CN111320232A - 可调功率的压载水处理系统紫外线灭活装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调功率的压载水处理系统紫外线灭活装置及控制方法，该装置包括反应器、用以检测进水口和出水口处流量的流量计、均匀分布在反应器腔体内的紫外线发生器、用于调节紫外线发生器功率的旋转开关以及分别与流量计和旋转开关连接的控制器，所述的控制器接收流量计的流量信号，根据流量信号调节旋转开关转过的角度，调节紫外线发生器的光强。与现有技术相比，本发明具有根据系统流量来调节系统功率，减小系统的负载压力，避免能量的浪费等优点。

Description

可调功率的压载水处理系统紫外线灭活装置及控制方法

技术领域

本发明涉及船舶压载水处理技术领域，尤其是涉及一种可调功率的压载水处理系统紫外线灭活装置。

背景技术

船舶压载水是指向压载舱内注入的适量的舷外水，以增强船舶的抗风浪能力和稳定性。压载水是船舶可以稳定航行的保证，但也会携带大量海洋生物。压载水未经处理的注入和排放会带来严重的生态、经济和健康问题。

根据上述原因，国际海事组织(IMO)通过了《国际船舶压载水和沉积物控制与管理公约》，公约规定了压载水的排放需要杀灭和去除压载水中的微生物。现有市场上已经研发出多种船舶压载水处理装置，其中过滤/紫外线法是目前应用最为广泛的压载水处理方式之一。在这种方式中，为了保证压载水处理效果，一般是将紫外线单元功率调至最大，由于紫外线单元的功耗非常大，这种操作方式不但给船舶电力系统带来很大压力，而且造成了大量的能源浪费。针对该问题，需要一种根据压载水流量来自适应调节紫外线灯管功率的紫外线生物灭活装置。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可调功率的压载水处理系统紫外线灭活装置及控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种可调功率的压载水处理系统紫外线灭活装置，该装置设置在压载水处理装置的细滤环节与压载舱之间，该装置包括反应器、用以检测进水口和出水口处流量的流量计、均匀分布在反应器腔体内的紫外线发生器、用于调节紫外线发生器功率的旋转开关以及分别与流量计和旋转开关连接的控制器，所述的控制器接收流量计的流量信号，根据流量信号调节旋转开关转过的角度，调节紫外线发生器的光强。

该装置还包括设置在紫外线发生器两侧用以降低腔体内温度的放热器、设置在紫外线发生器前后两面用于检测紫外线光强的光强传感器以及设置在紫外线发生器前后两面用以对紫外线发生器进行清洁的超声波发生器，所述的放热器、光强传感器和超声波发生器分别与控制器连接。

该装置在与压载舱之间的管路上连接有通向海水的出水管。

所述的紫外线发生器发出的紫外线波长范围为200—300nm，紫外线发生器的可调功率范围为30W-800W。

一种应用可调功率的压载水处理系统紫外线灭活装置的控制方法，包括以下步骤：

1)建立紫外线灭活装置的物理模型；

2)根据紫外线灭活装置的物理模型，确定模型预测控制的费用函数；

3)确定预测步数，实施模型预测控制。

所述的步骤1)中，紫外线灭活装置的物理模型的表达式为：

其中，状态x(k)为第k步紫外线灭活装置的工作功率，输入u(k)为旋转开关转过的弧度，P_max、P_min分别为工作功率的最大值和最小值，且

N为模型预测控制的预测步数。

所述的步骤2)中，模型预测控制的费用函数J为：

其中，γ₁,γ₂为费用系数，Q为系统流量，V为腔体的有效体积，R为灭活所需要的紫外线剂量，b为紫外线发生器的灯管长度，I为反应器内一点接收到的紫外线辐射强度，aw为紫外线在水中的衰减系数，aq为紫外线在石英中的衰减系数， d_i为反应器内一点到第i个紫外线发生器的距离，n为紫外线发生器的总数，d₀为石英套管的半径。

一种计算设备，包括：一个或多个处理器以及存储器，所述的存储器用以存储控制方法的控制指令，当该控制指令被处理器执行时实现紫外线灭活装置的紫外线放射功率控制。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

由于在实际应用中系统流量是变化的，传统的装置只设置一个工作功率，大多数能量被浪费，本发明的模型预测控制方法采用了滚动优化策略，可以得到较好的动态控制性能，根据系统流量来调节系统功率，减小系统的负载压力，避免能量的浪费。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图。

图2为紫外线灭活装置的结构俯视图。

图3为紫外线灭活装置的结构正视图。

图4为紫外线灭火模块内部横截面单位功率紫外线强弱分布图(W/cm2)。

图5为系统流量为变化曲线时，单个紫外线灯管的功率变化图。

图6为系统流量为变化曲线时，单个紫外线灯管的开关旋转弧度图。

图7为本发明实施例系统流量为变化曲线时，模型预测控制花费函数变化图。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明专利的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明专利不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明专利的原理，在不脱离本发明专利精神和范围的前提下，本发明专利还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明专利保护范围内。本发明专利要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供一种可调功率的压载水处理系统紫外线灭活装置及控制方法，以及一种计算设备和一种非暂时性机器可读存储介质。

