CN106481375B - 一种基于功率的船舶低速柴油机余热综合回收系统控制方法 - Google Patents

一种基于功率的船舶低速柴油机余热综合回收系统控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种基于功率的船舶低速柴油机余热综合回收系统控制方法，其结构组成包括余热锅炉、动力涡轮发电单元、汽轮机发电单元和有机工质汽轮机发电单元等，根据柴油机功率——包括推进功率和轴发功率，由控制系统的能力管理装置协调组合余热锅炉、动力涡轮发电单元、汽轮机发电单元、有机工质汽轮机发电单元分区段启动各余热回收单元并依据柴油机负荷标定的发电单元功率曲线调节余热发电功率。本发明采用分区段控制方式，可以根据柴油机运行在不同功率区段时的废气能量采用不同的回收措施，可提高余热回收利用效率。

Description

一种基于功率的船舶低速柴油机余热综合回收系统控制方法
技术领域
本发明涉及的是一种柴油机余热能量控制方法，具体地说是变距桨船舶低速柴油机余热能量控制方法。
背景技术
能源问题己经成为经济发展中一个头等重要问题。船舶是能源消耗量巨大的运输工具，高能耗一方面使船舶运行成本增加，另一方面也给船舶运行带来了严重的环境问题。如何有效降低船舶能耗是一个现实而又重大的课题。国际海事组织IMO己将EEDI(EnergyEfficiency Design Index，新船能效设计指数)作为考核船舶设计能耗高低的一个指标，船舶能量利用效率低，除了将面对高额的燃料费用外，还将面对额外的罚金，以补偿对环境的破坏。柴油机作为船舶的主要动力，其热效率己接近50％，但仍有50％的能量被排气、冷却介质带走。如果能够利用主机排气和冷却水的热量进行发电或作为辅助设备热源提供蒸汽，则可以替代部分辅机和辅助锅炉，同时达到节能和减排的效果。
各主要船舶主机制造公司开发的船舶主机余热利用系统中都采用常规余热锅炉，其特点是利用主机排气的余热产生蒸汽，进行再利用。但限于烟气露点温度，为防止低温腐蚀，主机余热利用系统余热锅炉排烟温度都在170℃以上，也即主机余热利用系统只利用了排气温度范围170-300℃的能量，排气中其余能量都排入了环境。
公开号CN102777876A的专利文件中，公开了一种船用柴油发电机组废气余热产气系统。该系统包括热井、锅炉给水泵、汽包、废热锅炉、蒸发器和预热器。能有效回收船用发电柴油机的废气余热。该技术是针对船用柴油发电机组的排汽余热利用，没有涉及船舶主柴油机的余热利用及其控制方法。
公开号CN103111172A的专利文件中，公开了一种船舶主机余热回收尾气处理系统及方法，包括废热锅炉、汽轮机、发电机、二氧化碳吸收塔、水泵、水柜、卧式氨合成塔、烷烃裂解装置和空气分离机。即可以高效利用船舶主机余热，又可以吸收尾气中二氧化碳，降低碳排放。该技术方案是利用空气分离机将空气分离成高浓度的氧气和氮气，高浓度的氧气在废热锅炉与柴油机废气进行富氧燃烧加热锅炉蒸发器产生高温蒸汽，驱动汽轮机发电，实现对船用主机排气余热利用；而高浓度的氮气及裂解烷烃装置产生的氢气在卧式氨合成塔内合成氨，制成氨水在二氧化碳吸收塔内与柴油机废气中二氧化碳生成碳酸氢铵，实现二氧化碳捕捉。在余热利用上涉及到余热锅炉和汽轮机，没有涉及船舶主柴油机的排气余热利用及其控制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供能有效提高变距桨推进船舶余热综合回收系统能量利用效率的一种基于功率的船舶低速柴油机余热综合回收系统控制方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种基于功率的船舶低速柴油机余热综合回收系统控制方法，其特征是：
船用低速柴油机的排气管分别连接动力涡轮以及涡轮增压器的涡轮，涡轮增压器的涡轮连接余热锅炉，余热锅炉分别连接汽轮机和有机工质汽轮机，动力涡轮、有机工质汽轮机、汽轮机分别连接发电机，涡轮增压器还连接旁通烟道；
