CN111946431B - 利用柴油发电机余热的船舶热电联产优化控制系统及控制方法 - Google Patents

利用柴油发电机余热的船舶热电联产优化控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用柴油发电机余热的船舶供电与供汽联动系统的优化控制系统及控制方法，该控制系统包括传感器、热电联产控制器、蒸汽轮机发电机发电量PID控制器。热电联产控制器通过传感器获取全船蒸汽供热需求和用电需求，计算柴油发电机和燃油锅炉燃油消耗量并发出燃油控制信号，同时向蒸汽轮机发电机的发电量PID控制器发出设定值信号，从而控制船舶柴油发电机、燃油锅炉、废气锅炉、蒸汽轮机发电机等设备的运行工况，满足全船蒸汽供热需求和用电需求。与现有技术相比，本发明这种优化控制系统及控制方法能够在满足全船蒸汽供热和供电的条件下控制总燃油费用最低，或总CO2排放值最低，从而达到降低营运成本或节能减排目的。

Description

利用柴油发电机余热的船舶热电联产优化控制系统及控制 方法
技术领域
本发明涉及船舶柴油发电机废气利用和蒸汽轮机发电机发电领域，尤其涉及利用柴油发电机余热的船舶供电与供汽联动系统的优化控制系统和控制方法。
背景技术
大型豪华邮轮是近些年快速发展的船型之一。该船型由于吨位大，人员多，大型耗能娱乐项目多，导致该类船舶能耗巨大。巨大的耗能系统使得该类船舶在供电系统与蒸汽系统比普通船舶更为复杂。普通船舶通常由柴油机和锅炉组成船舶供电系统与蒸汽系统，且这两个系统通常相互独立，但许多大型豪华船舶的供电系统与蒸汽系统通常由多个柴油发电机、多个废热锅炉、多个燃油锅炉和蒸汽轮机发电机共同组成，而且两个系统之间的设备相互联动。在大型豪华船舶航行过程中，当供电系统与蒸汽系统负荷发生变化时，这两个系统不同的控制和管理模式会导致这两个系统消耗不同的燃油消耗量和导致不同的总燃油费用，并产生不同的总CO2总排放，不当的控制和管理模式甚至可能造成蒸汽过剩等能源浪费。
发明内容
本发明提供一种利用柴油发电机余热的船舶供电与供汽联动系统的优化控制系统和控制方法，通过计算和控制柴油发电机和燃油锅炉的燃油消耗量，以消除或降低热电联产供需不平衡造成的影响，避免造成能源浪费，并达到降低运营成本或排放的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供一种利用柴油发电机余热的船舶热电联产控制方法，包括以下步骤：
检测船舶的电网电能需求参数、蒸汽供热参数、废气锅炉中废气参数；
热电联产控制器根据检测信号确定船舶的电网用电需求和蒸汽供热需求，再计算满足船舶蒸汽供热和供电需求，且计算柴油发电机和燃油锅炉燃油费之和最低，或者柴油发电机和燃油锅炉总CO2排放值最低的情况下的柴油发电机的燃油消耗量和燃油锅炉燃油消耗量；
热电联产控制器根据计算结果向柴油发电机和燃油锅炉所对应的燃油控制器发送第一控制信号和第二控制信号，分别调节柴油发电机和燃油锅炉的燃油消耗量；
热电联产控制器向蒸汽轮机发电机发电量PID控制器发出发电量设定值信号，蒸汽轮机发电机发电量PID控制器根据发电量设定值信号调节蒸汽轮机发电机进口阀门开度，以控制蒸汽轮机发电机发电量，使全船的蒸汽供热量和发电量满足全船的供电和供热需求。
接上述技术方案，其中所述电网需求和供热参数包括电网的有功功率、无功功率、视在功率和总谐波畸变率，蒸汽供热总管实时质量流量和总管压力。所述的废气锅炉中废气参数指的是进入废气锅炉的废气进口温度和废气锅炉的废气出口温度。
接上述技术方案，所述全船蒸汽供热量指的是燃油锅炉产生的蒸汽和废气锅炉产生的蒸汽减去蒸汽轮机发电机蒸汽消耗量的剩余蒸汽，即用于辅机运行和油类加热等蒸汽，不包括蒸汽轮机发电机发电所用的蒸汽。所述的全船发电量指的是柴油发电机的发电量以及蒸汽轮机发电机发电量。
