CN114348224A - 船舶变频泵冷却系统及其控制方法 - Google Patents

船舶变频泵冷却系统及其控制方法 Download PDF

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CN114348224A CN202210153359.7A CN202210153359A CN114348224A CN 114348224 A CN114348224 A CN 114348224A CN 202210153359 A CN202210153359 A CN 202210153359A CN 114348224 A CN114348224 A CN 114348224A
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Abstract

本发明提供一种船舶变频泵冷却系统及其控制方法，包括：冷却管道，设有引水口和出水口；热交换设备，设置在冷却管道上；变频泵和流量计，均设置在冷却管道中，用于调整和检测冷却水的实际流量；控制子系统，与变频泵和流量计电性连接。本发明提供的船舶变频泵冷却系统，通过在冷却管道中设置变频泵控制冷却水的实际流量，利用控制子系统获取船舶的实际航速和冷却水的流量需求，将实际航速与预设数据集合进行匹配，确定最接近实际航速的航速工况；基于航速工况，在保证循环流量达到流量需求的前提下，确定变频泵所对应的转速集合，控制变频泵的转速，使得变频泵既能满足船舶热源设备的总体冷却需求，又能以较低的功率运行以兼顾节能目标。

Description

船舶变频泵冷却系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及循环泵控制技术领域，尤其涉及一种船舶变频泵冷却系统及其控制方法。
背景技术
为了降低通海冷却系统的泵功损耗，提高能量利用效率，大型船舶普遍配置自流冷却系统，即设置引水口，利用船舶在航行中造成的迎面流的动压头来抽吸海水，借助动压转换作用为各热源设备提供冷却海水，同时在冷却管路中配置一定功率的循环泵，补充引水口的自动供水能力。最终，自流冷却系统一般通过“自流-泵流”相结合的混合驱动方式，保证在全工况下船舶热源设备的冷却需求。
因此，自流冷却系统在船舶较高航行工况下，仅利用引水口的动压作用就可以满足系统循环流量的供应需求。而在较低航速工况下，仅利用引水口的动压作用不足以满足系统循环流量的供应需求，则需要启动循环泵，保证船舶热源设备的冷却需求。也就是说，循环泵的控制既要满足船舶热源设备的冷却海水流量需求，也要尽量以较低的功率运行，同时，要根据船舶运行工况的需求，进行快速调节以避免热源设备的损坏，这些多重需求大大增加了循环泵的控制难度。传统的循环泵控制方式往往只从船舶热源设备的冷却需求出发，难以兼顾节能及快速调节等目标。
发明内容
本发明提供一种船舶变频泵冷却系统及其控制方法，用以解决传统的循环泵控制方式只从船舶热源设备的冷却需求出发，难以兼顾节能及快速调节等目标的缺陷。
本发明提供一种船舶变频泵冷却系统，包括：
冷却管道，设有引水口和出水口；
变频泵，设置在所述冷却管道中，用于调整流经所述冷却管道的冷却水的实际流量；
流量计，设置在所述冷却管道中，用于检测流经所述冷却管道的冷却水的实际流量；
控制子系统，与所述变频泵和所述流量计电性连接，用于获取船舶的实际航速和冷却水的流量需求；将实际航速与预设数据集合进行匹配，确定最接近实际航速的航速工况；基于航速工况，在保证循环流量达到流量需求的前提下，确定所述变频泵所对应的转速集合；基于所述转速集合，控制所述变频泵的转速。
根据本发明提供的一种船舶变频泵冷却系统，所述控制子系统包括：
服务器，与所述流量计电性连接，用于获取船舶的实际航速和冷却水的流量需求；将实际航速与预设数据集合进行匹配，确定最接近实际航速的航速工况；基于航速工况，在保证循环流量达到流量需求的前提下，确定所述变频泵所对应的转速集合；基于所述转速集合，生成控制所述变频泵转速的控制命令；
控制器，所述服务器通过所述控制器与所述变频泵电性连接，用于根据所述控制命令控制所述变频泵。
根据本发明提供的一种船舶变频泵冷却系统，所述控制子系统还包括：
操作台，与所述服务器电性连接，用于输入航速和冷却水的流量需求。