预先设定柴油机P1-P8八个运行功率值，根据柴油机功率Peng将柴油机分为第一区段-第五区段五个运行区段，柴油机功率Peng包括螺旋桨推进功率Pprep和轴带发电机发电功率Pgen，对于定转速变距桨，推进功率Pprep取决于螺旋桨螺距Mprep，即Pprep＝f(Mprep)；轴带发电机的发电功率Pgen用轴带发电机输出电压Ugen和轴带发电机输出电流Igen的乘积表示，即：Pgen＝Ugen×Igen；柴油机功率Peng＝Pprep+Pgen＝f(Mprep)+Ugen×Igen；
测量变距桨螺距Mprep和轴带发电机输出Ugen和轴带发电机输出电压电流Igen获得当前时刻柴油机功率Peng：
第一区段为柴油机启动与轻载运行区段，在柴油机启动后功率小于设定值P1，或者降功率后功率低于设定值P8时，柴油机排气经涡轮增压器后由旁通烟道排出；
第二区段为锅炉工作区段，在柴油机功率增加阶段当功率超过设定值P1时，关闭旁通烟道启动余热锅炉，涡轮增压器排气经余热锅炉对炉水进行加热，涡轮增压器排气依次流经余热锅炉各段换热器后，由余热锅炉出口烟道排入大气；在柴油机功率减小阶段当功率低于设定值P8时，关闭余热锅炉并打开旁通烟道；
第三区段为有机工质发电单元运行区段，在柴油机功率增加阶段当功率超过设定值P2，有机工质汽轮机启动；当炉水温度超过设定温度值Tw1时，余热锅炉热水通过有机工质蒸发器的换热使有机工质汽轮机做功；在柴油机功率减小阶段当功率低于设定值P7或当炉水温度低于设定温度值Tw2时，关闭有机工质汽轮机；
第四区段为汽轮机发电单元运行区段，在柴油机功率增加阶段当功率超过设定值P3时，汽轮机启动；当余热锅炉蒸汽温度超过设定值Ts1时，蒸汽通过汽轮机推动发电机发电做功；在柴油机功率减小阶段当功率低于设定值P6或当余热锅炉蒸汽温度低于设定值Ts2时，关闭汽轮机；
第五区段为动力涡轮发电单元运行区段，在柴油机功率增加阶段当功率超过设定值P4时，动力涡轮启动；当柴油机排气压力超过设定压力值Pe1时，柴油机的部分排气直接通过动力涡轮从而带动发电机发电做功，做功后的废气与涡轮增压器排气混合后进入余热锅炉烟道；在柴油机功率减小阶段当功率低于设定值P5或当柴油机排气压力低于设定压力值Pe1时，关闭动力涡轮。
本发明还可以包括：
1、设定值P8低于设定值P1；设定值P7低于设定值P2；设定值P6低于设定值P3；设定值P5低于设定值P4。
本发明的优势在于：
(1)采用了柴油机功率作为船舶柴油机余热回收利用的余热锅炉、动力涡轮发电单元、汽轮机发电单元及有机工质发电单元运行控制参数，可直接反应柴油机废气能量多少；
(2)采用分区段控制方式，可以根据柴油机运行在不同功率区段时的废气能量采用不同的回收措施，可提高余热回收利用效率。
附图说明
图1为本发明的余热综合回收系统组成原理图；
图2为本发明的原理图；
图3a为能量管理装置功能逻辑图；图3b为有机工质汽轮机控制逻辑图；图3c为汽轮机控制逻辑图；图3d为动力涡轮控制逻辑图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-3，本发明的目的是为包含余热锅炉、动力涡轮发电单元、汽轮机发电单元、有机工质发电单元的船舶低速柴油机余热回收系统提供一种控制方法。
本发明所提出的基于基于功率的调距桨船舶低速柴油机功率的余热利用系统控制方法是根据船舶低速柴油机不同功率下排气余热品质不同的特点，采用不同柴油机功率区段利用不同回收手段的分区段控制方式。
本发明所提出的基于功率的调距桨船舶低速柴油机余热利用系统控制方法的实现主要由以下几部分组成：回收船舶低速柴油机排气余热的余热锅炉及其控制装置、利用分流排气能量做功的动力涡轮发电单元及其控制装置、利用余热锅炉蒸汽来做功的汽轮机发电单元及其控制装置、利用低品质能量做功的有机工质发电单元及其控制装置以及协调以上这些装置运行的能量管理装置。