接上述技术方案，该方法还包括步骤：
监测所述的船舶实时运行参数，根据该实时运行参数产生第三控制信号，用于控制滤波器滤除电网的谐波，所述运行参数包括有功功率、无功功率、视在功率和总谐波畸变率。
接上述技术方案，全船的蒸汽供热需求值的值默认由传感器测量得到，或者通过热电联产控制器控制面板手动更改。
接上述技术方案，计算柴油发电机和燃油锅炉的燃油消耗量的具体过程为：
在热电联产控制器中设定柴油发电机燃油市场价格J1与柴油发电机工作燃烧1kg某类燃油，所产生的CO2排放值W1，设定锅炉燃油的当时市场价格J2，以及燃油锅炉工作燃烧1kg某类燃油，所产生的CO2排放值W2；
热电联产控制器计算系统整体的运行策略，即多个约束条件下的目标最小值求解：
目标函数1：min C＝f(Sex)×n1×J1+g(Sb)×J2×n2
目标函数2：min WR＝f(Sex)×n1×W1+g(Sb)×W2×n2
其中，n1是投入运行的柴油发电机台数，n2是投入运行的燃油锅炉台数，min WR为最低CO2排放量，min C为最低燃油费用，f(Sex)为柴油发电机的燃油消耗量，g(Sb)为柴油发电机的燃油消耗量；仅选择其中一个目标函数求解；
具体约束条件如下：
(1)约束条件1
Sex+Sb>Sn；
Sb为燃油锅炉的蒸汽量，Sex为废气锅炉蒸汽量，Sn为全船蒸汽供热需求；
(2)约束条件2
如果y(Sin)>0，Sin＝Sex+Sb-Sn>Sin,low；
如果y(Sin)＝0，0<Sin＝Sex+Sb-Sn<Sin,low；
表示燃油锅炉蒸汽量Sb加上废气锅炉蒸汽量Sex的值减去全船蒸汽供热需求值Sn，剩下的蒸汽量大于Sin,low则用于蒸汽轮机发电机发电Sin，蒸汽轮机发电机发电量y(Sin)>0，进入蒸汽轮机发电机的蒸汽流量小于蒸汽轮机发电机最低稳定工作流量Sin,low，则不开启蒸汽轮机发电机工作，蒸汽轮机发电机发电量y(Sin)＝0；
(3)约束条件3
h(Sex)+y(Sin)＝Pn；
表示通过废气锅炉的蒸汽量Sex计算得到柴油发电机的发电量h(Sex)，通过进入蒸汽轮机发电机的蒸汽量Sin计算蒸汽轮机发电机发电量，电量之和等于电网的电能需求；
(4)约束条件4
f(Sex)>mg oil,in,low；
表示通过废气锅炉的蒸汽量Sex求解柴油发电机的燃油消耗量f(Sex)，大于柴油发电机最低稳定工况燃油流量mg oil,in,low；
(5)约束条件5
g(Sb)>mb oil,in,low；
表示通过燃油锅炉的蒸汽量Sb求解柴油发电机的燃油消耗量g(Sb)，大于柴油发电机最低稳定工况燃油流量mb oil,in,low；
通过以上的目标函数和约束条件，求解得到单台柴油发电机和单台燃油锅炉的燃油值信号，热电联产控制器将信号送到燃油控制器控制各设备的供油量。
本发明还提供一种利用柴油发电机余热的船舶供电与供汽联动系统的优化控制系统，所述优化控制系统包括以下主要设备：柴油发电机、废气锅炉、燃油锅炉、发电蒸汽轮机发电机、燃油控制器、滤波器、多种传感器、热电联产控制器、蒸汽轮机发电机发电量PID控制器；
其中，多种传感器包括电流电压互感器、以及蒸汽质量流量计和压力计、温度传感器，分别用于检测船舶电网的功率、船舶蒸汽供热管道压力和流量、废气锅炉中废气的进出口温度的实时数据；
与所述多种传感器相连的热电联产控制器，用于接收传感器测量的船舶电网信息，蒸汽供热信息，废气锅炉废气温度，根据传感器测量的信号值计算满足船舶蒸汽供热和供电需求，且计算柴油发电机和燃油锅炉燃油费之和最低，或者柴油发电机和燃油锅炉总CO2排放值最低的情况下的柴油发电机的燃油消耗量和燃油锅炉燃油消耗量，并根据计算结果产生第一控制信号和第二控制信号，分别调节柴油发电机和燃油锅炉的燃油消耗量
