漁業船舶變頻節能系統設計應用

董慶全+聞濤

摘 要：簡單介紹了目前國內漁業船舶上一些已經采用的軸帶發電機變頻供電技術、電力推進變頻驅動技術、側推變頻驅動技術、冷卻水泵及冷凍風機變頻節能技術，以期更多的業內人士能夠共同探討我國漁業船舶變頻技術的發展運用。

關鍵詞：漁船；軸帶發電機；變頻器；節能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.130

0 引言

隨著科學技術的發展，變頻技術已經日趨成熟，變頻空調、變頻洗衣機、變頻冰箱等等已經漸漸走進千家萬戶取代傳統的家用電器，生活中每時每刻我們都能感受到變頻節能帶來的好處，可以說變頻技術正在悄悄地改變著人類的生活。隨著我國漁業技術的快速發展，漁船保有量和漁業產量已經多年穩居世界第一，漁業已經成為我國農業經濟的重要支柱產業，然而由于受傳統思維的束縛和漁業技術的短期過快發展，我國漁業從業人員的節能環保理念仍然相對落后，尤其是變頻技術在各行各業飛速發展的今天，卻依然沒有在我國漁業現代化的進程中綻放光彩，相對于常規的運輸類船舶，漁業船舶由于作業工況多變，變頻技術的優勢將會得到充分體現。文章簡單介紹了目前漁業船舶常規設計中可選用的變頻供電及變頻驅動技術，供業內人士借鑒參考。

1 漁業船舶作業工況簡介

目前漁業船舶常規配置的大型設備主要有主機、柴油發電機組、冷凍機、液壓網機，供各設備冷卻用油泵、水泵及漁獲物冷藏用冷風機，近年來部分漁業船舶開始采用軸帶發電機變頻供電及變頻電力推進技術。相對于常規船舶進出港之后即進入穩定的航行工況，漁業船舶由于其作業的特殊性，絕大部分時間在拖網、起網、及航行三種工況之間重復交替運行。而且各工況間主機轉速相差較大，以一艘常規拖網漁船主機額定轉速為750rpm為例，正常作業時起網轉速一般在350rpm～400rpm，拖網轉速一般在500rpm～600rpm，航行轉速一般在650rpm～750rpm，大部分工況主機功率并不能完全發揮，燃油經濟性較差。同時，由于漁業船舶電力系統負荷與船舶作業工況及漁獲物數量密切相關，變化范圍同樣較大，漁業船舶作業工況及負荷工況的多變給變頻技術運用提供了一個寬闊的舞臺。

2 漁業船舶變頻技術應用

2.1 軸帶發電機變頻供電技術

由于漁業船舶主機長期運行在額定轉速以下，為提高船舶能效設計指數充分發揮主機效率，目前很多漁船設置有軸帶發電機，變頻技術成熟之前，在漁船設計上主要選取拖網或航行其中一種工況作為設計點來匹配主機前端軸帶發電機增速齒輪箱速比（對小功率皮帶旁拖發電機為匹配驅動及從動帶輪速比），其中少量漁船設置雙速比增速箱來滿足二種工況同時使用。

然而由于主機在各工況下轉速變化較大，頻率波動范圍一般僅可控制在45Hz～55Hz，可以滿足正常照明及小功率廚房設備等用電需求，無法滿足動力設備供電技術要求（47.5Hz～52.5Hz），且因使用過程中頻率變化過大而無法與實船配置的柴油發電機組實現長期穩定并車運行，軸帶發電機的運用受到很大的局限性，因此常規配置軸帶發電機功率一般僅在16kW～75kW之間，主機效率并不能充分發揮。為改善以上軸帶發電機供電缺陷故在原有的電力系統設計基礎上引入變頻技術，將非理想頻率轉化為理想頻率使用，如下圖1所示：

采用以上方案后，原軸發輸出頻率45Hz～55Hz經變頻器調整為47.5Hz～52.5Hz，可直接輸送給各動力設備使用，消除了由于頻率原因造成的局限性。根據實船配置主機功率的大小及功率裕度可以選擇配置200kW以上的軸帶發電機，且變頻后軸帶發電機可與實船配置的其它柴油發電機組長期穩定并車運行。根據電力負荷計算結果，相對于原電力系統設計，可直接取消一臺柴油發電機組，經濟效果相當顯著。

2.2 電力推進變頻驅動技術

隨著電力推進技術的日趨成熟，變頻驅動的電力推進裝置逐步應用于漁業船舶，相對于傳統動力船舶，電力推進具有良好的經濟性、可操控性，且安全性高、噪音低，基于以上優點，電力推進特別適合漁業船舶作業工況多變，且噪音要求盡可能低干擾盡可能小的設計要求。其在漁業船舶運用如下圖2所示：

