一種半實物仿真中的主機燃油粘度控制方法

陳林

一種半實物仿真中的主機燃油粘度控制方法

陳林

（中國船舶重工集團公司第七一〇研究所）

介紹了一種半實物仿真中的主機燃油粘度控制方法。首先，介紹燃油粘度控制半實物仿真系統；然后，探討燃油粘度控制數學模型和主機燃油粘度控制中的閉環控制；最后，介紹半實物仿真中的主機燃油粘度控制方法和仿真結果。

主機燃油粘度；半實物仿真；數學模型

0　引言

為使船舶主機燃油充分燃燒，需要燃油粘度控制系統將燃油粘度控制在合適的區間內，再送入氣缸[1]。半實物仿真系統通過半實物仿真的形式，更直觀地表現燃油粘度控制系統的原理和過程。

1　主機燃油粘度控制原理

燃油粘度控制過程：帶有一定初溫的重油和輕油經過三通閥進入混合油柜，并實現重油和輕油之間的轉換；同時，主機未消耗的熱油以一定的流量進入混合油柜，熱油和冷油充分混合后經增壓泵加壓進入換熱器；由于混合油溫遠低于輸出溫度的要求，故需蒸汽加熱后再進入主機；主機隨其負荷變化消耗一定流量的燃油，剩余的燃油又回流至混合油柜，周而復始。

主機燃油粘度控制原理如圖1所示。理想情況下，可選擇燃油粘度或燃油溫度為被控量，但不同燃油的粘度與溫度的對應關系不盡相同。若采用溫度為被控量，則需給出不同燃油品種的粘度與溫度對應關系[2]。為使控制效果更好，工程實踐中一般選擇粘度作為被控量。本文半實物仿真系統選取粘度為被控量，同時選擇溫度為參考和對比被控量。

圖1　主機燃油粘度控制原理圖

2　燃油粘度控制半實物仿真系統介紹

燃油粘度控制半實物仿真系統的主要構成有：熱電偶變送器（測量溫度）、差壓變送器（模擬粘度）、模擬測粘計啟動控制箱、粘度控制器和電動執行器等。燃油粘度控制半實物仿真系統框圖如圖2所示。

圖2 燃油粘度控制半實物仿真系統框圖

燃油粘度控制半實物仿真系統采用飽和蒸汽加熱燃油。為保證不同負荷狀態下的燃油都能達到進機粘度的要求，在換熱器出口設有溫度傳感器和粘度傳感器，分別檢測換熱器出口燃油的溫度和粘度。當系統受到擾動時，如主機負荷突然變化，燃油粘度就會偏離給定值。這時通過測粘計檢測燃油換熱器出口的燃油粘度，并轉換為壓差信號作為粘度測量信號送至電動差壓變送器；差壓變送器將該壓差信號轉換為 4 mA~20 mA的電流信號送到燃油粘度控制器[3]；粘度控制器依據預先設定的控制規律輸出一個控制信號來改變蒸汽調節閥的開度，調節進入換熱器的蒸汽流量，使燃油粘度恢復至給定值，完成燃油粘度的自動控制調節[3]。