热电联产控制器还用于向蒸汽轮机发电机发电量PID控制器发出发电量设定值信号，蒸汽轮机发电机发电量PID控制器根据发电量设定值信号调节蒸汽轮机发电机进口阀门开度，以控制蒸汽轮机发电机发电量，使全船的蒸汽供热量和发电量满足全船的供电和供热需求。
接上述技术方案，所述热电联产控制器包括数据接收单元、中央处理单元、控制面板、控制信号输出单元、实时警报单元；
数据接收单元接收电压电流互感器、压力传感器、蒸汽质量流量传感器所测量的电压电流、蒸汽压力和质量流量信号，并将信号传递给中央处理单元进行处理；
控制面板对全船蒸汽需求量进行修改；
中央处理单元根据修改后的全船蒸汽需求量以及电能需求量求解并产生对应的第一信号、第二信号以及蒸汽轮机发电机发电量设定值信号，将第一信号、第二信号分别传给柴油发电机和燃油锅炉的燃油消耗量控制器来控制燃油消耗量；还将蒸汽轮机发电机发电量设定值信号传给蒸汽轮机发电机发电量PID控制器，控制蒸汽轮机发电机的发电量。
本发明产生的有益效果是：本发明以柴油发电机与燃油锅炉总燃油费用最低或柴油发电机与燃油锅炉总CO2最低为目标，求解得到柴油发电机与燃油锅炉的燃油消耗量，并控制柴油发电机与燃油锅炉的燃油消耗量，从而控制设备的工作负荷，满足船舶用电和蒸汽供热需求，并达到节能、减排的目的。
通过运用本发明的控制技术对大型豪华邮轮的供电系统与蒸汽系统进行优化管理，不仅可以使供电系统和蒸汽系统的供需平衡，减少能源浪费，而且可以减少两个系统的总燃油费用和两个系统产生的总排放。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为根据本发明的实施例的供电与供汽联动系统的优化控制系统。
图2为根据本发明的实施例的供电与供汽联动系统的优化控制系统的工作流程图。
图3为根据本发明的实施例的船舶热电联产控制器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1所示的是根据本发明的实施例的一种利用柴油发电机余热的船舶供电与供汽联动系统的优化控制系统100。船舶供电与供汽联动系统的优化控制系统包括船舶电网102、热电联产控制器104、温度传感器106、压力传感器108、蒸汽质量流量传感器110、电压电流互感器112、蒸汽管网114、燃油锅炉116及其燃油控制器118、柴油发电机120及其燃油控制器122、柴油发电机124及其燃油控制器126、废气锅炉128与130、蒸汽轮机发电机132、滤波器134、PID控制器148。
其中，船舶电网102为船舶提供电能。柴油发电机120通过燃烧柴油，进行发电，为电网提供电能，燃烧产生废气，通入废气锅炉。柴油发电机燃油控制器122控制柴油发电机喷油器的供油量，燃油控制器的燃油消耗量信号由热电联产控制器计算得到。废气锅炉利用发电柴油机的废气余热，产生蒸汽。燃油锅炉116通过燃烧燃油产生蒸汽，与废气锅炉产生的蒸汽共同用于全船供热，也可以将其供入蒸汽轮机发电机发电，燃油锅炉燃油控制器118控制锅炉燃烧器的供油量，燃油控制器的燃油消耗量信号由热电联产控制器计算得到。蒸汽轮机发电机132供入蒸汽从而发电，为电网提供电能。多种传感器用于检测所述船舶的电网状态、船舶蒸汽供热状态及废气锅炉的废气状态，并用于产生表示船舶电网状态、船舶蒸汽供热状态及废气锅炉废气状态的检测信号，传感器包括电流电压互感器、蒸汽供热管道质量流量计和压力计、以及温度传感器，用于检测船舶电网的有功功率、无功功率、视在功率、蒸汽供热总管压力和流量，废气锅炉中废气的进出口温度的实时数据。