該設計方案推進電機同時兼作軸帶發電機，電力推進模式下，由柴油發電機組供電，經主配電板及變頻裝置平穩啟動后通過變頻控制螺旋槳轉速，由于變頻器的介入，推進電機啟動平穩，對電網沖擊很小，且能實現無級調速，顯著改善船舶的啟動性能及機動性能，同時電力推進作為柴油機主推進的補充，提高了漁船動力系統的冗余性，降低了癱船的可能性，增強漁船的生存能力。

該設計方案可以通過開關轉換直接在變頻電推模式及軸帶發電模式之間自由切換，當主機投入運行時可選擇直接進入軸帶發電機變頻供電模式，提高主機利用率。

2.3 側推變頻驅動技術

對于一些特殊作業漁船，尤其是圍網漁船，為提高其作業機動性能，艏部普遍設有大功率側向推進裝置。傳統漁業船舶一般使用液壓側推或可調槳側推，結構較為復雜需設置較多的液壓管路，配置單獨的液壓泵站，同時存在嚴重泄露、污染等問題，系統效率較低，故障率高。采用變頻電動側推，其系統設計類似于上述變頻電力推進系統（不再贅述），由于其良好的無級調速性能，其機動性能優于傳統側推，且直接由電動機取代了原有的液壓系統，布置也更加靈活方便。

2.4 冷卻水泵變頻驅動技術

船舶系統幾乎所有的大型設備均設置有冷卻水泵，為降低海水對系統的腐蝕同時減少海洋生物生長帶來的不利影響，實船通常采用獨立的二次循環冷卻系統（海水開式冷卻，淡水閉式冷卻）或采用集中式中央冷卻系統。由于不同區域，不同季節，海水溫度相差較大，海水溫度的變化及設備運行負荷的變化為變頻技術的應用提供了空間。同時因海水溫度隨季節變化較大，直接利用海水溫度調整電機頻率較為困難，故實船應用時通常選取淡水溫度作為基準點變頻調整海水泵流量，如下圖3所示：endprint

如上圖所示，淡水冷卻器出口設置有溫度傳感器PT100，該傳感器可以連續測量冷卻器出口淡水溫度，通常將冷卻器淡水出口溫度設定為36℃，根據監測到的實際溫度反饋至基于PLC控制的PID自動調頻系統進行海水泵電機加減頻率調整，驅動海水泵電機根據冷卻器淡水出口溫度與設定值比較的正負變化進行調速，從而調整冷卻海水流量，由此構成閉環流量自動調節系統以節約電能。

2.5 冷凍風機變頻驅動技術

目前漁業船舶冷凍系統變頻節能技術主要應用于冷藏運輸船二次冷卻循環系統中對冷凍風機進行變頻控制。由于漁船運輸船屬于漁業船舶中較特殊的存在，為提高作業效率，往往會設置不同溫度的魚艙以存放不同類型的漁獲物。一次冷卻循環由壓縮機組采用氨或氟利昂制冷來冷卻鹽水，二次冷卻循環由各冷鹽水管進入冷藏艙由風機盤管強制通風冷卻，如下圖4所示：

如上圖所示為其中一個冷藏艙（-20℃）冷凍風機變頻節能示意圖，其余各艙與該艙類似，僅設定溫度不同。各貨艙冷風機采用各自單獨的變頻器驅動，貨艙內均設有PT100溫度傳感器，通過實測冷藏艙溫度值與設定值對比確定變頻器加減頻率，從而改變冷凍風機電機轉速，通過改變進入冷藏艙的冷風量實現冷藏艙溫度的自動節能調節。

3 總結

通過近幾年不斷在漁業船舶上對變頻技術進行推廣實踐，深刻意識到對于漁業船舶這一作業工況多變的特殊型船舶，變頻技術大有可為，相對于普通貨運船舶，其運用變頻技術的經濟效果更加顯著。雖然我國作為世界第一漁業大國，根據統計數據截至2015年末我國機動漁船數量已達67.24萬艘，但是目前我國變頻節能技術在漁業船舶上的應用尚處于起步階段，可以預見不遠的將來變頻技術將會深入到漁業船舶的方方面面，對我國漁業船舶的發展帶來深遠的影響。

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作者簡介：董慶全（1978-），男，山東濟寧人，本科，工程師，主要從事船舶工程設計工作。endprint