CN106499453B - 一种基于转速的船舶低速柴油机余热综合回收系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于转速的船舶低速柴油机余热综合回收系统控制方法，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；根据船舶低速柴油机转速分别输出启动或停车控制信号给余热锅炉控制装置、有机工质发电单元控制装置、汽轮机发电单元控制装置和动力涡轮发电单元控制装置以实现相应设备的启动与停车控制。本发明采用分区段控制方式，可以根据柴油机运行在不同转速区段时的废气参数采用不同的利用措施，提高了余热回收利用效率。

Description

一种基于转速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，具体地说是定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。如何进一步利用和挖掘这部分余热便是本发明所要解决的问题。

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℃(左右)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余热综合回收系统能量利用效率的一种基于转速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：

本发明一种基于转速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n1-n8八个运行转速设定值，根据柴油机运行转速将柴油机分为第一区段-第五区段五个运行区段：

第一区段为柴油机启动与轻载运行区段，在柴油机启动后运行转速低于设定值n1时，或者降速后转速低于设定值n8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，在柴油机加速过程中当转速超过n1时，关闭旁通烟道，余热锅炉启动，涡轮增压器排气经余热锅炉对余热锅炉的炉水进行加热；当柴油机转降速阶段当转速低于设定值n8时，旁通烟道打开，涡轮增压器排气经旁通烟道排出，停止余热锅止运行；

第三区段为有机工质发电单元运行区段，在柴油机加速过程中当转速超过设定值n2时，有机工质汽轮机启动；在柴油机降速阶段当转速低于设定值n7时，有机工质汽轮机停止运行；

第四区段为汽轮机发电单元运行区段，在柴油机加速过程中当转速超过设定值n3时，汽轮机发电单元启动；在柴油机转降速阶段当转速低于设定值n6时，汽轮机停止运行；

第五区段为动力涡轮发电单元运行区段，在柴油机加速过程中当转速超过设定值n4时，动力涡轮启动；在柴油机转降速阶段当转速低于设定值n5时，动力涡轮停止运行。

本发明还可以包括：

1、机工质汽轮机启动后，开始启动预热和暖机过程，当有机工质汽轮机的进口热水温度达到设定温度值Tw1时，有机工质汽轮机开始发电。

2、汽轮机启动后，开始启动冲转和暖机过程，当汽轮机的进口蒸汽温度达到设定温度值Ts1时，汽轮机开始发电。

3、动力涡轮启动后，开始启动冲转和暖机过程，当动力涡轮的进口排气压力达到设定压力值Pe1时，动力涡轮开始发电。

4、设定值n8低于设定值n1，设定值n7低于设定值n2，设定值n6低于设定值n3，设定值n5低于设定值n4。

本发明的优势在于：

(1)采用了柴油机转速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，实现方式简单、高效；

(2)采用分区段控制方式，可以根据柴油机运行在不同转速区段时的废气参数采用不同的利用措施，提高余热回收利用效率。

附图说明

图1为本发明余热综合回收系统组成原理图；

图2为本发明余热综合回收系统控制方法的原理图；

图3a为能量管理装置功能逻辑图；图3b有机工质汽轮机控制逻辑图；图3c汽轮机控制逻辑图；图3d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，本发明所提出的基于转速的船舶低速柴油机余热利用系统控制方法是根据定距桨推进的船舶低速柴油机不同转速下排气余热品质不同的特点，采用不同柴油机转速区段利用不同回收手段的分区段控制方式。

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。

所述的能量管理装置根据船舶低速柴油机转速分别输出启动或停车控制信号给余热锅炉控制装置、有机工质发电单元控制装置、汽轮机发电单元控制装置和动力涡轮发电单元控制装置以实现相应设备的启动与停车控制。

下面结合附图1，对本船舶低速柴油机余热综合回收系统做进一步的描述：

所述的船舶低速柴油机余热回收系统组成包括余热锅炉、汽轮机发电机单元、动力涡轮发电单元、有机工质汽轮发电机单元及控制系统组成。

所述的控制系统包括余热锅炉控制装置、有机工质发电单元控制装置、汽轮机发电单元控制装置、动力涡轮发电单元控制装置和能量管理装置。

所述的能量管理装置，根据安装在柴油机飞轮齿盘附近的转速传感器采集柴油机曲轴转速信号，并根据此柴油机转速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，下面结合附图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，在柴油机启动后转速小于设定值n1时，或者降速后转速低于设定值n8余热综合回收系统不工作，柴油机废气由旁通烟道排出；

第二区段为锅炉工作区段，在柴油机升速阶段当转速超过第一个设定值n1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，柴油机排气经余热锅炉对炉水进行加热，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；在柴油机降速阶段当转速低于设定值n8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，在柴油机升速阶段当转速超过设定值n2，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；在柴油机降速阶段当转速低于设定值n7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，在柴油机升速阶段当转速超过设定值n3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。在柴油机降速阶段当转速低于设定值n6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，在柴油机升速阶段当转速超过设定值n4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。在柴油机降速阶段当转速低于设定值n5或当排气压力低于设定压力值Pe2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柴油机转速计算推进功率，即主机功率，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转速低于n8，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转速高于n1，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转速低于n7或炉水水温低于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转速高于n2，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转速低于n6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转速高于n3，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，否则汽轮机进行暖机运行。

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转速低于n5或排气压力低于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转速高于n4，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，且当排气压力超过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)

1.一种基于转速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n1-n8八个运行转速设定值，根据柴油机运行转速将柴油机分为第一区段-第五区段五个运行区段：

第一区段为柴油机启动与轻载运行区段，在柴油机启动后运行转速低于设定值n1时，或者降速后转速低于设定值n8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，在柴油机加速过程中当转速超过n1时，关闭旁通烟道，余热锅炉启动，涡轮增压器排气经余热锅炉对余热锅炉的炉水进行加热；在柴油机降速阶段当转速低于设定值n8时，旁通烟道打开，涡轮增压器排气经旁通烟道排出，停止余热锅止运行；

第三区段为有机工质发电单元运行区段，在柴油机加速过程中当转速超过设定值n2时，有机工质汽轮机启动；在柴油机降速阶段当转速低于设定值n7时，有机工质汽轮机停止运行；

第四区段为汽轮机发电单元运行区段，在柴油机加速过程中当转速超过设定值n3时，汽轮机发电单元启动；在柴油机降速阶段当转速低于设定值n6时，汽轮机停止运行；

第五区段为动力涡轮发电单元运行区段，在柴油机加速过程中当转速超过设定值n4时，动力涡轮启动；在柴油机降速阶段当转速低于设定值n5时，动力涡轮停止运行；

有机工质汽轮机启动后，开始启动预热和暖机过程，当有机工质汽轮机的进口热水温度达到设定温度值Tw1时，有机工质汽轮机开始发电；

汽轮机启动后，开始启动冲转和暖机过程，当汽轮机的进口蒸汽温度达到设定温度值Ts1时，汽轮机开始发电；

动力涡轮启动后，开始启动冲转和暖机过程，当动力涡轮的进口排气压力达到设定压力值Pe1时，动力涡轮开始发电；

设定值n8低于设定值n1，设定值n7低于设定值n2，设定值n6低于设定值n3，设定值n5低于设定值n4。