全船的蒸汽供热需求其值默认可由实时蒸汽供热流量确定，由蒸汽质量流量计测取。但由于某些豪华船舶，存在部分蒸汽用汽设备为固定时间段供汽，比如游泳池水蒸汽加热，不是二十四小时持续供汽，在蒸汽设备用汽前，产生足够蒸汽，以此降低大型用汽设备开启对蒸汽管网压力稳定的影响。具体操作为：在系统开启游泳池蒸汽加热器之前，可以在热电联产控制器的控制面板调整全船蒸汽需求量数值，其数值等于蒸汽质量流量计测取的蒸汽供热实时测量值加上游泳池水蒸汽加热器预计蒸汽流量。即为游泳池蒸汽加热器的使用预先准备好蒸汽。
船舶电网102和和蒸汽管网114分别向船舶提供电能和蒸汽。压力传感器108、蒸汽质量流量传感器110、电压电流互感器112检测船舶的蒸汽供热状态和电能需求，分别检测船舶的蒸汽总管114中用于蒸汽供热的流量和压力，以及船舶电网102的用电量。在一个实施例中，每个传感器用无线网络与热电联产传感器104进行信号传递，也可以采用光纤等信号传输工具。
热电联产控制器104在接收到全船的蒸汽供热和供电需求信号以后，将信号值作为全船蒸汽供热和供电需求，但是也有其他情况，以本实施例进行说明，用汽设备144持续运行，但是如果大流量用汽设备146即将开启使用，必然导致蒸汽总管114的压力和流量波动，应提前生产所需蒸汽，即通过图2所示的热电联产结构图中的控制面板对蒸汽需求值进行修改，再进行柴油发电机120、124和燃油锅炉116的燃油消耗量计算。将计算结果以第一信号和第二信号分别送到柴油发电机120、124的燃油控制器122、126和燃油锅炉116的燃油控制器118，控制柴油发电机120、124和燃油锅炉116的工作状态。热电联产控制器104将计算得到的蒸汽轮机发电机发电量设定值信号发送到蒸汽轮机发电机发电量PID控制器148，蒸汽轮机发电机发电量PID控制器通过调节蒸汽轮机发电机132进口阀门开度，使蒸汽轮机发电机132发电量维持在发电量设定值。柴油发电机120、124发电，产生废气进入废气锅炉128、30，废气锅炉128、130利用废热产生蒸汽，燃油锅炉116在第二控制信号的燃油消耗量下工作，产生蒸汽，和废气锅炉128、130的蒸汽通入蒸汽总管114，部分蒸汽进入蒸汽轮机发电机132发电，在此工作流程下，使全船的产电和蒸汽供热与全船的需求达到供需平衡状态，降低蒸汽管网的压力和流量波动，减少能源的浪费，并且使柴油发电机120、124和燃油锅炉116的总燃油费最低或者总CO2排放值最低，达到节能、降低营运成本和排放的目的。
船舶热电联产控制器104通过电压电流互感器112检测的电网102参数，产生第三控制信号，控制滤波器134对船舶电网102进行滤波。
对于所述的热电联产控制器104，在获得船舶的蒸汽供热和用电需求之后，对于柴油发电机120、124和燃油锅炉116的燃油消耗量求解，以一下例子进行举例：
首先，船舶在正式使用该供电与供汽联动系统的优化控制系统之前，应获得以下曲线：
(1)通过实验或者柴油发电机供应商获取船舶上每台柴油发电机的油耗—发电量曲线；再将投入运行的柴油发电机的油耗—发电量曲线进行叠加，即保持油耗值不变，将发电量进行相加，获得1号曲线，该曲线表示船舶投入运行的所有柴油发电机，以相同的油耗值进行运行，总共可以生产的电量。
(2)同理，通过实验或者柴油发电机供应商获取每台柴油发电机耗油—废气量曲线，再进行类似的处理，获得2号曲线，该曲线表示船舶投入运行的所有柴油发电机，以相同的油耗值进行运行，总共可以产生的废气量。
(3)通过实验或者锅炉供应商获取该船舶上每台燃油锅炉的油耗—蒸汽产气量曲线，对船舶运行当中的锅炉曲线进行叠加，保持油耗值不变，将蒸汽量相加，得到3号曲线g(S)，该曲线表示，该船舶上所有投入运行的锅炉，保持某同一燃油消耗量燃烧时，可以产生的蒸汽值。
(4)通过实验或者蒸汽轮机发电机供应商获取蒸汽轮机发电机的进气量—发电量曲线y(S)，称为4号曲线。
