FWV83的开度。
3 CM-1000变频系统分析
3.1变频器工作原理
通过电力半导体的通、断作用，将频率固定不变的交流电转化为频率可以变换的交流电源，给海水泵提供可靠的电源，见图示2。本系统由控制单元CM-1000，变频器VSD，泵及相关传感器组成，系统配置见图3。
3.2系统功能
CM-1000能根据淡水温度对泵转速进行控制，通过传感器实现泵运行状态监测。状态监测主要包括，轴承温度，泵的轴承监测，机械密封，马达与泵之间的连接故障等。当系统正常运行时，模式选择为“自动”。主泵启动，备泵停止。
3.2.1淡水温度保持：当系统初始化结束后，进入淡水温度自动控制阶段。系统会根据淡水温度自动调节海水泵转速。淡水温度将维持或接近设定值附近（34℃）。当淡水温度波动时系统会维持淡水温度在允许范围内。
3.2.3淡水温度低于设定值：当淡水温度低于设定值时，系统会降低海水泵转速，海水泵运行功率下降，同时淡水温度上升，结果就是整个冷却系统节约电能。如果系统压力非常接近最低压力设定值，海水泵转速不会继续降低，而是维持在系统设定的最低压力之上。
3.2.4手动工作模式：以下几种情况需要手动控制主海水泵a）冲洗中央冷却器b）对海水流量和压力有最低要求，如应急工况 c）控制箱之间通讯故障. 选择开关打到“MAN”位置，海水泵将以额定转速运行，此时除了泵的应急停止信号， 其他传感器送过来的控制泵信号将不起作用.
4 变频海水泵节能分析
4.1理论计算
冷却海水泵属于一种离心式水泵，离心泵构造原理为[1]：
其中，n为电机转速，n1为之前的转速，n2为降低后的转速，Q为泵流量，Q1为之前流量，Q2为降低转速后的流量，p为海水泵压力，p1为之前的压力，p2为降低转速后的压力，P电机输出功率，P1为之前的输出功率，P2为降低转速后的输出功率。
由式（1） ，（2） 可见，如果海水泵的流量减半，海水泵转速只需原来的一般，其轴功率只需原来的1/8，节能效果非常明显。然而，由于转速减半，其压力只有原来的1/4，对于客服管阻力不利，但由于海水泵选型时考虑的是最恶劣工况，在额定转速下海水泵出口压力是有余量的，因此可以在海水管路上设置一个压力传感器，保证海水泵的最低转速。
水泵变频调速是指通过改变异步电动机定子端输入电源的频率来改变电动机的转速，从而达到改变水泵转速的目的. 异步电动机的转速为[2]
式中： f 为电源频率， Hz ; s 为转差率; p 为电动机磁极对数.
从式（4） 可以看出，要改变转速，采取的措施有： 1） 改变转差率s;2） 改变电机的极对数p;3） 改变定子供电频率f . 然而，一旦泵的配套电动机选定，其p 和s 为定值，这时电动机的转速将与供电频率成正比，即电源的频率越高，转速就越高，反之，转速越低. 泵的变频调速就是通过改变供电频率来改变电动机的转速，从而改变泵的转速.
4.2经济效益分析
按本船航行1万海里，海水平均温25℃，航速15节，需要的海水泵流量为：
当然这只是理论计算值，由于海水系统对海水泵的最低压力要求，电网效率等实际使用时可能不会这么的大的节约量。实际使用效果还有待船舶实际运营中检验。
4.3 安装变频海水泵对系统的影响
（1）实时监测系统状态。CM-1000控制系统能实时监测海水泵运行状态，及时将报警送至船舶中央报警系统，提醒船员处置报警，保证系统安全。
（2）节能，根据淡水温度调节海水泵转速，当降低海水泵转速时，可以节约电能。
（3）延长电机和海水泵的使用寿命。电机直接启动时电流约5～8倍额定电流，大型泵组直接启动时机械冲击力很大，采用变频启动时，可以实现软启动，对电机几乎不产生冲击，可延长机械的使用寿命。
（4）系统的可靠性与系统的复杂性成反比，同样的，变频控制方式与传统的启动器相比，可靠性差一些。当海水泵变频器故障时，系统可自动切换到额定功率，保证海水系统的安全运行。
（5）与普通启动器相比，目前变频器价格比较昂贵，一次性投资较大，但从长期使用看，使用变频泵会节约成本，是一次投入，长期受益。
（6）变频器工作时由于整流和变频，会产生干扰，对船上其他设备会有影响，电缆应尽量与通讯电缆分开敷设，同时变频器应可靠接地。
5 结论
通过上述分析可看出，本项目采用的变频海水泵节能效果显著，使电机实现了真正软启动，减小了对海水管道、中央冷却器的水力冲击和磨损，使系统运行更安全可靠，并且可大幅度节省了设备维护费用。因此，采用变频海水泵，可降低能耗，节约船舶运营成本。
参考文献：
[1] 谭有广，刘峰，许郢.水泵的变频调速节能原理分析[J].应用能源技术，2004（3）：27228.