该紫外线灭活装置包括：包括流量计，紫外线发生器，放热器，光强传感器，超声波发生器，旋转开关和功率控制器，流量计分别测量进水口和出水口的流量，进水口与压载水处理装置中细滤环节连接，出水口与压载舱连接，紫外线灭活装置与压载舱之间的管路上连接有通向海水的出水管，紫外线发生器包含紫外线灯和石英灯管，均匀分布在腔体内，放热器分布在紫外线发生器的两侧，当紫外线灯打开时，大量的热量会被产生，放热器可以有效降低腔体内的温度。光强传感器分布在紫外线发生器的前后两面，用于检测紫外线的光强，给控制器以反馈信号，也用于检测石英管是否被杂物，如水垢等遮盖以及紫外线灯管是否正常工作。超声波发生器分布在紫外线发生器的前后两面，当石英管被遮盖，影响紫外线发生器的杀菌效果时，超声波发生器将被启动，进行清洁工作。旋转开关用于调节紫外线发生器的功率，功率控制装置接收流量计的流量信号，根据流量调节旋转开关转过的角度，从而调整紫外线发生器的光强。

本发明还提供一种计算设备，包括：一个或多个处理器；存储器，存储器存储指令，当指令被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行紫外线灭活装置的紫外线放射功率控制方法。

本发明还提供一种非暂时性机器可读存储介质，其存储有可执行指令，该指令当被执行时使得处理器执行紫外线灭活装置的紫外线放射功率控制方法。

紫外线的波长可以为200—300nm。

紫外线灯管的可调功率范围可以为30W-800W。

紫外线的光照功率由模型预测控制方法来进行调节，而紫外线剂量是决定紫外线的灭活效果的最重要的因素之一，本发明计算了腔体内部各点微生物所接收到的紫外线辐射剂量，并以紫外线辐射剂量最小的一点作为标准，以保证腔体内各个地方的微生物都可以被有效灭活。

本发明采用了模型预测控制方法对紫外线灭活装置的紫外线放射功率进行控制，包含下列步骤：

步骤(1)：建立紫外线灭活装置的系统模型：

本发明所采用的紫外线灭活装置的控制开关为自动控制旋转开关，当紫外线灭活装置开始工作时，初始工作功率为P_min,紫外线的辐射功率可以在P_min到P_max之间调节，旋转开关转过的角度越大，输入改变得越大，由此，紫外线辐射功率的状态方程为：

其中，状态x(k)为紫外线灭活装置的工作功率，输入u(k)为旋转开关转过的弧度。

N为模型预测控制的预测步数。

步骤(2)：结合紫外线灭活反应器的物理模型，确定模型预测控制的费用函数：

本发明中假设反应器内紫外线灯管的数目为n,根据朗伯定律，反应器内任一点接收到的紫外线辐射强度为：

其中，I₀为灯管表面的辐射强度，aw指紫外线在水中的衰减系数， d_i,i＝1,2,...,n是指到各紫外线发生器的距离，aq指紫外线在石英中的衰减系数， d₀指石英套管的半径。

假设紫外线的辐射均匀的分布在灯管上，由此可以得出灯管表面的辐射强度I₀为：

P为灯管功率，b为灯管长度，则反应器内任一点接收到的紫外线辐射强度为：

本发明所采用的紫外线灭活装置的控制开关为自动控制旋转开关，当紫外线灭活装置开始工作时，初始工作功率为P_min,紫外线的辐射功率可以在P_min到P_max之间调节，控制律取决于系统流量Q。

已知系统流量为Q，腔体的有效体积为V，则液体在腔体内停留的平均时间为

灭活所需要的紫外线剂量为R，紫外线辐射功率的状态方程为：

模型预测控制的费用函数为：

其中，

γ₁,γ₂为费用系数。

步骤(3)：确定预测步数N，实施模型预测控制。

由上可知，整个模型预测控制问题可以被归纳为：

x(0)＝x₀,

P_min≤x(k)≤P_max,-π≤u(k)≤π,

上式中x₀为系统初始值。

实施例

图3和图2分别为本发明实施例的紫外线灭活装置的结构正视图、俯视图，本例中的可调功率的压载水处理装置的紫外线灭活装置包括101流量计，102超声波发生器，103紫外线发生器，104光强传感器和105放热器。腔体内一共有5根紫外线发生器，半径d₀为4cm，长方体腔体的长宽高分别为28cm,20cm,20cm。