(5)通过第1号和第2号曲线，结合公式1-1，即柴油发电机废气与废气锅炉产汽量关系式，得出5号曲线废气锅炉总蒸汽—柴油发电机发总电量曲线h(S)和6号曲线废气锅炉总蒸汽—柴油发电机燃油消耗量f(S)，5号曲线表示投入运行的柴油发电机发电总量与投入运行的废气锅炉产生的蒸汽总量之间的关系。6号曲线表示所有柴油发电机以某燃油消耗量工作时，废气锅炉利用柴油发电机废气可以产生的总蒸汽量。
Figure BDA0002619232870000081
S为废气锅炉的蒸汽产汽量，kg/h；
Figure BDA0002619232870000091
为热散失，一般常规取1％-3％；
T1为锅炉废气进口温度，℃；
T2为锅炉废气出口温度，℃；
Cg为废气比热容，(常规取1.06kJ/kg·℃)；
G为柴油发电机废气量，kg/h；
is为饱和蒸汽焓值，kJ/kg；
iw为给水的饱和水焓值，kJ/kg。
其中废气进口温度T1、废气出口温度T2通过传感器测量，其余参数为手动输入，柴油发电机废气量G通过2号曲线获取，蒸汽产汽量S为计算结果。
(6)通过实验或者厂家获取柴油发电机和燃油锅炉每燃烧1kg某种燃油，产生CO2的排放值。柴油发电机工作燃烧1kg某种燃油，所产生的CO2的排放值W1、燃油锅炉工作燃烧1kg某种燃油，所产生的CO2的排放值W2。
通过传感器获取全船所需用电量，通过蒸汽流量计获取全船蒸汽供热的使用流量，通过电压电流互感器获取电网的电能需求，通过控制器加入即将开启的大型用汽设备。设定锅炉燃油的当时市场价格J2，设定柴油发电机燃油市场价格J1。
再由热电联产控制器计算系统整体的运行策略，即多个约束条件下的目标最小值求解：
目标函数1：(最低燃油费用)min C＝f(Sex)×n1×J1+g(Sb)×J2×n2
目标函数2：(最低CO2)min WR＝f(Sex)×n1×W1+g(Sb)×W2×n2
注：上述两个目标函数，不能同时求解。
具体约束条件如下：
(1)约束条件1
Sex+Sb>Sn；
表示燃油锅炉的蒸汽量Sb加上废气锅炉蒸汽量Sex大于全船蒸汽供热需求Sn。
(2)约束条件2
如果y(Sin)>0，Sin＝Sex+Sb-Sn>Sin,low；
如果y(Sin)＝0，0<Sin＝Sex+Sb-Sn<Sin,low；
表示燃油锅炉蒸汽量Sb加上废气锅炉蒸汽量Sex的值减去全船蒸汽供热需求值Sn，剩下的蒸汽量大于Sin,low，则用于蒸汽轮机发电机发电Sin，蒸汽轮机发电机发电量y(Sin)>0，进入蒸汽轮机发电机的蒸汽流量小于蒸汽轮机发电机最低稳定工作流量Sin,low，则不开启蒸汽轮机发电机工作，蒸汽轮机发电机发电量y(Sin)＝0。
(3)约束条件3
h(Sex)+y(Sin)＝Pn；
表示通过废气锅炉的蒸汽量Sex计算得到柴油发电机的发电量h(Sex)，通过进入蒸汽轮机发电机的蒸汽量Sin计算蒸汽轮机发电机发电量，电量之和等于电网的电能需求。
(4)约束条件4
f(Sex)>mg oil,in,low；
表示通过废气锅炉的蒸汽量Sex求解柴油发电机的燃油消耗量f(Sex)，大于柴油发电机最低稳定工况燃油流量mg oil,in,low
(5)约束条件5
g(Sb)>mb oil,in,low；
表示通过燃油锅炉的蒸汽量Sb求解柴油发电机的燃油消耗量g(Sb)，大于柴油发电机最低稳定工况燃油流量mb oil,in,low。
通过以上的目标函数和约束条件，求解得到单台柴油发电机和单台燃油锅炉的燃油消耗量信号。热电联产控制器产生第一控制信号和第二控制信号分别送至柴油发电机和燃油锅炉的燃油控制器控制各设备的供油量。
