1 概述

随着技术的不断发展, 现代舰船的能量消耗越来越大, 舰上的节能问题日益凸显。舰上的能量消耗包括动力推进、电子武器系统运行、舱室温度控制等多个方面。其中, 主要用于维持舱室温度的暖通制冷用能在舰船总能量消耗中占据很大比例。舰船热管理的概念在近年来得到越来越多的重视。通过舰上热管理系统, 可有效监控舱室温度和环境, 并进行控制调节, 对舰上节能有重要意义, 在舰船上得到越来越广泛的应用。本文分析了美国“尼米兹”级航母舱室温度控制情况, 并介绍了其正在发展并得到应用的新型热管理控制系统, 对该套系统的组成、功能及发展应用情况进行了详细分析。

2 “尼米兹”级航母舱室温度控制现状

2008 年, 为考察现役航母在当前部署环境中的舱室冷却能力, 以及现有冷却能力是否满足未来部署要求, 美国海军水面战中心卡德罗克分部工作人员在“林肯”号航母上安装数据采集装置, 可记录航母一年来空调设备和冷却水设备参数的变化情况。“林肯”号航母上空调系统和冷却水系统总重 363 t, 功率密度约为 1.2 kW/t, 空调系统采用内置微处理器记录状态参数。热管理工作组在“林肯”号航母上选取了 10 个目标舱室, 利用远程数据采集器, 每间隔 30 min 采集一次该舱室及相邻舱室的温度和相对湿度, 以及风机盘管进出口空气的相对湿度; 每间隔 15 min 采集一次目标舱室通风系统中冷却盘管内冷却水的进出口温度。此外, 还对航母上存在组件冷却问题的约 25 个舱室进行温度采集, 间隔时间为 30 min。在所有采集舱室中, 2 个恒温舱室设定温度为 23.9 ℃, 51 个恒温舱室设定温度为 26.7 ℃, 其余舱室设定温度更高, 或与外界相通而不恒温。除“林肯”号航母外, 美国海军热管理工作组还采集了“艾森豪威尔”号航母和“杜鲁门”号航母的部分舱室温度。一般情况下, 寒冷环境下的航母舱室温度设定为 26.7 ℃, 炎热环境下的航母舱室温度设定为 18.3 ℃。

根据测温结果推算, “尼米兹”级航母上约 25%～40% 的恒温舱室比设定温度低 5.6 ℃ 以上。根据诺福克海军船厂的研究结果, 当某舱室温度维持在低于设定温度 5.6 ℃ 时, 空调负荷将增加 2 冷吨。受此影响, 空调机组配电电流将会增大, 导致某些需要制冷的舱室无法充分冷却。每艘“尼米兹”级航母上有超过 600 个空调舱室, 假定其中 30% 的舱室温度低于设定值 5.6 ℃, 若通过热管理系统使这些舱室温度恢复设定值, 则可减少 360 冷吨的空调负荷。

为此, 美国海军开发了新型热管理控制系统, 可有效减少舱室过度冷却情况, 降低能源消耗。部分“尼米兹”级航母已安装通风控制子系统。

3 美海军新型热管理控制系统组成

美海军新型热管理控制系统(TMCS) 主要通过对舰上暖通空调系统(HVAC) 相关参数进行监测和控制, 来实现热量管理的目的。

参数监测方面, 热管理控制系统主要包括空调控制系统、冷却水控制系统、通风控制系统以及加热和冷却控制系统, 可对暖通空调系统的各部分参数进行监测。监测的参数包括各冷却水监测站的温度、压力和流速(2 组) , 冷却水主管道的进出口温差(3 组) , 空气过滤器压差(1 组) , 再循环空气温度(1 组) , 舱室传感器(3 组) , 舰外环境温度, 以及舱室温、湿度等。

系统控制方面, 热管理控制系统与舰上机械控制系统(MCS) 、综合状态评估系统(ICAS) 、综合损管系统(IDCS) 相连接, 可快速计算舰上冷却需求, 并对制冷量进行合理分配。同样, 舰上供电系统中的电能可给根据需要分配至作战或自防御系统中, 满足其瞬时大功率的制冷要求。