[2] 张春光.全自动变频调速供水泵运行工况与节能分析[J].节能技术，2003，21（4）：41244
关键词：船用海水冷却泵 变频调速 节能 安全
1引言
大型商業运输船舶的冷却系统通常设计为中央冷却系统，即船上所有设备均用淡水冷却，包括主机、辅柴油机、空压机、空调及冷藏装置、大气冷凝器等。船上设置2台或3台电动海水泵提供海水用于冷却淡水，淡水用来冷却船用设备。传统的主海水冷却泵设计参数均考虑极限设计（海水温度32 ），所有设备满负荷运行，且留有一定余量，实际使用中，船舶大多处于70%～80%的经额定功率经济航速，且大部分时间是在低于32度的海域中航行。因此，海水泵是长期在超出实际需要的功率下运行的。变频技术近年来已成功应用于船舶电力推进与船舶设备，节能效果明显，为船东带来了可观的经济效益。本文以17K LEG船为例，介绍变频海水泵在本项目的应用。
2 海水冷却系统
由于船舶在不同工况、海区下航行面对不同的海水温度，中央冷却系统面对同样的热交换量，所需海水量就不同，热带海区或全负荷工况下，海水泵需全速运行，以最大流量供应海水给中央冷却系统。而寒冷海区航行及部分负荷工况下航行，由于海水温度低，海水温差大，同样热交换所需海水流量就少。由此可见，船舶在不同工况，不同海区下航行，冷却海水的用量是不同的。传统的中央冷却系统是以恒定转速泵供应海水，这样会造成泵无论是何种工况、何种海况都以恒定转速工作，不利于节能。鉴于此，可应用海水泵降速运行技术，满足不同工况不同海区，实现海水系统不同海水量需求的要求，达到节能目的。
本项目海水冷却泵（设计参数见表1）为2台64 kW电动离心泵，单台泵额定功率满足船舶航行极限工况。冷却系统示意图见图1，海水由海水冷却泵自左右舷的海底门吸入主管路， 然后海水作为冷却介质进入2台中央淡水冷却器。淡水系统由三台低温淡水冷却泵提供动力，在中央冷却器里与海水进行热交换，淡水管路中温度传感器FWF17作为变频器的控制量，保证淡水温度恒定在设定值附近，当淡水温度降低时，降低海水泵转速，达到节能目的。温度传感器FWF46作为淡水温度的辅助控制量，控制温控阀FWV83的开度。
3 CM-1000变频系统分析
3.1变频器工作原理
通过电力半导体的通、断作用，将频率固定不变的交流电转化为频率可以变换的交流电源，给海水泵提供可靠的电源，见图示2。本系统由控制单元CM-1000，变频器VSD，泵及相关传感器组成，系统配置见图3。
3.2系统功能
CM-1000能根据淡水温度对泵转速进行控制，通过传感器实现泵运行状态监测。状态监测主要包括，轴承温度，泵的轴承监测，机械密封，马达与泵之间的连接故障等。当系统正常运行时，模式选择为“自动”。主泵启动，备泵停止。
3.2.1淡水温度保持：当系统初始化结束后，进入淡水温度自动控制阶段。系统会根据淡水温度自动调节海水泵转速。淡水温度将维持或接近设定值附近（34℃）。当淡水温度波动时系统会维持淡水温度在允许范围内。
3.2.3淡水温度低于设定值：当淡水温度低于设定值时，系统会降低海水泵转速，海水泵运行功率下降，同时淡水温度上升，结果就是整个冷却系统节约电能。如果系统压力非常接近最低压力设定值，海水泵转速不会继续降低，而是维持在系统设定的最低压力之上。
3.2.4手动工作模式：以下几种情况需要手动控制主海水泵a）冲洗中央冷却器b）对海水流量和压力有最低要求，如应急工况 c）控制箱之间通讯故障. 选择开关打到“MAN”位置，海水泵将以额定转速运行，此时除了泵的应急停止信号， 其他传感器送过来的控制泵信号将不起作用.
