陳 寧，李雯文，王之民，朱 妍

(江蘇科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

主機(jī)系統(tǒng)是船舶的心臟，必須保證主機(jī)在航行期間可靠、穩(wěn)定運(yùn)行.而主機(jī)冷卻系統(tǒng)是主機(jī)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分.主機(jī)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行期間，需要有足夠數(shù)量的冷卻介質(zhì)強(qiáng)制連續(xù)流經(jīng)主機(jī)受熱件(包括柴油機(jī)氣缸、氣缸蓋等)，通過冷卻保證這些受熱部件的正常穩(wěn)定溫度.

船舶主機(jī)的冷卻系統(tǒng)可分為閉式淡水冷卻系統(tǒng)、開式海水系統(tǒng)和中央冷卻系統(tǒng).開式海水系統(tǒng)是指用海水直接冷卻船舶主機(jī)和各設(shè)備，缺點(diǎn)是主機(jī)和設(shè)備易結(jié)垢.中央冷卻系統(tǒng)的基本特點(diǎn)是使用不同工作溫度的兩個(gè)單獨(dú)淡水循環(huán)系統(tǒng):高溫淡水和低溫淡水.前者用于冷卻船舶主機(jī)，后者用于冷卻高溫淡水和各種冷卻器.受熱后的低溫淡水通過中央冷卻器，由開式海水系統(tǒng)進(jìn)行冷卻.依據(jù)文獻(xiàn)［1］的描述，鎮(zhèn)江船廠生產(chǎn)的中小型港作拖船由于工作在近岸海域，因此，應(yīng)采用閉式淡水冷卻系統(tǒng).閉式淡水冷卻系統(tǒng)分為淡水冷卻部分和舷外水冷卻部分，主要是用淡水冷卻船舶主機(jī)，再用舷外水冷卻淡水.

主機(jī)冷卻水溫度控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響到船舶主機(jī)的工作狀態(tài).而主機(jī)冷卻水溫度直接由溫度調(diào)節(jié)閥來控制.現(xiàn)代中小型船舶中，仍有相當(dāng)一部分采用傳統(tǒng)的電動(dòng)式冷卻水溫度控制系統(tǒng).這種溫度控制系統(tǒng)一般采用PD調(diào)節(jié).當(dāng)主機(jī)冷卻水溫度控制系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，PD調(diào)節(jié)優(yōu)勢(shì)在于能實(shí)現(xiàn)超前控制，可以改善慣性和延遲影響，但不能消除靜態(tài)偏差.為了實(shí)現(xiàn)無偏差調(diào)節(jié)，本研究在系統(tǒng)中加入了溫度控制三通器，采用PID調(diào)節(jié)，以期實(shí)現(xiàn)無偏差調(diào)節(jié).

1 主機(jī)淡水冷卻系統(tǒng)的建模

圖1為鎮(zhèn)江船廠的全回轉(zhuǎn)港作拖船的主機(jī)淡水冷卻系統(tǒng)，淡水泵供應(yīng)的淡水先進(jìn)入主機(jī)冷卻缸套、進(jìn)排氣閥和氣缸蓋，出主機(jī)后經(jīng)過溫度調(diào)節(jié)閥分流，一部分進(jìn)入淡水冷卻器進(jìn)行換熱冷卻，出來后跟另一部分混合，重新進(jìn)入主機(jī)淡水泵進(jìn)口進(jìn)行循環(huán)冷卻.

圖1 主機(jī)淡水冷卻系統(tǒng)Fig.1 Main engine fresh water cooling system

1.1 主機(jī)缸套冷卻的熱力數(shù)學(xué)模型

主機(jī)缸套可以看作是一個(gè)由于燃料燃燒引起的熱源.在非穩(wěn)態(tài)情況下，由熱平衡關(guān)系可知:單位時(shí)間內(nèi)缸套和缸套內(nèi)的冷卻水蓄熱量的變化=單位時(shí)間內(nèi)燃料燃燒傳遞給冷卻水的熱量－單位時(shí)間內(nèi)冷卻水帶走的總熱量［2］，則:

式中:P為主機(jī)功率，kW;be為燃油消耗率，kg/(kW·h);ξ為燃油的低發(fā)熱值，kJ/kg;cf為淡水比熱容，kJ/(kg·℃);ρ為淡水密度，kg/m3，qv為淡水的體積流量，m3/h;WD為缸套和缸套內(nèi)冷卻水的熱容量，kJ/℃;tDi，thi分別為淡水進(jìn)、出主機(jī)的溫度，℃;f為冷卻帶走的熱量是總熱量的固定比例，f=15%.