C是燃油总费用值；WR为柴油发电机和燃油锅炉工作所产生的总CO2排放值；mb是锅炉耗油量；mg是柴油发电机耗油量；Sex是废气锅炉蒸汽产气量；Sb是燃油锅炉产气量；Sn是全船所需蒸汽量；Sin是蒸汽轮机发电机进气量；Sin,low是最低稳定工况进气量；mg oil,in,low是最低稳定工况燃油消耗量；mb oil,in,low是最低稳定工况燃油消耗量；n1是投入运行的柴油发电机台数，n1在本实施例中为2；n2是投入运行的燃油锅炉台数，n1在本实施例中为1。
通过获取全船供热供电需求，计算柴油发电机和燃油锅炉的燃油消耗量这种方法，是按照所有柴油发电机全部同燃油工作，所有燃油锅炉相同燃油工作，从事本船舶行业和发电行业的人都知道，这只是其中的运方式之一。此处以这种工作方式举例，但并不局限于此，所属的控制方法的重点在于通过提前输入运行设备的工作曲线，测取或输入全船的蒸汽供热和供电需求值。作为约束条件，从而求解最低燃油成本，并保持供热和供电供需合理，并且从而达到能够节约能源的目的。
图2所示为根据本发明的实施例的船舶供电与供汽联动系统的优化控制系统100的工作流程图200.图2将结合图1和图3进行描述。在步骤202中，检测的船舶蒸汽供热和电能需求，并产生信号传输到热电联产控制器104的数据接收单元301，进行下一步，进行步骤204中判定，是否有即将启闭的大型用汽设备，如果有，则进入步骤206，通过热电联产控制器104的控制面板303修改全船蒸汽供热需求值，再进入步骤208。如果没有即将启闭的大型用汽设备，则直接进入步骤208，船舶管理人员选择想要的控制目标，即总燃油费用值最低、或者总CO2排放值最低。再进入步骤210，热电联产控制器104根据所述全船所需电能和蒸汽供热需求，计算总燃油费最低情况下或者总CO2排放值最低情况下柴油发电机120、124和燃油锅炉116的燃油消耗量，并发出第一控制信号、第二控制信号和蒸汽轮机发电机发电量设定值信号，分别控制柴油发电机120、124、燃油锅炉116的燃油消耗量、蒸汽轮机发电机132的发电量。再进入步骤212，检测所述船舶的电网参数，步骤214，根据所检测的结果，产生相应的第三控制信号控制与船舶相连的滤波器134工作，进行滤波。
由于燃油锅炉与废气锅炉的产汽过程具有惯性延时特性，导致系统无法进行实时调节，且不同锅炉的惯性延时时间不同，所以，系统的自动调节周期，需要根据对象船舶上锅炉实际情况进行设定，自动调节周期的时间应大于系统调节一次的稳定时间。
图3所示为根据本发明的实施例的船舶热电联产控制器104的结构示意图。在图3的实施例中船舶热电联产控制器包括数据接收单元301、中央处理单元302、控制面板303、控制信号输出单元304、实时警报单元305。结合图1进行描述，数据接收单元301接收电压电流互感器112、压力传感器108、蒸汽质量流量传感器110所测量的电压电流、蒸汽压力和质量流量信号，并将信号传递给中央处理单元302进行处理。当然，如有大型的用电设备即将运行使用，则通过控制面板303对全船蒸汽需求量进行修改，中央处理单元302再根据修改后的全船蒸汽需求量以及电能需求量求解并产生对应的第一信号、第二信号以及蒸汽轮机发电机发电量设定值信号，将第一信号、第二信号分别传给柴油发电机120、124和燃油锅炉116的燃油消耗量控制器118、126、122的来控制柴油发电机120、124和燃油锅炉116的燃油消耗量，将蒸汽轮机发电机发电量设定值信号传给蒸汽轮机发电机发电量PID控制器，控制蒸汽轮机发电机的发电量。
当蒸汽总管的压力传感器108所测量的蒸汽压力值被数据接收单元301传输到中央处理单元302以后，中央处理器302将蒸汽压力值与系统设定的正常压力范围进行比较，如果超出范围，则产生警报信号，传送到实时警报单元产生警报。
本发明可通过预先获取船舶供热和供电设备的相关工作曲线，实时测量船舶供热和电网需求，从而精确的计算柴油发电机和燃油锅炉的燃油消耗量，使得船舶的电网和蒸汽供需平衡，在减少资源浪费的同时，使得柴油发电机和燃油锅炉的总燃油费最低或总CO2排放值最低，达到降低运营成本或污染排放的目的。
