CN112623175A - 一种船舶冷却系统的泵流模式和自流模式的双模式切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶冷却系统的泵流模式和自流模式的双模式切换方法，包括以下步骤：1)确定冷却系统的冷凝器的要求真空，以压力表示；2)设定真空值p_ref作为泵流模式、自流模式的标识；3)设计泵流模式的启动和退出规则；当检测的冷凝器内的真空值大于设定值且保持N个采样周期以上，则冷却系统保持泵流模式，或从自流模式切换为泵流模式；当检测的冷凝器内的真空值小于设定值且保持N个采样周期以上，则冷却系统保持自流模式，或从泵流模式切换为自流模式。本发明提供了两种切换模式，满足自流航速区间最大化或真空环境最佳，可分别满足节能、降噪效果最佳和运行真空环境最佳的性能需求，有助于冷却系统多目标运行的实现。

Description

一种船舶冷却系统的泵流模式和自流模式的双模式切换方法

技术领域

本发明属于船舶动力装置控制技术领域，更具体地，涉及一种船舶冷却系统的泵流模式和自流模式的双模式切换方法。

背景技术

凝汽式汽轮机作为船舶的动力系统，其冷却水系统是最重要的子系统之一，用来冷凝汽轮机做功产生的乏汽，维持汽轮机工作所需的真空条件。自流模式冷却系统是一种新型冷却水系统，与传统的泵流模式冷却水系统不同，其工作不依赖水泵的运转，比较节能，并且可大幅降低冷却水系统的噪声，是船舶动力装置冷却水系统的重要发展方向。如图1所示，自流模式冷却系统通常由进口接管及导流罩、出口接管及导流罩、冷凝器、连接管路及附件等组成，通过船舶舷侧的进出口接管及导流罩，将船舶航行中迎面水流的动压头转化为冷却水系统的内流静压，驱动冷却海水流过冷凝器，将汽轮机做功产生的乏汽进行冷凝，满足动力装置的冷却需求。当水泵启动后，冷却系统进入泵流模式，当水泵停转或随动，冷却系统进入自流模式，为论述方便，以水泵停转为自流模式。

在船舶航行过程中，通过自流模式系统的冷却海水流量取决于船舶航速，随着船舶航速的增加，自流模式冷却系统的冷却海水流量在增加，即冷却能力逐渐升高。动力装置运行工况直接影响进入冷凝器的乏汽流量大小，决定了冷凝器所需要的冷却海水流量，即决定了动力装置的冷却需求。仅当自流模式冷却系统的冷却能力不小于动力装置的冷却需求时，自流模式冷却系统才具有适用性。动力装置的运行工况同时也决定船舶的螺旋桨转速，螺旋桨转速又直接影响船舶航速和自流模式冷却系统的冷却能力，故设计阶段通常以船舶航速作为标识参数，以冷却海水温度t为外部条件，使得在船舶航速区v₁-v₂范围内自流模式冷却系统具备适用性。超出航速范围v₁-v₂时，自流模式冷却系统不能提供足够的冷却海水流量，需要启动水泵，转换为泵流模式冷却系统。然而，由于不同海域的冷却海水温度t是变化的，自流航速区v₁-v₂是也将是变化的，自流模式冷却系统转换泵流模式冷却系统的时机是需要动态掌握的，而且转换过程中需确保真空始终满足要求，且不能出现在转换点附近的往复切换，否则，系统运行将不能稳定运行。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了泵流模式、自流模式冷却系统的双模式切换方法，可实现自流航速区间最大化转换和真空环境最佳转换等两种转换模式，可满足适应不同环境的冷却系统的多样化运行要求。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种船舶冷却系统的泵流模式和自流模式的双模式切换方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)确定冷却系统的冷凝器的要求真空，要求真空以压力表示，并且p₀-Δp≤要求真空≤p₀+Δp；其中，p₀是冷凝器的标称真空，Δp为允许的真空偏差值，p₀+Δp是冷凝器的真空上限，p₀-Δp是冷凝器的真空下限；