1.2 溫度調(diào)節(jié)閥的數(shù)學(xué)模型

溫度調(diào)節(jié)閥的控制原理:在主機(jī)冷卻水出口處有測(cè)溫元件，可以將出主機(jī)的冷卻水的溫度轉(zhuǎn)換成反饋信號(hào)，與調(diào)節(jié)器的設(shè)定值進(jìn)行比較得到偏差值.該偏差經(jīng)調(diào)節(jié)器按照控制算法運(yùn)算后，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)三通閥的開度，以改變進(jìn)入淡水冷卻器的水量，改變冷、熱水的混合比例，從而使主機(jī)氣缸套、缸蓋溫度保持在某一特定值，最終達(dá)到控制調(diào)節(jié)水溫的目的.

圖2為溫度調(diào)節(jié)閥的特性曲線.此溫度調(diào)節(jié)閥為分流閥，一路流經(jīng)旁通側(cè)AB－B，其流量與開度成正比;另一路流經(jīng)直通側(cè)AB－A，流量與開度的關(guān)系以分段函數(shù)的形式表示.

圖2 溫度調(diào)節(jié)閥的特性曲線Fig.2 Characteristic curve of temperature contrd valve

當(dāng)開度為x時(shí)，其數(shù)學(xué)模型為:

旁通側(cè)(進(jìn)入淡水冷卻器):

直通側(cè):

1.3 淡水冷卻器的熱力數(shù)學(xué)模型

淡水冷卻器為逆流換熱形式的管殼式換熱器，用舷外水來冷卻淡水.殼側(cè)為高溫淡水，管側(cè)為低溫舷外水，換熱過程如圖1.在高溫淡水側(cè)，在非穩(wěn)態(tài)情況下，單位時(shí)間內(nèi)高溫水側(cè)蓄熱量的變化=單位時(shí)間內(nèi)淡水帶來的熱量－單位時(shí)間內(nèi)高溫水側(cè)傳遞給低溫水側(cè)的熱量;在低溫水側(cè)，單位時(shí)間內(nèi)低溫水側(cè)蓄熱量的變化=單位時(shí)間內(nèi)高溫水側(cè)傳遞給低溫水側(cè)的熱量－單位時(shí)間內(nèi)低溫水側(cè)舷外水帶走的熱量［3－5］，則:

式中:qvl，qsw為進(jìn)入淡水冷卻器的淡水、舷外水體積流量，m3/h;tho為出淡水冷卻器的淡水溫度，℃;Wh，Wl為高溫水側(cè)、低溫水側(cè)的熱容量;K為淡水冷卻器的傳熱系數(shù)，W/m2·℃，計(jì)算方法在下面詳細(xì)介紹;A為淡水冷卻器的傳熱面積，m2;Δtm為淡水冷卻器的平均溫差，℃;cs為舷外水比熱容，kJ/kg·℃;ρs為舷外水密度，kg/m3;tsw2，tsw3分別為進(jìn)、出淡水冷卻器的舷外水溫度，℃.

計(jì)算淡水冷卻器的傳熱系數(shù)K，以外表面積為準(zhǔn):

式中:r1，r3分別為淡水側(cè)和舷外水側(cè)熱阻，(m2·k)/W;r2為管壁導(dǎo)熱熱阻，(m2·k)/W;do為管外徑，m;di為管內(nèi)徑，m;hh，hl分別為高溫側(cè)、低溫側(cè)換熱系數(shù)，W/(m2·℃).高溫側(cè)淡水換熱系數(shù)的計(jì)算如下:

整理得:

式中:v為淡水流速，m/s;υm為流體的運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s;λw為導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·k;Dw為當(dāng)量直徑，m;Pr為普朗特?cái)?shù).流體的普朗特?cái)?shù)、運(yùn)動(dòng)粘度和導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的變化而變化，查閱飽和水的熱物理性質(zhì)表，得到淡水在50～90℃之間的物性參數(shù)值.調(diào)用Matlab的最小二乘曲線擬合命令，得到流體的普朗特?cái)?shù)、運(yùn)動(dòng)粘度和導(dǎo)熱系數(shù)與溫度之間的關(guān)系式.然后代入式(9)，可以計(jì)算出高溫側(cè)淡水換熱系數(shù)hh.

