船舶柴油機(jī)燃油粘度控制系統(tǒng)的仿真

伍斯杰，王永堅(jiān)，楊小明，陳志明

(1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門361021;2.福建省廈門輪船有限公司，福建廈門361012;3.廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院，廣東湛江524088)

0 引言

為確保柴油機(jī)主機(jī)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，燃油粘度必須保持在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，若燃油粘度超標(biāo)，則可能造成柴油機(jī)運(yùn)動(dòng)件磨損加劇、燃油霧化不良以及燃油效率低.燃油粘度控制系統(tǒng) (FOVCS)是船舶機(jī)艙過(guò)程控制系統(tǒng)的重要組成部分［1］，采用PID控制，運(yùn)用傳熱學(xué)原理［2］，利用軟件MATLAB建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真，能較好地克服上述因素的影響，從而確保燃油粘度在合適的范圍內(nèi)，達(dá)到對(duì)燃油粘度的自動(dòng)控制.

1 NAKAKITA型燃油粘度控制系統(tǒng)工作原理

目前船上常用的燃油粘度控制系統(tǒng)有VAF型、NAKAKITA型和VISCOCHIEF型等，而NAKAKITA型燃油粘度控制系統(tǒng)［3］類似于在VAF型燃油粘度控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了溫度程序控制裝置和“柴油一重油”自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置.溫度控制程序裝置主要通過(guò)溫度粘度控制選擇閥分別輸入溫度程序調(diào)節(jié)器和粘度調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)，其輸出則選擇其中輸入大的信號(hào)，從而改變蒸汽調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，達(dá)到自動(dòng)控制燃油粘度的目的.當(dāng)燃油溫度在上限 (如135℃，可調(diào))和下限 (如20℃，可調(diào))值之間變化時(shí)，粘度調(diào)節(jié)器不工作，蒸汽調(diào)節(jié)閥由溫度程序調(diào)節(jié)器控制;當(dāng)燃油溫度達(dá)到上限值 (如135℃，可調(diào))時(shí)，粘度控制系統(tǒng)進(jìn)行工作，粘度調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)改變蒸汽調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，使燃油粘度穩(wěn)定在給定值上.“柴油—重油”自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置也是以油溫來(lái)實(shí)現(xiàn)的.例如若油溫較低并處于下限值，則燃油在溫度程序調(diào)節(jié)器的控制下，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)會(huì)自動(dòng)切換到重油的位置，但仍用柴油運(yùn)行工作，然后在溫度程序調(diào)節(jié)器的控制下，溫度會(huì)慢慢升高，當(dāng)油溫達(dá)到中間溫度值 (如70℃，可調(diào))時(shí)，三通活塞閥自動(dòng)開(kāi)啟并推動(dòng)三通電磁閥，自動(dòng)轉(zhuǎn)換為重油，溫度調(diào)節(jié)器控制對(duì)重油進(jìn)行加溫直至溫度的上限值 (如135℃，可調(diào))，其NAKAKITA型燃油粘度控制系統(tǒng)原理如圖1所示.

圖1 NAKAKITA型燃油粘度控制系統(tǒng)原理圖Fig.1 NAKAKITAfueloilviscositycontrolsystemprinciplediagram

2 數(shù)學(xué)模型的建立

本文對(duì)柴油機(jī)燃油粘度系統(tǒng)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，根據(jù)PID控制器的原理，選用比較合適的PID參數(shù)［4］，建立燃油粘度控制系統(tǒng)部分主要模型，然后利用傳熱學(xué)熱量原理對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，得到柴油機(jī)燃油粘度控制系統(tǒng)整體仿真模型［5］.

2.1 模擬PID控制器

模擬PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，通過(guò)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)規(guī)律.系統(tǒng)由被控對(duì)象和PID控制器組成，PID控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示.

圖2 模擬PID控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Analog PID control system principle diagram

設(shè)定值yset(t)和實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差e(t)，e(t)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量u(t)，u(t)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制.控制器的輸入輸出關(guān)系可描述為:u(t)=Kp［e(t)+∫e(t)dt/Ti+Tdde(t)/dt，其中:e(t)=yset(t)-y(t);Kp—為比例系數(shù);Ti—為積分時(shí)間常數(shù);Td—為微分時(shí)間常數(shù).其傳遞函數(shù)為:G(s)=Kp(1+1/Tis+Tds)，其中s—為復(fù)頻率.