并且，通过预先修改供热管网所需蒸汽值，调节蒸汽的产量，可以避免大流量用汽设备的启停造成的蒸汽管网的波动。
通过实时监测蒸汽管网和电网的状态，如果检测蒸汽压力和电网状态异常，发出警报，为船舶运营提供安全保障。
通过在热电联产控制器中设置相关约束条件，可以使热电联产系统中柴油发电机、燃油锅炉、蒸汽轮机发电机等设备避免低于最低工况运行。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种利用柴油发电机余热的船舶热电联产控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
检测船舶的电网电能需求参数、蒸汽供热参数、废气锅炉中废气参数；
热电联产控制器根据检测信号确定船舶的电网用电需求和蒸汽供热需求，再计算满足船舶蒸汽供热和供电需求，且计算柴油发电机和燃油锅炉燃油费之和最低，或者柴油发电机和燃油锅炉总CO2排放值最低的情况下的柴油发电机的燃油消耗量和燃油锅炉燃油消耗量；
热电联产控制器根据计算结果向柴油发电机和燃油锅炉所对应的燃油控制器发送第一控制信号和第二控制信号，分别调节柴油发电机和燃油锅炉的燃油消耗量；
热电联产控制器向蒸汽轮机发电机发电量PID控制器发出发电量设定值信号，蒸汽轮机发电机发电量PID控制器根据发电量设定值信号调节蒸汽轮机发电机进口阀门开度，以控制蒸汽轮机发电机发电量，使全船的蒸汽供热量和发电量满足全船的供电和供热需求。
2.根据权利要求1所述的利用柴油发电机余热的船舶热电联产控制方法，其特征在于，其中所述电网需求和供热参数包括电网的有功功率、无功功率、视在功率和总谐波畸变率，蒸汽供热总管实时质量流量和总管压力；所述废气锅炉中废气参数指的是进入废气锅炉的废气进口温度和废气锅炉的废气出口温度。
3.根据权利要求1所述的利用柴油发电机余热的船舶热电联产控制方法，其特征在于，所述全船蒸汽供热量指的是燃油锅炉产生的蒸汽和废气锅炉产生的蒸汽减去蒸汽轮机发电机蒸汽消耗量的剩余蒸汽，即用于辅机运行和油类加热蒸汽，不包括蒸汽轮机发电机发电所用的蒸汽；全船发电量指的是柴油发电机的发电量以及蒸汽轮机发电机发电量。
4.根据权利要求1所述的利用柴油发电机余热的船舶热电联产控制方法，其特征在于，该方法还包括步骤：
监测所述的船舶实时运行参数，根据该实时运行参数产生第三控制信号，用于控制滤波器滤除电网的谐波，所述运行参数包括有功功率、无功功率、视在功率和总谐波畸变率。
5.根据权利要求1所述的利用柴油发电机余热的船舶热电联产控制方法，其特征在于，全船的蒸汽供热需求值的值默认由传感器测量得到，或者通过热电联产控制器控制面板手动更改。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的利用柴油发电机余热的船舶热电联产控制方法，其特征在于，计算柴油发电机和燃油锅炉的燃油消耗量的具体过程为：
在热电联产控制器中设定柴油发电机燃油市场价格J1与柴油发电机工作燃烧1kg某类燃油，所产生的CO2排放值W1，设定锅炉燃油的当时市场价格J2，以及燃油锅炉工作燃烧1kg某类燃油，所产生的CO2排放值W2；
热电联产控制器计算系统整体的运行策略，即多个约束条件下的目标最小值求解：
目标函数1：min C＝f(Sex)×n1×J1+g(Sb)×J2×n2
目标函数2：min WR＝f(Sex)×n1×W1+g(Sb)×W2×n2
其中，n1是投入运行的柴油发电机台数，n2是投入运行的燃油锅炉台数，min WR为最低CO2排放量，min C为最低燃油费用，f(Sex)为柴油发电机的燃油消耗量，g(Sb)为柴油发电机的燃油消耗量；仅选择其中一个目标函数求解；