本发明中，反应器的形状为长方体，腔体的有效体积为：

V＝abc-naπr²

其中a,b,c分别为长方体腔体的长，宽和高，r为紫外线发生器的半径，n为腔体内紫外线发生器的数目。

根据朗伯定律，反应器内任一点接收到的紫外线辐射强度为

其中紫外线在水中的衰减系数aw＝0.2326，紫外线在石英套管中的衰减

实施例中，腔体的有效体积为4.1664×10^-3m³,腔体内紫外线单位辐射功率的分布如图4所示，单位μJ/cm²。

根据上述实施例数据，以及功率控制模块原理，逐步建立模型预测控制问题解决方案：

步骤(1)，建立紫外线灭活装置的系统物理模型：

本发明所采用的紫外线灭活装置的控制开关为自动控制旋转开关，当紫外线灭活装置开始工作时，初始工作功率P_min＝30W,紫外线的辐射功率可以在P_min到 P_max＝800W之间调节,据此系统模型如下所示：

步骤(2)，结合紫外线灭活装置的物理模型，确定模型预测控制的费用函数：

假设动态流量为Q，因此平均灭菌照射时间应为墙体有效体积与流量之比，即

灭活所需的紫外线剂量取R＝10J/cm²,为了最大限度地利用紫外线灭活装置的功率，模型预测控制的费用函数为：

x_i,y_i为腔体内一点到各个紫外灯管的横，纵坐标之差。

步骤(3)，确定预测步数N，实施模型预测控制。

模型预测控制的预测步长N＝10,系统流量为Q时，模型预测控制问题可以归纳为：

x(0)＝150,

30≤x(k)≤800,-π≤u(k)≤π,

在实施例中，变化的流量由流量计测出，由计算设备根据流量信号及其他信息计算出参考轨迹，并利用模型预测控制滚动优化的方法计算出相应的控制输入传递给功率控制装置，控制旋转开关转动调节，从而进一步调节紫外线灭活装置的总功率使之与流量相适应，历史控制输入将被存储，以便下一次相同情况下的快速调用，信息流的传递可以参考图1。

x_i,y_i为每个紫外线发生器所在的位置，具体数值如下所示：

表1每个紫外线发生器所在的位置

图5为实施例中，系统流量为变化曲线时，功率的变化曲线。

图6为实施例中，系统流量为变化曲线时，旋转开关转过的角度的曲线图。

图7为实施例中，系统流量为变化曲线时，花费函数曲线。

Claims (8)

1.一种可调功率的压载水处理系统紫外线灭活装置，该装置设置在压载水处理装置的细滤环节与压载舱之间，其特征在于，该装置包括反应器、用以检测进水口和出水口处流量的流量计、均匀分布在反应器腔体内的紫外线发生器、用于调节紫外线发生器功率的旋转开关以及分别与流量计和旋转开关连接的控制器，所述的控制器接收流量计的流量信号，根据流量信号调节旋转开关转过的角度，调节紫外线发生器的光强。

2.根据权利要求1所述的一种可调功率的压载水处理系统紫外线灭活装置，其特征在于，该装置还包括设置在紫外线发生器两侧用以降低腔体内温度的放热器、设置在紫外线发生器前后两面用于检测紫外线光强的光强传感器以及设置在紫外线发生器前后两面用以对紫外线发生器进行清洁的超声波发生器，所述的放热器、光强传感器和超声波发生器分别与控制器连接。

3.根据权利要求1所述的一种可调功率的压载水处理系统紫外线灭活装置，其特征在于，该装置在与压载舱之间的管路上连接有通向海水的出水管。

4.根据权利要求1所述的一种可调功率的压载水处理系统紫外线灭活装置，其特征在于，所述的紫外线发生器发出的紫外线波长范围为200—300nm，紫外线发生器的可调功率范围为30W-800W。

5.一种应用如权利要求1-4任一项所述的可调功率的压载水处理系统紫外线灭活装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立紫外线灭活装置的物理模型；

2)根据紫外线灭活装置的物理模型，确定模型预测控制的费用函数；

3)确定预测步数，实施模型预测控制。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述的步骤1)中，紫外线灭活装置的物理模型的表达式为：

其中，状态x(k)为第k步紫外线灭活装置的工作功率，输入u(k)为旋转开关转过的弧度，P_max、P_min分别为工作功率的最大值和最小值，且P_min≤x(k)≤P_max,-π≤u(k)≤π,

N为模型预测控制的预测步数。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述的步骤2)中，模型预测控制的费用函数J为：

其中，γ₁,γ₂为费用系数，Q为系统流量，V为腔体的有效体积，R为灭活所需要的紫外线剂量，b为紫外线发生器的灯管长度，I为反应器内一点接收到的紫外线辐射强度，aw为紫外线在水中的衰减系数，aq为紫外线在石英中的衰减系数，d_i为反应器内一点到第i个紫外线发生器的距离，n为紫外线发生器的总数，d₀为石英套管的半径。

8.一种计算设备，包括：一个或多个处理器以及存储器，所述的存储器用以存储实现如权利要求5所述的控制方法的控制指令，当该控制指令被处理器执行时实现紫外线灭活装置的紫外线放射功率控制。

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