2)设定真空值p_ref作为泵流模式、自流模式冷却系统转换的标识，其中：

如果以自流模式下的航速区间最宽为目标，则

α为限制的超调量，并且

如果以冷凝器的真空环境最佳为目标，则p_ref＝p₀；

3)确定泵流模式的切换规则；

当检测的冷凝器内的真空值大于

且保持N个采样周期以上，则冷却系统保持泵流模式，或者从自流模式切换为泵流模式；

当检测的冷凝器内的真空值小于

且保持N个采样周期以上，则冷却系统保持自流模式，或者从泵流模式切换为自流模式；

其中，冷却系统在自流模式时水泵为零转速，泵流模式时水泵的转速大于零，N为正整数。

优选地，冷却系统的控制器的输出为水泵的转速n，n的下限是零，上限是水泵的满转速。

优选地，设计的冷却系统的控制器，实现真空超调量不超过α，以确保冷却系统发生泵流模式、自流模式转换时冷凝器的真空值不超过p₀+Δp，使得上升时间不大于Ψ，以确保冷却系统的真空控制的动态响应足够快。优选地，α＝0.15。

优选地，N＝5。

优选地，步骤3)中，首先检验水泵转速是否为零转速，若为零转速，则冷却系统为自流模式，否则冷却系统为泵流模式；

若冷却系统为自流模式，则通过检测冷凝器真空，判断是否满足泵流模式进入条件，若满足，则冷却系统转换为泵流模式，否则保持自流模式；

若冷却系统为泵流模式，通过检测冷凝器真空，判断是否满足泵流模式的退出条件，若满足，则冷却系统进入自流模式，否则保持泵流模式。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本发明提供的泵流模式、自流模式冷却系统的双模式切换方法，针对船舶动力装置泵流模式、自流模式冷却系统的切换问题，确定了转换标识和转换规则，设计了相应的控制器，并给出具体的切换流程，能够实现泵流模式和自流模式的自动转换，满足不同工作环境下冷却系统的冷却需求。而且，根据真空转换标识的不同，提供了两种切换模式，自流航速区间最大化转换和真空环境最佳转换，可分别满足节能、降噪效果最佳和运行真空环境最佳的性能需求，有助于冷却系统多目标运行的实现。

附图说明

图1本发明实施例冷却系统组成结构图；

图2本发明实施例泵流模式冷却系统控制回路图；

图3本发明实施例泵流模式下控制系统的闭环极点分布图；

图4本发明实施例泵流模式和自流模式的切换流程图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1所示，其为本发明实施例冷却系统组成结构图，包括汽轮机、冷凝器、水泵，所述蒸汽经过汽轮机后，形成的乏汽流入冷凝器，所述水泵可将海水运输至冷凝器，如此将乏汽冷凝形成冷凝水。

本发明的一种船舶冷却系统的泵流模式和自流模式的双模式切换方法，包括以下步骤：

1)确定冷却系统的冷凝器的要求真空，要求真空以压力表示，并且p₀-Δp≤要求真空≤p₀+Δp；其中，p₀是冷凝器的标称真空，Δp为允许的真空偏差值，p₀+Δp是冷凝器的真空上限，p₀-Δp是冷凝器的真空下限；要求真空为冷凝器内允许的真空，不能超过p₀+Δp，也不能小于p₀-Δp。

2)设定真空值p_ref作为泵流模式、自流模式冷却系统转换的标识，其中：

如果以自流模式下的航速区间最宽为目标，则

α为限制的超调量，并且

α的取值要确保p_ref的最大值为p₀+Δp，p_ref的最小值为p₀，p_ref不能超出这个取值范围。优选地，α＝0.15。p_ref这样的取值范围是由系统设计决定的，也是船舶冷却系统的汽轮机工作要求条件。

如果以冷凝器的真空环境最佳为目标，则p_ref＝p₀；

本发明的p_ref的取值主要是基于两方面的考虑：一是当真空度最低，则需要的冷却水量最小，这样就能保证最宽航速范围内通过自流模式即可满足冷却要求；二是p_ref与α取值相匹配，将充分考虑真空波动影响，满足汽轮机对真空度的要求。