具体约束条件如下：
(1)约束条件1
Sex+Sb>Sn；
Sb为燃油锅炉的蒸汽量，Sex为废气锅炉蒸汽量，Sn为全船蒸汽供热需求；
(2)约束条件2
如果y(Sin)>0，Sin＝Sex+Sb-Sn>Sin,low；
如果y(Sin)＝0，0<Sin＝Sex+Sb-Sn<Sin,low；
表示燃油锅炉蒸汽量Sb加上废气锅炉蒸汽量Sex的值减去全船蒸汽供热需求值Sn，剩下的蒸汽量大于Sin,low则用于蒸汽轮机发电机发电Sin，蒸汽轮机发电机发电量y(Sin)>0，进入蒸汽轮机发电机的蒸汽流量小于蒸汽轮机发电机最低稳定工作流量Sin,low，则不开启蒸汽轮机发电机工作，蒸汽轮机发电机发电量y(Sin)＝0；
(3)约束条件3
h(Sex)+y(Sin)＝Pn；
表示通过废气锅炉的蒸汽量Sex计算得到柴油发电机的发电量h(Sex)，通过进入蒸汽轮机发电机的蒸汽量Sin计算蒸汽轮机发电机发电量，电量之和等于电网的电能需求；
(4)约束条件4
f(Sex)>mgoil,in,low；
表示通过废气锅炉的蒸汽量Sex求解柴油发电机的燃油消耗量f(Sex)，大于柴油发电机最低稳定工况燃油流量mgoil,in,low；
(5)约束条件5
g(Sb)>mboil,in,low；
表示通过燃油锅炉的蒸汽量Sb求解柴油发电机的燃油消耗量g(Sb)，大于柴油发电机最低稳定工况燃油流量mboil,in,low；
通过以上的目标函数和约束条件，求解得到单台柴油发电机和单台燃油锅炉的燃油值信号，热电联产控制器将信号送到燃油控制器控制各设备的供油量。
7.一种利用柴油发电机余热的船舶供电与供汽联动系统的优化控制系统，其特征在于，所述优化控制系统包括以下主要设备：柴油发电机、废气锅炉、燃油锅炉、发电蒸汽轮机发电机、燃油控制器、滤波器、多种传感器、热电联产控制器、蒸汽轮机发电机发电量PID控制器；
其中，多种传感器包括电流电压互感器、以及蒸汽质量流量计和压力计、温度传感器，分别用于检测船舶电网的功率、船舶蒸汽供热管道压力和流量、废气锅炉中废气的进出口温度的实时数据；
与所述多种传感器相连的热电联产控制器，用于接收传感器测量的船舶电网信息，蒸汽供热信息，废气锅炉废气温度，根据传感器测量的信号值计算满足船舶蒸汽供热和供电需求，且计算柴油发电机和燃油锅炉燃油费之和最低，或者柴油发电机和燃油锅炉总CO2排放值最低的情况下的柴油发电机的燃油消耗量和燃油锅炉燃油消耗量，并根据计算结果产生第一控制信号和第二控制信号，分别调节柴油发电机和燃油锅炉的燃油消耗量
热电联产控制器还用于向蒸汽轮机发电机发电量PID控制器发出发电量设定值信号，蒸汽轮机发电机发电量PID控制器根据发电量设定值信号调节蒸汽轮机发电机进口阀门开度，以控制蒸汽轮机发电机发电量，使全船的蒸汽供热量和发电量满足全船的供电和供热需求。
8.根据权利要求7所述的利用柴油发电机余热的船舶供电与供汽联动系统的优化控制系统，其特征在于，所述热电联产控制器包括数据接收单元、中央处理单元、控制面板、控制信号输出单元、实时警报单元；
数据接收单元接收电压电流互感器、压力传感器、蒸汽质量流量传感器所测量的电压电流、蒸汽压力和质量流量信号，并将信号传递给中央处理单元进行处理；
控制面板对全船蒸汽需求量进行修改；
中央处理单元根据修改后的全船蒸汽需求量以及电能需求量求解并产生对应的第一信号、第二信号以及蒸汽轮机发电机发电量设定值信号，将第一信号、第二信号分别传给柴油发电机和燃油锅炉的燃油消耗量控制器来控制燃油消耗量；还将蒸汽轮机发电机发电量设定值信号传给蒸汽轮机发电机发电量PID控制器，控制蒸汽轮机发电机的发电量。
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