能量管理装置根据柴油机功率大小，分区段协调余热锅炉控制装置、动力涡轮发电单元控制装置、汽轮机发电单元控制装置及有机工质发电单元控制装置的运行，以充分回收利用柴油机排气热能，提高能量综合利用效率。
柴油机功率Peng包括螺旋桨推进功率Pprep和轴带发电机发电功率Pgen。
对于定转速变距桨，推进功率Pprep取决于螺旋桨螺距Mprep大小，即Pprep＝f(Mprep)。
轴带发电机的发电功率Pgen可以用发电机输出电压Ugen和输出电流Igen的乘积表示，即：Pgen＝Ugen×Igen。
因此柴油机功率Peng＝Pprep+Pgen＝f(Mprep)+Ugen×Igen
通过测量变距桨螺距大小和轴带发电机输出电压电流即可得到柴油机功率Peng，进而根据柴油机功率Peng对余热回收装置进行控制。
结合附图1、2说明具体的区段定义以及实施方式：
第一区段为柴油机启动与空载区段，在柴油机启动后功率小于设定值P1时，或者降功率后功率低于设定值P8余热综合回收系统不工作，柴油机排气经涡轮增压器后由旁通烟道排出；
第二区段为锅炉工作区段，在柴油机功率增加阶段当功率超过第一个设定值P1时，余热锅炉发电单元控制装置关闭旁通烟道启动余热锅炉，同时炉水循环系统工作，涡轮增压器排气经余热锅炉对炉水进行加热，涡轮增压器排气依次流经余热锅炉各段换热器后，由余热锅炉出口烟道排入大气；在柴油机功率减小阶段当功率低于设定值P8时，余热锅炉发电单元控制装置关闭余热锅炉并打开旁通烟道。
第三区段为有机工质发电单元运行区段，在柴油机功率增加阶段当功率超过设定值P2，余热回收控制系统的能量管理装置输出有机工质启动控制信号，有机工质发电单元开始启动进入预热、暖机流程；当炉水温度超过设定温度值Tw1时，有机工质发电单元控制装置启动有机工质发电单元，余热锅炉热水通过有机工质蒸发器的换热使有机工质蒸发并推动有机工质发电机机组做功；在柴油机功率减小阶段当功率低于设定值P7或当炉水温度低于设定温度值Tw2时，有机工质发电单元控制装置关闭有机工质发电单元停止发电。
第四区段汽轮机发电单元运行区段，在柴油机功率增加阶段当功率超过设定值P3时，余热回收控制系统的能量管理装置输出汽轮机启动控制信号，汽轮机发电单元开始启动进入冲转、暖机流程；当余热锅炉蒸汽温度超过设定值Ts1时，汽轮机发电单元控制装置启动汽轮机发电单元，高温高压蒸汽通过蒸汽轮机推动发电机发电做功。在柴油机功率减小阶段当功率低于设定值P6或当余热锅炉蒸汽温度低于设定值Ts2时，汽轮机发电单元控制装置关闭汽轮机发电单元停止发电。
第五区段动力涡轮发电单元运行区段，在柴油机功率增加阶段当功率超过设定值P4时，余热回收控制系统的能量管理装置输出动力涡轮启动控制信号，动力涡轮发电单元开始启动进入冲转、暖机流程；当柴油机排气压力超过设定压力值Pe1时，动力涡轮发电单元控制装置启动动力涡轮发电单元，柴油机的部分排气直接通过动力涡轮发电机组转化为电能供船舶使用，做功后的废气与涡轮增压器排气混合后进入余热锅炉烟道。在柴油机功率减小阶段当功率低于设定值P5或当柴油机排气压力低于设定压力值Pe1时，动力涡轮发电单元控制装置关闭动力涡轮发电单元停止发电。
结合图3a～3d说明能量管理装置中具体的控制功能逻辑关系:
所述的能量管理装置通过检测调距桨螺距计算推进功率，通过测量轴带发电机输出电压和电流计算得到轴发功率，进而计算出柴油机功率，并根据柴油机功率分区段控制余热锅炉、有机工质发电单元、汽轮机发电单元和动力涡轮发电单元。首先，能量管理装置判断余热锅炉是否启动，如果余热锅炉已经启动且主机功率低于P8，则能量管理装置输出余热锅炉停止控制信号；若余热锅炉没有启动且主机功率高于P1，则能量管理装置输出余热锅炉启动控制信号。