4 变频海水泵节能分析
4.1理论计算
冷却海水泵属于一种离心式水泵，离心泵构造原理为[1]：
其中，n为电机转速，n1为之前的转速，n2为降低后的转速，Q为泵流量，Q1为之前流量，Q2为降低转速后的流量，p为海水泵压力，p1为之前的压力，p2为降低转速后的压力，P电机输出功率，P1为之前的输出功率，P2为降低转速后的输出功率。
由式（1） ，（2） 可见，如果海水泵的流量减半，海水泵转速只需原来的一般，其轴功率只需原来的1/8，节能效果非常明显。然而，由于转速减半，其压力只有原来的1/4，对于客服管阻力不利，但由于海水泵选型时考虑的是最恶劣工况，在额定转速下海水泵出口压力是有余量的，因此可以在海水管路上设置一个压力传感器，保证海水泵的最低转速。
水泵变频调速是指通过改变异步电动机定子端输入电源的频率来改变电动机的转速，从而达到改变水泵转速的目的. 异步电动机的转速为[2]
式中： f 为电源频率， Hz ; s 为转差率; p 为电动机磁极对数.
从式（4） 可以看出，要改变转速，采取的措施有： 1） 改变转差率s;2） 改变电机的极对数p;3） 改变定子供电频率f . 然而，一旦泵的配套电动机选定，其p 和s 为定值，这时电动机的转速将与供电频率成正比，即电源的频率越高，转速就越高，反之，转速越低. 泵的变频调速就是通过改变供电频率来改变电动机的转速，从而改变泵的转速.
4.2经济效益分析
按本船航行1万海里，海水平均温25℃，航速15节，需要的海水泵流量为：
当然这只是理论计算值，由于海水系统对海水泵的最低压力要求，电网效率等实际使用时可能不会这么的大的节约量。实际使用效果还有待船舶实际运营中检验。
4.3 安装变频海水泵对系统的影响
（1）实时监测系统状态。CM-1000控制系统能实时监测海水泵运行状态，及时将报警送至船舶中央报警系统，提醒船员处置报警，保证系统安全。
（2）节能，根据淡水温度调节海水泵转速，当降低海水泵转速时，可以节约电能。
（3）延长电机和海水泵的使用寿命。电机直接启动时电流约5～8倍额定电流，大型泵组直接启动时机械冲击力很大，采用变频启动时，可以实现软启动，对电机几乎不产生冲击，可延长机械的使用寿命。
（4）系统的可靠性与系统的复杂性成反比，同样的，变频控制方式与传统的启动器相比，可靠性差一些。当海水泵变频器故障时，系统可自动切换到额定功率，保证海水系统的安全运行。
（5）与普通启动器相比，目前变频器价格比较昂贵，一次性投资较大，但从长期使用看，使用变频泵会节约成本，是一次投入，长期受益。
（6）变频器工作时由于整流和变频，会产生干扰，对船上其他设备会有影响，电缆应尽量与通讯电缆分开敷设，同时变频器应可靠接地。
5 结论
通过上述分析可看出，本项目采用的变频海水泵节能效果显著，使电机实现了真正软启动，减小了对海水管道、中央冷却器的水力冲击和磨损，使系统运行更安全可靠，并且可大幅度节省了设备维护费用。因此，采用变频海水泵，可降低能耗，节约船舶运营成本。
参考文献：
[1] 谭有广，刘峰，许郢.水泵的变频调速节能原理分析[J].应用能源技术，2004（3）：27228.
[2] 张春光.全自动变频调速供水泵运行工况与节能分析[J].节能技术，2003，21（4）：41244