本发明还提供一种船舶变频泵冷却系统的控制方法，包括：
获取船舶的实际航速和冷却水的流量需求；
将实际航速与预设数据集合进行匹配，确定最接近实际航速的航速工况；
基于航速工况，在保证循环流量达到流量需求的前提下，确定变频泵所对应的转速集合；
基于所述转速集合，控制变频泵的转速。
根据本发明提供的一种船舶变频泵冷却系统的控制方法，所述基于所述转速集合，控制变频泵的转速的步骤包括：
确定转速集合中的最小转速；
根据最小转速控制变频泵。
根据本发明提供的一种船舶变频泵冷却系统的控制方法，所述基于所述转速集合，控制变频泵的转速的步骤之后还包括：
获取冷却水的实际流量；
比较冷却水的流量需求和实际流量；
若实际流量≥流量需求，则停止调节变频泵的转速；若实际流量＜流量需求，则在当前转速的基础上提升变频泵的转速。
根据本发明提供的一种船舶变频泵冷却系统的控制方法，所述若实际流量＜流量需求，则在当前转速的基础上提升变频泵的转速的步骤之后还包括：
重新获取冷却水的实际流量，并比较重新获取的实际流量和流量需求；
若重新获取的实际流量≥流量需求，则停止调节变频泵的转速。
根据本发明提供的一种船舶变频泵冷却系统的控制方法，若重新获取的实际流量＜流量需求，则在当前转速的基础上控制增加变频泵的转速，并返回重新获取冷却水的实际流量的步骤，直至重新获取的实际流量≥流量需求，则停止调节变频泵的转速。
根据本发明提供的一种船舶变频泵冷却系统的控制方法，获取冷却水的实际流量的步骤包括：
获取预设时间段内冷却水的多个流量值；
基于多个流量值的平均值，确定实际流量。
根据本发明提供的一种船舶变频泵冷却系统的控制方法，所述获取船舶的实际航速和冷却水的流量需求的步骤之前包括：
检测并记录在不同航速和不同转速下冷却水的循环流量；
建立变频泵的所述预设数据集合；所述预设数据集合包括：对应不同航速工况下的多个数据子集；每个所述数据子集均包括：对应航速工况下变频泵的转速与冷却水的循环流量的映射关系。
本发明提供的船舶变频泵冷却系统，通过在冷却管道中设置变频泵控制冷却水的实际流量，利用控制子系统获取船舶的实际航速和冷却水的流量需求，将实际航速与预设数据集合进行匹配，确定最接近实际航速的航速工况；基于航速工况，在保证循环流量达到流量需求的前提下，确定变频泵所对应的转速集合，最后通过该转速集合，控制变频泵的转速，使得变频泵既能满足船舶热源设备的总体冷却需求，又能以较低的功率运行以兼顾节能目标。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的船舶变频泵冷却系统的示意图；
图2是本发明提供的船舶变频泵冷却系统的控制方法的流程示意图之一；
图3是本发明提供的船舶变频泵冷却系统的控制方法的流程示意图之二；
图4是本发明一实施例提供的控制子系统的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图；
附图标记：
1、冷却管道；10、船舶热源设备；11、引水口；12、出水口；2、变频泵；3、流量计；4、服务器；5、控制器；6、操作台；410、获取模块；420、匹配模块；430、确定模块；440、处理模块；510、处理器；520、通信接口；530、存储器；540、通信总线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1描述本发明的提供的船舶变频泵冷却系统，该船舶变频泵冷却系统包括：冷却管道1、变频泵2、流量计3和控制子系统。
其中，冷却管道1用于满足船舶热源设备10的冷却需求，船舶热源设备10设置在冷却管道1上，冷却管道1设有引水口11和出水口12，船舶热源设备10位于引水口11和出水口12之间，引水口11利用船舶在航行中造成的迎面流的动压头来抽吸海水(冷却水)，出水口12则用于排出抽吸的海水。
变频泵2采用驱动电机配置变频器，通过调整变频器输出电压与频率实现电机转速的连续性调节，从而根据需求调节循环流量。变频泵2设置在冷却管道1中，用于调整流经冷却管道1的冷却水的实际流量，主要用于补充引水口11的自动供水能力。流量计3设置在冷却管道1中，用于检测流经冷却管道1的冷却水的实际流量。