采用相同的方法可以計(jì)算低溫側(cè)舷外水換熱系數(shù)hl，只是舷外水側(cè)的努謝爾系數(shù)為:

最后，將上述計(jì)算得到的參數(shù)值都代入式(7)可以計(jì)算出淡水冷卻器的傳熱系數(shù)K.

2 舷外水冷卻系統(tǒng)的建模

主機(jī)舷外水冷卻部分為開式循環(huán)系統(tǒng).舷外水被主機(jī)海水泵從海水箱中泵出，依次冷卻主機(jī)空冷器、滑油冷卻器和淡水冷卻器，最后經(jīng)過舷側(cè)的截止止回閥排出舷外(圖3).

圖3 主機(jī)舷外水冷卻系統(tǒng)Fig.3 Main engine sea water cooling system

空氣冷卻器的主要作用是冷卻從增壓器中出來的增壓空氣.它是一個(gè)熱交換器，一邊流過冷卻水，另一邊流過增壓空氣.對(duì)中冷器做適當(dāng)簡(jiǎn)化，計(jì)算方程如下［6］:

式中:ε為中冷器效能系數(shù);tc，tci分別為中冷器進(jìn)口、出口溫度;tswi，tsw1分別為冷卻水進(jìn)口、出口溫度;c1，c2分別為空氣、冷卻水的比熱;m1，m2分別為空氣、冷卻水的質(zhì)量流量.

滑油冷卻器采用的管殼式換熱器，換熱原理與淡水冷卻器完全相同，計(jì)算過程這里不重復(fù)贅述.

3 船舶主機(jī)冷卻系統(tǒng)的Simulink建模

在確定船舶主機(jī)冷卻系統(tǒng)各個(gè)主要設(shè)備的熱力數(shù)學(xué)模型后，代入實(shí)船各參數(shù)，可以在Matlab/Simulink中對(duì)各個(gè)部分建立仿真子模塊模型，再把它們相連得到系統(tǒng)的整體仿真模型.主機(jī)冷卻水系統(tǒng)的總熱力數(shù)學(xué)模型的Simulink框圖如圖4.將實(shí)船在穩(wěn)定工作狀態(tài)下測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果進(jìn)行比較(表1)，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值比較接近，誤差均在5%范圍內(nèi).

圖4 主機(jī)冷卻水系統(tǒng)的Simulink框圖Fig.4 Simulation diagram of the main engine cooling water system

表1 穩(wěn)況下實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的對(duì)比Table 1 Comparison of test data and simulation results

系統(tǒng)穩(wěn)定工作在60%MCR(maximum continuous rating)工況下，在500 s時(shí)，主機(jī)負(fù)荷突然增加到70%MCR，這時(shí)出主機(jī)淡水溫度會(huì)逐漸上升.然后采用手動(dòng)控制溫度調(diào)節(jié)閥，在1 000 s時(shí)開度由0.931突變?yōu)?.9165，最終使出主機(jī)淡水溫度降低到設(shè)定溫度(圖5).

圖5 出主機(jī)淡水溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線1Fig.5 The first dynamic response curve of the freshwater temperature out of main engine

系統(tǒng)穩(wěn)定工作在60%MCR工況下，在500 s時(shí)，進(jìn)機(jī)舷外水溫度由32℃突變到28℃，這時(shí)出主機(jī)淡水溫度會(huì)逐漸降低.然后，溫度調(diào)節(jié)閥采用手動(dòng)控制，在1000s時(shí)，開度由0.9295突變到0.9305，最終使出主機(jī)淡水溫度升高到設(shè)定溫度(圖6).

圖6 出主機(jī)淡水溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線2Fig.6 The second dynamic response curve of the freshwater temperature out of the main engine

4 出主機(jī)淡水溫度的PID控制

現(xiàn)在實(shí)船上配置的是通過PID控制來自動(dòng)調(diào)整溫度調(diào)節(jié)閥的開度，使出主機(jī)淡水溫度恒定在設(shè)定值thi，set=79℃.所以在上述熱力數(shù)學(xué)模型中加入PID內(nèi)容.