選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，必須根據(jù)工程問(wèn)題的具體要求來(lái)考慮.在燃油粘度的控制中，要求被控過(guò)程是穩(wěn)定的，對(duì)溫度的變化應(yīng)盡可能及時(shí)響應(yīng)，超調(diào)量要小，在不同干擾下輸出能很快地穩(wěn)定在給定值，控制變量不宜過(guò)大，在系統(tǒng)與環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時(shí)控制應(yīng)保持穩(wěn)定.顯然，要同時(shí)滿足上述要求是很困難的，必須根據(jù)燃油粘度控制具體過(guò)程的要求，滿足主要方面，并兼顧其他方面.對(duì)于該燃油粘度控制系統(tǒng)，采取試湊法和經(jīng)驗(yàn)法選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，根據(jù)各種溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的PID參數(shù)，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)參照:比例系數(shù)P=20% ～60%;積分時(shí)間I=30～90s;微分時(shí)間D=30～90 s.因此，根據(jù)以上參照數(shù)據(jù)按照比例調(diào)整，本文選取參數(shù)為:P=20%;I=60 s;D=60 s.

2.2 加熱器系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型

加熱器工作流程如圖3［5］所示.其中:G0為主機(jī)在一定負(fù)荷下單位時(shí)間內(nèi)流量值，kg/h;G1為加熱器流出的燃油并進(jìn)入主機(jī)的流量值，kg/h;G2為進(jìn)入加熱器的蒸汽流量值，kg/h;G3為進(jìn)入混合油柜的帶有初溫的冷油的流量值，kg/h;T1i為進(jìn)入加熱器時(shí)或者流出混合油柜時(shí)的燃油溫度，℃;T1o為流出加熱器時(shí)或者進(jìn)出主機(jī)時(shí)的燃油溫度，℃;T3i為進(jìn)入混合油柜的燃油溫度，℃;T'為熱油在管路運(yùn)輸中存在熱量損失而造成的溫度下降值，℃.

帶有初溫T3i的冷油以G3流量進(jìn)入混合油柜，同時(shí)主機(jī)未消耗的熱油T1o以 (G1-G0)的流量進(jìn)入混合油柜，兩種油混合在一起后形成T1i溫度的油以G1的流量進(jìn)入換熱器，由于溫度遠(yuǎn)低于輸出溫度要求，故被蒸汽加熱，以G1的流量和T1o溫度流出并進(jìn)入主機(jī)，主機(jī)隨其負(fù)荷變化而消耗G0流量的熱油，剩余(G1-G0)的流量流回油柜，這樣周而復(fù)始.為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，本系統(tǒng)建模時(shí)，換熱器的熱損失、傳熱系數(shù)忽略不計(jì)，蒸汽的含熱變化量也可忽略.

圖3 加熱器(含混合油柜)工作流程圖Fig.3 Heaters work flow chart(including mixed oil tank)

2.3 傳熱學(xué)熱量分析

1)考慮換熱器的熱損失:若忽略間壁熱容，則根據(jù)熱量的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，可以得到如下熱平衡方程:

其中:λ2為蒸汽的比熱容，kJ/(kg·℃);c1為換熱器燃油的比熱容，kJ/(kg·℃);M1為加熱器內(nèi)冷油的質(zhì)量，kg.

將式 (1)經(jīng)拉氏變換，并整理得:

從主機(jī)出來(lái)的熱油在管路運(yùn)輸中的熱量損失與燃油溫度、環(huán)境溫度有關(guān)，對(duì)其進(jìn)行近似計(jì)算:

其中:T2為環(huán)境溫度，℃.

根據(jù)熱量的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，可以得到混合油柜熱平衡方程:

其中:c3為混合油柜燃油的比熱容，kJ/(kg·℃).

將式 (4)經(jīng)拉氏變換，并整理得:

3 仿真模型的建立

3.1 加熱器子系統(tǒng)仿真模型

用Simulink建立加熱器子系統(tǒng)［6］模型.通過(guò)從工具庫(kù)Ports and Subsystem模塊中，選取橢圓形的輸入輸出模塊，根據(jù)式 (2)建立加熱器子系統(tǒng)，可得到實(shí)際流出加熱器的燃油溫度T1o，具體的仿真模型如圖4所示.

圖4 加熱器子系統(tǒng)模型圖Fig.4 Heater subsystem model diagram

3.2 混合油柜子系統(tǒng)仿真模型

混合油柜子系統(tǒng)實(shí)際上就是由多個(gè)傳遞函數(shù)組成，在工具庫(kù)Ports and Subsystem模塊中選取橢圓形的輸入輸出模塊，可以得出實(shí)際流出混合油框燃油溫度T1i，具體的仿真模型如圖5所示.