控制子系统与变频泵2和流量计3电性连接，用于获取船舶的实际航速和冷却水的流量需求；将实际航速与预设数据集合进行匹配，确定最接近实际航速的航速工况；基于航速工况，在保证循环流量达到流量需求的前提下，确定变频泵2所对应的转速集合。基于转速集合，调整变频泵2的转速。
在一个具体的实施例中，当船舶航行工况改变时，控制子系统获取船舶的实际航速和冷却水的流量需求，将实际航速与预设数据集合进行匹配，预设数据集合包括：对应不同航速工况下的多个数据子集，每个数据子集均包括：对应航速工况下变频泵的转速与冷却水的循环流量的映射关系。控制子系统确定最接近实际航速的航速工况后，基于航速工况，在保证循环流量达到流量需求的前提下，确定变频泵2所对应的转速集合，最后基于转速集合，调整变频泵的转速。
在每一次船舶航行工况改变后，变频泵2能够按照上述步骤调节到合适的转速，既能满足船舶热源设备10的总体冷却需求，又能使变频泵2以较低的功率运行以兼顾节能目标。
本发明提供的船舶变频泵冷却系统，通过在冷却管道中设置变频泵控制冷却水的实际流量，利用控制子系统获取船舶的实际航速和冷却水的流量需求，将实际航速与预设数据集合进行匹配，确定最接近实际航速的航速工况；基于航速工况，在保证循环流量达到流量需求的前提下，确定变频泵所对应的转速集合，最后通过该转速集合，控制变频泵的转速，使得变频泵既能满足船舶热源设备的总体冷却需求，又能以较低的功率运行以兼顾节能目标。
基于上述实施例，在本发明提供的另一实施例中，如图1所示，控制子系统包括：服务器4和控制器5。
其中，服务器4与流量计3电性连接，服务器4可获取船舶的实际航速和冷却水的流量需求，服务器4将实际航速与预设数据集合进行匹配，确定最接近实际航速的航速工况。服务器4基于航速工况，在保证循环流量达到流量需求的前提下，确定变频泵2所对应的转速集合；基于转速集合，生成控制变频泵2转速的控制命令。
变频泵2配置控制器5(变频器)，通过调整变频器输出电压与频率实现转速的连续性调节，即每种变频泵2转速均对应相应的变频器输出电压与频率设置，因此，可以通过调整控制器5输出电压与频率调节变频泵2转速，进而调节循环流量。服务器4通过控制器5与变频泵2电性连接，控制器5用于根据控制命令控制变频泵2。在满足循环流量达到流量需求的前提下，控制变频泵2转速。
此外，还可在控制子系统中增设操作台6。将操作台6与服务器4电性连接，操作台6用于输入航速和冷却水的流量需求，从而操作台6输入的数据可发送至数据服务器4，无需服务器4计算流量需求，手动对控制子系统中的参数进行调整。
下面结合图1和图2描述本发明的提供的船舶变频泵冷却系统的控制方法，该控制方法包括如下步骤：
在控制前，检测并记录在不同航速和不同转速下冷却水的循环流量；建立变频泵的预设数据集合；预设数据集合包括：对应不同航速工况下的多个数据子集；每个数据子集均包括：对应航速工况下变频泵2的转速与冷却水的循环流量的映射关系。
表1循环泵控制数据库结构示意图
Figure BDA0003511270650000071
具体地，在实验室搭建同尺度的船舶自流冷却系统，通过在引水口11设置不同的进口速度来模拟不同的航速工况，测量在不同航速工况V下、不同循环泵转速T下的循环流量Q，形成变频泵2的预设数据集合，预设数据集合如表1所示，为n×m的矩阵，包括n个数据子集，其中n代表n种船舶航速工况，m代表m种循环泵转速工况。
步骤S110：获取船舶的实际航速和冷却水的流量需求。
当船舶航行工况改变时，服务器4获取实际航速和冷却水的流量需求Qs，或者船舶操控人员通过操作台6输入实际航速V和冷却水的流量需求Qs。
步骤S120：将实际航速与预设数据集合进行匹配，确定最接近实际航速的航速工况。
在服务器4获取实际航速V和冷却水的流量需求Qs后，将实际航速V与预设数据集合进行匹配，确定最接近实际航速的航速工况，也即选取预设数据集合中最接近实际航速V的数据子集。
步骤S130：基于航速工况，在保证循环流量达到流量需求的前提下，确定变频泵所对应的转速集合。
根据选取的数据子集，在保证循环流量达到流量需求的前提下，也即保证循环流量≥流量需求Qs的前提下，确定变频泵2所对应的转速集合。
步骤S140：基于转速集合，控制变频泵的转速。
转速集合中一般设有多个转速，变频泵2根据其中任一转速即可满足循环流量≥流量需求Qs，为了兼顾节能目标，获取转速集合后，还应确定转速集合中的最小转速，根据最小转速控制变频泵2。