热管理控制系统可确定满足舰上制冷要求的空调机组最佳数量和位置, 调整系统设定值并减少人为操控。此外, 热管理控制系统还可根据航母状态(在港、海上或作战) 分别控制各舱室, 减少无人活动或少有人活动舱室的制冷量和通风量。

使用热管理控制系统后, 可有效减少舰上无人舱室的制冷量, 减少人为控制的空调开关个数防止过度制冷, 提供对温度的集中控制, 进而降低能量消耗和维护成本。

3.1 暖通空调系统参数监测组件

1) 智能恒温器

热管理控制系统将不再采用传统上仅具开关功能的恒温器, 而采用可连网的智能恒温器, 并通过中央控制站对恒温器进行控制。采用的是罗基研究公司研发的智能恒温器, 不仅具有调温作用, 还可满足海军舰艇调湿要求。智能恒温器有本地和远程 2 种控制方法, 本地控制可根据需要禁用。温度监测系统受用户口令保护, 并与人机界面间通过独立的光纤网络进行通信。目前美国海军水面战中心卡德罗克分部-舰船系统工作站(NSWCCD-SSES) 正在研究将温度监测系统网络与舰上光纤数据多路传输系统(FODMS) 相连接的方法。

智能恒温器有 110 V 交流和 24 V 直流 2 种型号, 支持 UDP 组播和传输控制及网络通讯协议(TCP/IP) , 通过风机盘管和再热控制器控制。目前美国 DDG 级驱逐舰上使用的为 110 V 交流智能恒温器, 显示温度范围为 -17.8 ℃～88.9 ℃, 消耗功率仅为 5 W, 已通过美国海军 MIL-S-901D A 级冲击测试、MIL-STD-167-1 振动测试和 MIL-STD-461E 电磁兼容性测试等。

2) 天花板传感器

精密的传感器可准确采集舱室温、湿度信息, 通过相应控制系统进行温湿度控制, 进而减少过度制冷, 降低空调系统负荷。目前热管理控制系统中的传感器是美国路创公司生产的天花板安装双配置 LOS-CDT 系列传感器。LOS-CDT 系列传感器采用自适应技术, 自动调节灵敏度并可定时, 防止出现误开和误关。该传感器采用 20～24 V 直流低压接线, 可安装在 2.4～3.7 m 高的天花板上, 覆盖面积范围达 46～186 m², 工作环境温度为 0～40 ℃, 相对湿度不超过 95%。

3) 冷却水监测站

冷却水监测站可对冷却水系统进行监测, 以发现潜在节能空间, 进一步降低空调系统负荷。目前美国每艘 DDG 级驱逐舰上均有 2 个冷却水监测站, 每个监测站均装有冷却水开关, 可本地测量温度和压力。在冷却水系统最高点安装超声速流量计, 可监测冷却水流量。冷却水流率过低时, 系统将报警。为了便于诊断, 热管理系统人机界面处将显示 2 个冷却水监测站的温度、压力、流率, 以及冷却水主管道上 3 个测量点的进出口温度。

4) 空气温度测量

热管理控制系统采用热电阻测量再循环空气温度, 在出现通风问题时进行报警。

5) 空气压差测量

美国海军水面战中心卡德罗克分部-舰船系统工作站正在发展新型暖通空调机组样机, 利用空气过滤器间的压差读数及监测再循环供气温度, 提高视情维修能力。空气过滤器上的压差装置为军标组件, 当过滤器需更换时将会报警。

3.2 与舰上其他系统间的连接

暖通空调系统可通过网络与舰上其他系统相连接, 具体做法是通过可编程逻辑控制器收集各传感器的数据, 而后通过网络传输至人机界面。人机界面可显示并远程控制包括暖通空调系统在内的舰上所有系统。

1) 人机界面

人机界面(HMI) 可显示所有监测参数, 并对所有恒温器进行远程控制。人机界面为美国军标触屏电脑, 用户界面采用 C++ 语言开发。目前, 美国海军水面战中心卡德罗克分部-舰船系统工作站正在开发可管理所有系统的用户界面(UI) 软件。用户界面可显示所有系统数据, 并允许用户与系统间的交互。