依據(jù)PID控制器的定義，對(duì)于主機(jī)淡水溫度的PID控制系統(tǒng)，其表達(dá)式為:

式中:e(t)=thi，set-thi，Δx(t)為溫度調(diào)節(jié)閥的開度變化.加入PID控制后的主機(jī)淡水冷卻系統(tǒng)的總熱力數(shù)學(xué)模型的Simulink框圖如圖7.

圖7 主機(jī)淡水冷卻系統(tǒng)的PID控制Simulink框圖Fig.7 Simulation diagram of the fresh water cooling system with PID

圖8 出主機(jī)淡水溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線3Fig.8 The third dynamic response curve of the freshwater temperature out of main engine

在初始時(shí)刻，出主機(jī)淡水初始溫度設(shè)定為75℃，系統(tǒng)工作在60%MCR工況下;在30 s時(shí)，主機(jī)負(fù)荷突然增加到70%MCR.PID控制器的KP，KI，KD3個(gè)參數(shù)的整定采用了Ziegler-Nichols臨界比例法［7］，當(dāng)KP=0.131，KI=0.45，KD=0.01 時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到最佳預(yù)期效果.運(yùn)行圖6的仿真框圖，可得到如圖8的出主機(jī)淡水溫度仿真曲線.由圖8可以看出，在初始時(shí)刻，出主機(jī)淡水初始溫度設(shè)定為75℃，PID控制系統(tǒng)通過反饋信息經(jīng)過計(jì)算并讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)——三通閥作出反應(yīng)，在短時(shí)間內(nèi)讓系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).在30 s時(shí)，主機(jī)負(fù)荷突然增加到70%MCR，由微分環(huán)節(jié)產(chǎn)生的超前控制作用提前讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)作出響應(yīng)，然后再加入比例、積分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)，因此30 s處只出現(xiàn)了小范圍波動(dòng).與手動(dòng)調(diào)節(jié)對(duì)比，PID調(diào)節(jié)不僅實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，而且系統(tǒng)偏差小，靈敏度也大大提高了.

5 船舶主機(jī)冷卻系統(tǒng)的溫度監(jiān)控

為了保證主機(jī)在航行期間可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，主機(jī)淡水冷卻系統(tǒng)運(yùn)行期間，監(jiān)控系統(tǒng)要求時(shí)刻監(jiān)測(cè)進(jìn)、出主機(jī)淡水溫度，進(jìn)機(jī)舷外水溫度和排出舷外的冷卻水溫度.船舶主機(jī)冷卻系統(tǒng)的溫度監(jiān)控是通過LabVIEW SQL Toolkit實(shí)現(xiàn)LabVIEW與SQL Server數(shù)據(jù)庫之間的互訪［8］，實(shí)時(shí)讀取Simulink模塊計(jì)算后存儲(chǔ)到SQL數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行參數(shù)，并持續(xù)將這些參數(shù)送入顯示單元，在顯示屏上顯示各個(gè)檢測(cè)溫度的當(dāng)前值.一旦檢測(cè)到發(fā)生越限情況，報(bào)警信號(hào)將被送入延伸報(bào)警控制單元和警報(bào)器控制單元.監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行效果圖如圖9.

圖9 船舶主機(jī)冷卻系統(tǒng)溫度監(jiān)控報(bào)警效果Fig.9 Rendering of temperature monitoring alarm system

6 結(jié)論

文中以傳熱學(xué)為理論基礎(chǔ)，對(duì)主機(jī)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行傳熱機(jī)理分析并建立了各主要部件的熱力數(shù)學(xué)模型.在Simulink中建立整個(gè)系統(tǒng)的模型后，將鎮(zhèn)江船廠生產(chǎn)的2206 kW的全回轉(zhuǎn)港作拖船的實(shí)際參數(shù)代入進(jìn)行仿真計(jì)算，加入PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)主機(jī)溫度系統(tǒng)的無偏差自動(dòng)控制.用LabVIEW SQL Toolkit的數(shù)據(jù)通信，將Simulink中的仿真結(jié)果在儀表盤上實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)了基于SQL數(shù)據(jù)庫的船舶主機(jī)冷卻水監(jiān)控報(bào)警.

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