具体地，例如，当前航速V最接近的航速工况Vp(p∈{1、2、3…n})，如表1所示，在航速工况Vp对应的数据行快速搜索循环流量不小于流量需求Qs的转速集合，选取转速集合中最小转速，确定最小循环流量Qmin其对应的变频泵2转速为Tq(q∈{1、2、3…m})，因此按变频泵2的转速Tq对应的变频器输出电压与频率对变频泵进行调整。
由于船舶在实际航行过程中存在特殊海洋环境等特殊因素的影响，按照实验测得的数据可能仍与实际存在一定偏差，因此，仍需要根据实际测量的循环流量进行循环泵转速的小范围调整。
在本发明提供的另一实施例中，如图3所示，步骤S140：基于转速集合，控制变频泵的转速的步骤之后还包括：
步骤S150：获取冷却水的实际流量。
在调整变频泵2的转速后，服务器4通过流量计3获取实际流量Q。具体地，获取预设时间段内冷却水的多个流量值。基于多个流量值的平均值,例如算数平均值或几何平均值，确定实际流量Q。
实际流量的计算过程如下：在某一时间段[ta,tb]，监测的流量值为Q1、Q2、Q3…Qk，共有k个数据，则船舶自流冷却管道的实时实际流量Q1为流量计信号在时间段[ta,tb]的均值，即
Figure BDA0003511270650000091
步骤S160：比较冷却水的流量需求和实际流量。
在获取冷却水的流量需求Qs和实际流量Q之后，比较冷却水的流量需求Qs和实际流量Q。
步骤S170：若实际流量≥流量需求，则停止调节变频泵的转速；若实际流量＜流量需求，则在当前转速的基础上提升变频泵的转速。
当实际流量Q≥流量需求Qs时，表明变频泵2当前的转速满足船舶热源设备10的冷却需求，则停止调节变频泵2的转速。
当实际流量Q＜流量需求Qs时，表明变频泵2当前的转速不满足船舶热源设备10的冷却需求，则在当前转速的基础上提升变频泵的转速。
为了保证满足船舶热源设备10的总体冷却需求，在调整后，重新获取冷却水的实际流量Q，并比较重新获取的实际流量Q和流量需求Qs。
若重新获取的实际流量Q≥流量需求Qs，表明变频泵2当前的转速满足船舶热源设备10的冷却需求，则停止调节变频泵2的转速。
若重新获取的实际流量Q＜流量需求Qs，表明变频泵2当前的转速不满足船舶热源设备10的冷却需求，则在当前转速的基础上控制增加变频泵2的转速，并返回重新获取冷却水的实际流量Q的步骤，直至重新获取的实际流量Q≥流量需求Qs，则停止调节变频泵2的转速。例如，当Q<Qs时，将变频泵2从当前转速Tq以1％的比例依次递增调节，直至实时循环流量Q≥Qs，则停止调节。
最终，在每一次船舶航行工况改变后，变频泵2能够按照上述步骤快速调节到合适的转速，既能满足船舶热源设备10的总体冷却需求，又能使循环泵实现节能目标。
下面对本发明实施例提供的控制子系统进行描述，下文描述的控制子系统与上文描述的控制方法可相互对应参照。
如图4所示，控制子系统包括：获取模块410、匹配模块420、确定模块430、处理模块440。
其中，获取模块410用于获取船舶的实际航速和冷却水的流量需求；匹配模块420用于将实际航速与预设数据集合进行匹配，确定最接近实际航速的航速工况；确定模块430用于根据航速工况，在保证循环流量达到流量需求的前提下，确定变频泵所对应的转速集合；处理模块440用于根据转速集合，控制变频泵的转速。
图5示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图5所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)510、通信接口(Communications Interface)520、存储器(memory)530和通信总线540，其中，处理器510，通信接口520，存储器530通过通信总线540完成相互间的通信。处理器510可以调用存储器530中的逻辑指令，以执行船舶变频泵冷却系统的控制方法，该控制方法包括：获取船舶的实际航速和冷却水的流量需求；将实际航速与预设数据集合进行匹配，确定最接近实际航速的航速工况；基于航速工况，在保证循环流量达到流量需求的前提下，确定变频泵所对应的转速集合；基于所述转速集合，控制变频泵的转速。