有机工质发电单元控制装置判断有机工质汽轮机是否启动，如果有机工质汽轮机正在运行且主机功率低于P7或炉水温低于Tw2，则有机工质发电单元控制装置输出有机工质汽轮机停止控制信号；如果有机工质汽轮机没有启动且主机功率高于P2，则有机工质发电单元控制装置输出有机工质汽轮机启动控制信号；如果有机工质汽轮机正在运行，且炉水温超过Tw1，则有机工质汽轮机进行发电运行，否则有机工质汽轮机进行暖机运行；
汽轮机发电单元控制装置判断汽轮机是否启动，如果汽轮机已经启动且主机功率低于P6或蒸汽温度低于Ts2，则汽轮机发电单元控制装置输出汽轮机停止控制信号；如果汽轮机没有启动且主机功率高于P3，则汽轮机发电单元控制装置输出汽轮机启动控制信号；如果汽轮机正在运行，且蒸汽温度超过Ts1，则汽轮机进行发电运行，否则进行暖机运行。
动力涡轮发电单元控制装置判断动力涡轮是否启动，如果动力涡轮已经启动且主机功率低于P5或柴油机排气压力低于Pe2，则动力涡轮发电单元控制装置输出动力涡轮停止控制信号；如果动力涡轮没有启动且主机功率高于P4，则动力涡轮发电单元控制装置输出动力涡轮启动控制信号；如果动力涡轮正在运行，且柴油机排气压力超过Pe1，则动力涡轮进行发电运行，否则动力涡轮进行暖机运行。

Claims (1)

1.一种基于功率的船舶低速柴油机余热综合回收系统控制方法，其特征是：
船用低速柴油机的排气管分别连接动力涡轮以及涡轮增压器的涡轮，涡轮增压器的涡轮连接余热锅炉，余热锅炉分别连接汽轮机和有机工质汽轮机，动力涡轮、有机工质汽轮机、汽轮机分别连接发电机，涡轮增压器还连接旁通烟道；
预先设定柴油机P1-P8八个运行功率值，根据柴油机功率Peng将柴油机分为第一区段-第五区段五个运行区段，柴油机功率Peng包括螺旋桨推进功率Pprep和轴带发电机发电功率Pgen，对于定转速变距桨，推进功率Pprep取决于螺旋桨螺距Mprep，即Pprep＝f(Mprep)；轴带发电机发电功率Pgen用轴带发电机输出电压Ugen和轴带发电机输出电流Igen的乘积表示，即：Pgen＝Ugen×Igen；柴油机功率Peng＝Pprep+Pgen＝f(Mprep)+Ugen×Igen；
测量螺旋桨螺距Mprep和轴带发电机输出电压Ugen和轴带发电机输出电流Igen获得当前时刻柴油机功率Peng：
第一区段为柴油机启动与轻载运行区段，在柴油机启动后功率小于设定值P1，或者降功率后功率低于设定值P8时，柴油机排气经涡轮增压器后由旁通烟道排出；
第二区段为锅炉工作区段，在柴油机功率增加阶段当功率超过设定值P1时，关闭旁通烟道启动余热锅炉，涡轮增压器排气经余热锅炉对炉水进行加热，涡轮增压器排气依次流经余热锅炉各段换热器后，由余热锅炉出口烟道排入大气；在柴油机功率减小阶段当功率低于设定值P8时，关闭余热锅炉并打开旁通烟道；
第三区段为有机工质发电单元运行区段，在柴油机功率增加阶段当功率超过设定值P2时，有机工质汽轮机启动；当炉水温度超过设定温度值Tw1时，余热锅炉炉水通过有机工质蒸发器的换热使有机工质汽轮机做功；在柴油机功率减小阶段当功率低于设定值P7或当炉水温度低于设定温度值Tw2时，关闭有机工质汽轮机；
第四区段为汽轮机发电单元运行区段，在柴油机功率增加阶段当功率超过设定值P3时，汽轮机启动；当余热锅炉蒸汽温度超过设定值Ts1时，蒸汽通过汽轮机推动发电机发电；在柴油机功率减小阶段当功率低于设定值P6或当余热锅炉蒸汽温度低于设定值Ts2时，关闭汽轮机；
第五区段为动力涡轮发电单元运行区段，在柴油机功率增加阶段当功率超过设定值P4时，动力涡轮启动；当柴油机排气压力超过设定压力值Pe1时，柴油机的部分排气直接通过动力涡轮从而带动发电机发电，做功后的废气与涡轮增压器排气混合后进入余热锅炉烟道；在柴油机功率减小阶段当功率低于设定值P5或当柴油机排气压力低于设定压力值Pe1时，关闭动力涡轮；
设定值P8低于设定值P1；设定值P7低于设定值P2；设定值P6低于设定值P3；设定值P5低于设定值P4。
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