圖5 混合油柜子系統(tǒng)模型圖Fig.5 Mixed oil cabinet system model

3.3 控制系統(tǒng)整體仿真模型

柴油機(jī)燃油粘度控制系統(tǒng)整體仿真模型如圖6所示.在simulink library browser列表中選取相應(yīng)的函數(shù)表達(dá)式模塊，并在模塊中輸入初始條件和設(shè)置開(kāi)始及結(jié)束時(shí)間，最后由Display模塊輸出結(jié)果.為了使得模型的物理意義以及子系統(tǒng)之間關(guān)系易于理解，便于模型的修改和升級(jí)，該整體控制系統(tǒng)模塊分別對(duì)混合油柜子系統(tǒng)和加熱器子系統(tǒng)進(jìn)行封裝，得到oil tank模塊和heater加熱器模塊.

圖6 控制系統(tǒng)整體仿真系統(tǒng)模型Fig.6 Overall control system simulation model of the system

4 動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果與分析

由于蒸汽流量、環(huán)境溫度、冷油溫度和主機(jī)負(fù)荷的變化對(duì)燃油粘度的定值控制都有影響，但環(huán)境溫度和冷油溫度一般不可突變，變化量較小，故這兩者對(duì)燃油粘度定值控制的影響很小.船舶在海上航行，未知因素很多，航行工況會(huì)時(shí)刻發(fā)生變化，主機(jī)所承受的負(fù)荷也隨之發(fā)生突變，所以蒸汽流量和主機(jī)負(fù)荷對(duì)燃油粘度定值控制影響很大.因此，仿真工況可設(shè)環(huán)境溫度為40℃，冷油溫度為50℃，燃油粘度值設(shè)定為15 mm2/s.

1)保持蒸汽流量不變，根據(jù)文獻(xiàn)［6-7］使主機(jī)負(fù)荷在90%-108%-0%-90%之間突變，所得到燃油粘度定值控制曲線如圖7所示.

從圖7看出，當(dāng)受到外界干擾時(shí)，主機(jī)負(fù)荷突然增大或減少，分別發(fā)生時(shí)間在開(kāi)機(jī)后2758 s和4760s，主機(jī)燃油消耗量也相應(yīng)發(fā)生變化，在變化的瞬間蒸汽流量需要一定的時(shí)間做出適應(yīng)調(diào)整，而且加熱燃油需要一定的時(shí)候，燃油粘度會(huì)迅速發(fā)生變化，但由于PID控制的作用，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后，燃油粘度會(huì)向設(shè)定值靠近.

圖7 主機(jī)負(fù)荷突變時(shí)，燃油粘度定值控制曲線Fig.7 Host load mutation，the fuel oil viscosity curve of constant value control

2)保持主機(jī)負(fù)荷不變，使蒸汽流量在100%—50%—0%—50%—100%之間發(fā)生突變，可得到如圖8的燃油粘度定值控制曲線.

從圖8可以看出，蒸汽流量的突變，時(shí)間分別發(fā)生在開(kāi)機(jī)后1325s，3340s，4230s，5570s，它使得燃油溫度升高或降低，而燃油粘度降低或升高，但由于PID控制的作用，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后，燃油粘度向設(shè)定值靠近，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃油粘度的定值控制.

3)主機(jī)負(fù)荷和蒸汽流量都發(fā)生突變，得到燃油粘度定值控制曲線如圖9所示.

從圖9可以看出系統(tǒng)受到外界干擾，無(wú)論是主機(jī)負(fù)荷還是蒸汽流量發(fā)生突變時(shí)對(duì)主機(jī)燃油粘度定值都會(huì)產(chǎn)生影響，但是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，最終都能達(dá)到一個(gè)的平衡狀態(tài).系統(tǒng)剛開(kāi)始投入工作時(shí)，慣性較大，但是系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)沒(méi)有偏差，驗(yàn)證了該系統(tǒng)建模仿真的可行性和可靠性.

圖8 蒸汽流量突變時(shí)，燃油粘度定值控制曲線Fig.8 Change in steam flow rate,fuel viscosity curve of constant value control

圖9 主機(jī)負(fù)荷和蒸汽流量都發(fā)生突變時(shí)，燃油粘度定值控制曲線Fig.9 Mutations in the host load and steam flow rate of fuel viscosity curve of constant value control

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)船舶柴油機(jī)燃油粘度系統(tǒng)進(jìn)行了概述，分析了其重要性及燃油的定值控制，利用傳熱學(xué)原理，針對(duì)Anqing Daihatsu 6PSTdM—26H型柴油機(jī)的燃油粘度控制系統(tǒng)建立了動(dòng)態(tài)模型，并對(duì)其進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，無(wú)論是主機(jī)負(fù)荷還是蒸汽流量發(fā)生突變對(duì)主機(jī)燃油粘度定值都會(huì)產(chǎn)生影響，但是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，最終都達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài).

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