此外，上述的存储器530中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的船舶变频泵冷却系统的控制方法，该控制方法包括：获取船舶的实际航速和冷却水的流量需求；将实际航速与预设数据集合进行匹配，确定最接近实际航速的航速工况；基于航速工况，在保证循环流量达到流量需求的前提下，确定变频泵所对应的转速集合；基于所述转速集合，控制变频泵的转速。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的船舶变频泵冷却系统的控制方法，该控制方法包括：获取船舶的实际航速和冷却水的流量需求；将实际航速与预设数据集合进行匹配，确定最接近实际航速的航速工况；基于航速工况，在保证循环流量达到流量需求的前提下，确定变频泵所对应的转速集合；基于所述转速集合，控制变频泵的转速。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种船舶变频泵冷却系统，其特征在于，包括：
冷却管道，设有引水口和出水口；
变频泵，设置在所述冷却管道中，用于调整流经所述冷却管道的冷却水的实际流量；
流量计，设置在所述冷却管道中，用于检测流经所述冷却管道的冷却水的实际流量；
控制子系统，与所述变频泵和所述流量计电性连接，用于获取船舶的实际航速和冷却水的流量需求；将实际航速与预设数据集合进行匹配，确定最接近实际航速的航速工况；基于航速工况，在保证循环流量达到流量需求的前提下，确定所述变频泵所对应的转速集合；基于所述转速集合，控制所述变频泵的转速。
2.根据权利要求1所述的船舶变频泵冷却系统，其特征在于，所述控制子系统包括：
服务器，与所述流量计电性连接，用于获取船舶的实际航速和冷却水的流量需求；将实际航速与预设数据集合进行匹配，确定最接近实际航速的航速工况；基于航速工况，在保证循环流量达到流量需求的前提下，确定所述变频泵所对应的转速集合；基于所述转速集合，生成控制所述变频泵转速的控制命令；
控制器，所述服务器通过所述控制器与所述变频泵电性连接，用于根据所述控制命令控制所述变频泵。
3.根据权利要求2所述的船舶变频泵冷却系统，其特征在于，所述控制子系统还包括：
操作台，与所述服务器电性连接，用于输入航速和冷却水的流量需求。
4.一种船舶变频泵冷却系统的控制方法，其特征在于，包括：
获取船舶的实际航速和冷却水的流量需求；
将实际航速与预设数据集合进行匹配，确定最接近实际航速的航速工况；
基于航速工况，在保证循环流量达到流量需求的前提下，确定变频泵所对应的转速集合；
基于所述转速集合，控制变频泵的转速。
5.根据权利要求4所述的船舶变频泵冷却系统的控制方法，其特征在于，所述基于所述转速集合，控制变频泵的转速的步骤包括：
确定转速集合中的最小转速；
根据最小转速控制变频泵。
6.根据权利要求4所述的船舶变频泵冷却系统的控制方法，其特征在于，所述基于所述转速集合，控制变频泵的转速的步骤之后还包括：
获取冷却水的实际流量；
比较冷却水的流量需求和实际流量；
若实际流量≥流量需求，则停止调节变频泵的转速；若实际流量＜流量需求，则在当前转速的基础上提升变频泵的转速。
7.根据权利要求6所述的船舶变频泵冷却系统的控制方法，其特征在于，所述若实际流量＜流量需求，则在当前转速的基础上提升变频泵的转速的步骤之后还包括：
重新获取冷却水的实际流量，并比较重新获取的实际流量和流量需求；
若重新获取的实际流量≥流量需求，则停止调节变频泵的转速。
8.根据权利要求7所述的船舶变频泵冷却系统的控制方法，其特征在于，若重新获取的实际流量＜流量需求，则在当前转速的基础上控制增加变频泵的转速，并返回重新获取冷却水的实际流量的步骤，直至重新获取的实际流量≥流量需求，则停止调节变频泵的转速。
9.根据权利要求6所述的船舶变频泵冷却系统的控制方法，其特征在于，获取冷却水的实际流量的步骤包括：
获取预设时间段内冷却水的多个流量值；
基于多个流量值的平均值，确定实际流量。
10.根据权利要求4-9中任一项所述的船舶变频泵冷却系统的控制方法，其特征在于，所述获取船舶的实际航速和冷却水的流量需求的步骤之前包括：
检测并记录在不同航速和不同转速下冷却水的循环流量；
建立变频泵的所述预设数据集合；所述预设数据集合包括：对应不同航速工况下的多个数据子集；每个所述数据子集均包括：对应航速工况下变频泵的转速与冷却水的循环流量的映射关系。
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