2) 可编程逻辑控制器

可编程逻辑控制器(PLC) 可从各传感器收集数据, 并传输至人机界面。热管理控制系统采用美国罗克韦尔自动化公司生产的可编程高性能自动化控制器。

3) 连接网络

可编程逻辑控制器和人机界面间由网络连接, 并对所有相关系统进行控制。热管理控制系统中所有智能恒温器都将通过网络连接至人机界面和集体防护系统(CPS) 。

3.3 系统优点

热管理控制系统可有效减少过度制冷情况, 降低能耗。控制系统可对舰上各空间温度进行监测和控制, 在舰员不经常活动的舱室通过智能恒温器进行温度调节, 减少空调本地控制开关数量。

此外, 使用热管理控制系统可进一步提高系统安全性, 在故障情况下优先减少非重点舱室的制冷量; 并增强空气过滤器和再循环空气温度等系统的维护和诊断能力, 增强冷却水系统诊断能力, 降低维护成本。

4 美海军新型热管理控制系统的发展和应用 4.1 美国海军热管理控制系统实施步骤

由于完整的热管理控制系统较为复杂, 美国海军水面战中心卡德罗克分部计划分阶段开展热管理系统上舰工作, 阶段性安装热管理子系统, 且各阶段都将进一步集成在上一阶段的系统中, 最终可形成完整热管理系统。

第 1 阶段：舱室温度控制。发展相关软、硬件, 可在中央控制室监测和控制舰上所有独立舱室的温度。包括安装新型控制阀和连网的智能恒温器。系统可在必要时直接冷却部分关键系统。

第 2 阶段：冷却水控制及改道。发展控制系统软件, 在故障情况下自动改变冷却水流道, 包括可从中央控制站控制或自动修正冷却水给水系统的智能冷却水控制阀, 保证在故障情况下最大程度地维持作战能力。

第 3 阶段：发展新型高效压缩机。压缩机上配置磁轴承、变速传动装置及永磁电机, 可安装在传统交流系统中, 增大发电能力并减少能量和维修要求。

第 4 阶段：通风系统控制。开发软件算法及测试设备, 利用可控阻尼器和变速传动装置改变通风量, 控制独立舱室的通风情况。安装风机盘管组件变速传动装置, 减少能量消耗。

2012 年 10 月美海军首先在 DDG 100 驱逐舰上进行热量管理控制系统第 1 阶段测试, 包括更换 129 个恒温器, 测试、维修 67 个电磁阀等。目前美国海军正在研发使用新型磁轴承、变速传动和永磁电机的下一代暖通空调机组。这些新技术可增加发电能力, 减少约 25% 的能量消耗, 并显著缩小相应发电系统基础设施尺寸。

4.2 在现役航母上的应用

“尼米兹”级较新的几艘航母上安装了通风控制系统, 该系统在所有风机处均配置了数字化启动装置。通风控制系统通过调节风机速度, 可改变各系统的冷空气量。风机是舰上机械控制系统的一部分, 当其他系统需要较大瞬时制冷量时, 风机速度可调整至最小电能消耗状态, 最大限度地节约能源。通风启动装置同样与舰上机械控制系统相连, 可利用中央控制站进行远程控制。这种通风控制系统要求风机在损管模式下可迅速隔离。

热管理系统与舰上机械控制系统(MCS) 、综合条件评估系统(ICAS) 等已有系统相连接。目前美国针对现役“尼米兹”级航母开发了“智能航母”机械控制系统, 在 CVN 70～CVN 75 航母上使用。此外, 美国海军在 CVN 70, CVN 72, CVN 73 和 CVN 74 等航母上安装了综合状态评估系统, 可有效进行系统诊断。由此看来, “尼米兹”级航母已具有逐步安装热管理控制系统的基础。随着大功率武器逐步上舰, 航母上设备冷却需求逐步增加, 预测未来“尼米兹”级航母及未来航母将会逐步安装热管理控制系统。

5 结语

随着舰船技术的发展, 高能武器、大功率电子设备等高耗能武器的上舰, 舰上能量消耗越来越大, 舰船节能技术受到越来越多的重视。作为控制舰船能耗的有效手段, 基于网络传感器和控制器的热管理控制系统已成为一个必然的发展趋势, 并显现了良好的