3　燃油粘度控制數學模型

由燃油粘度的控制過程可知，主機中的部分熱油流入混合油柜與冷油混合，混合油柜中的油經過換熱器被蒸汽加熱輸出到主機，工作流程簡圖如圖3所示。

圖3　換熱器工作流程簡圖

混合油柜里的燃油通過換熱器被蒸汽加熱過程中，隨著主機負荷的變化，求解蒸汽調節閥開度和換熱器出口燃油溫度的函數關系。

3.1　蒸汽控制閥

蒸汽控制閥系數由蒸汽流量、進、出口壓力決定，計算公式為

其中，C為閥系數；為蒸汽流量（單位kg/h）；1為進口壓力（單位bar）；2為出口壓力（單位bar）。

飽和蒸汽的參數由飽和蒸汽壓力大小決定。根據水蒸汽的熱力性質，水蒸汽飽和溫度與水蒸汽壓力的數據關系擬合曲線為

由系統特性可知，水蒸氣飽和溫度在120℃~180℃之間，水蒸汽壓力范圍在0.2 Mpa ~1.0 Mpa之間。

3.2　換熱器

換熱器簡化模型為

其中，1和2分別為燃油與蒸汽的質量流量（單位kg/h）；為蒸汽的汽化潛熱（單位kacl/kg）；為冷油的比熱容（單位kcal/(kg·℃)）；為換熱器內冷油的容量（單位kg）；T和T分別為冷油在換熱器的入口、出口溫度（單位℃）。

運用歐拉公式進行求解

整理得

求得換熱器出口溫度。

3.3　混合油柜

簡化熱平衡方程為

同樣運用歐拉公式(5)求解

整理得

3.4　系數關系

若考慮換熱器熱能轉化系數1和混合油柜系數0，則式(7)、式(11)變為

3.5　主機負荷

設主機負荷為（取20%~100%），額定功率下油耗為（單位kg/h）

4　主機燃油粘度控制中的閉環控制

典型PID模擬量閉環控制系統控制器的輸出為比例項、積分項、微分項和初始值之和。P，I，D部分分別與誤差、誤差積分和誤差微分成正比[4]。其中，PI控制方式有較好的響應速度和較高的穩態精度，而慣性滯后較大應選擇PID控制方式。本仿真控制系統要求過程穩定、響應速度快、超調量小、抗干擾能力強，在固有響應穩定的前提下，更改粘度控制器的PID參數，在上位機監測燃油粘度的變化曲線，找出適合本系統的PID參數。粘度控制器可修改參數如表1所示。

5　仿真結果

在燃油粘度控制半實物仿真系統中，上位機開發環境采用VC++6.0。首先，源程序經過編譯生成可執行性文件，期間有數據庫管理系統的操作；然后，經過進程控制工具和任務管理工具生成仿真數據；最后，經過可視化工具將數據以數據表格、動態曲線、趨勢圖或流程圖等方式顯示出來。

表1　粘度控制器可修改參數表

將數學建模中函數關系輸入典型參數后，參數設置界面如圖4所示。設定燃油溫度由75℃到90℃，再到100℃，系統能夠較好達到控制效果。系統狀態顯示如圖5所示，燃油粘度控制曲線如圖6所示。

圖4　參數設置界面

圖5　系統狀態顯示

圖6 系統運行曲線

6　結語

本文主要介紹一種主機燃油粘度半實物仿真中粘度控制方法。船舶燃油粘度的控制水平隨著過程控制技術、電子信息技術和通信等技術的發展被不斷提高。通過半實物仿真系統能夠對控制方法的控制效果進行驗證與完善。

[1] 丁洲.主機燃油粘度的模糊自適應與基于LQ控制的研究[D].上海:上海海事大學,2005:6.

[2] 馬力.基于旋轉法粘度測量系統的研究[D].大連:大連海事大學,2016:8-12.

[3] 姜淑翠.基于單片機的船舶主機燃油黏度控制[D].大連:大連海事大學,2010:36.

[4] 張富強.時滯系統PID控制器穩定裕度設計的圖解法[D].天津:天津科技大學,2013:10-14.

A Method for Controlling Fuel Viscosity of Main Engine in the Semi-Physical Simulation

Chen Lin

(710 Research & Development Institute, CSIC)

This paper describes a method of controlling the fuel viscosity in a semi-physical simulation. Including the introduction of the semi-physical simulation system for fuel viscosity control, the discussion of the mathematical model of fuel viscosity control, the closed-loop control and PID control in the host fuel viscosity control, and the application of the host fuel viscosity control method in the semi-physical simulation.

Main Engine Fuel Viscosity; Semi-Physical Simulation; Mathematical Model

陳林，男，1987年生，碩士研究生，工程師，主要研究方向：船舶自動化。E-mail: chenlinwh@126.com