3)确定泵流模式的切换规则；

当检测的冷凝器内的真空值大于

(α＝0.15时为1.075p_ref)且保持N＝5个采样周期以上，则冷却系统保持泵流模式(如在不大于

时为泵流模式，则保持泵流模式)，或者从自流模式切换为泵流模式(如在不大于

时为自流模式，则切换为泵流模式)；

当检测的冷凝器内的真空值小于

(α＝0.15时为0.925p_ref)且保持N＝5个采样周期以上，则冷却系统保持自流模式(如在不小于

时为自流模式，则保持自流模式)，或者从泵流模式切换为自流模式(如在不小于

时为泵流模式，则切换为自流模式)；

以区间

(α＝0.15时该区间为[0.925p_ref,1.075p_ref])为切换判断的延迟区间，即冷却系统在该区间内可为泵流模式，也可为自流模式。

其中，冷却系统在自流模式时水泵为零转速，泵流模式时水泵的转速大于零，N为正整数。

泵流模式下的冷却系统的控制器设计方法为：确保闭环极点分布在合理范围；泵流模式下的冷却系统的控制器见图2，控制器的输出n是水泵转速，n的下限是零，上限是满转速，其中n为零转速时，表示冷却水系统处于自流模式。图2中控制器的闭环极点分布于图3所示的s平面左半平面的剖面线区域，其中ξ取为0.51，ω_n取为0.03，保证自流模式冷却系统的真空的超调不超过15％；同时，也保证上升时间不大于60秒。

进一步，冷却系统的控制器的输出为水泵的转速n，n的下限是零转速，上限是水泵的满转速；

冷却系统的真空超调量不超过α，以确保冷却系统发生泵流模式、自流模式转换时的真空值不超过p₀+Δp，使得上升时间不大于Ψ，以确保冷却系统的真空控制的动态响应足够快。Ψ和α的取值需确保满足自己的工程需求。

参照图4，其为本发明实施例泵流模式、自流模式冷却系统双模式切换具体流程图：首先检验水泵转速是否保持零转速，若保持零转速，则冷却系统为自流模式，否则冷却系统为泵流模式。若为泵流模式，通过检测冷凝器真空，判断是否满足泵流模式的退出条件，若满足，则冷却系统进入自流模式，否则保持泵流模式。若为自流模式，通过检测冷凝器真空，判断是否满足泵流模式进入条件，若满足，则冷却系统转换为泵流模式，否则保持自流模式。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种船舶冷却系统的泵流模式和自流模式的双模式切换方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)确定冷却系统的冷凝器的要求真空，要求真空以压力表示，并且p₀-Δp≤要求真空≤p₀+Δp；其中，p₀是冷凝器的标称真空，Δp为允许的真空偏差值，p₀+Δp是冷凝器的真空上限，p₀-Δp是冷凝器的真空下限；

2)设定真空值p_ref作为泵流模式、自流模式冷却系统转换的标识，其中：

如果以自流模式下的航速区间最宽为目标，则

α为限制的超调量，并且

如果以冷凝器的真空环境最佳为目标，则p_ref＝p₀；

3)确定泵流模式的切换规则；

当检测的冷凝器内的真空值大于

且保持N个采样周期以上，则冷却系统保持泵流模式，或者从自流模式切换为泵流模式；

当检测的冷凝器内的真空值小于

且保持N个采样周期以上，则冷却系统保持自流模式，或者从泵流模式切换为自流模式；

其中，冷却系统在自流模式时水泵为零转速，泵流模式时水泵的转速大于零，N为正整数。

2.根据权利要求1所述的一种船舶冷却系统的泵流模式和自流模式的双模式切换方法，其特征在于，冷却系统的控制器的输出为水泵的转速n，n的下限是零，上限是水泵的满转速。

3.根据权利要求1所述的一种船舶冷却系统的泵流模式和自流模式的双模式切换方法，其特征在于，设计的冷却系统的控制器，实现真空超调量不超过α，以确保冷却系统发生泵流模式、自流模式转换时冷凝器的真空值不超过p₀+Δp，使得上升时间不大于Ψ，以确保冷却系统的真空控制的动态响应足够快。

4.根据权利要求1所述的一种船舶冷却系统的泵流模式和自流模式的双模式切换方法，其特征在于，α＝0.15。

5.根据权利要求1所述的一种船舶冷却系统的泵流模式和自流模式的双模式切换方法，其特征在于，N＝5。

6.根据权利要求1所述的一种船舶冷却系统的泵流模式和自流模式的双模式切换方法，其特征在于，步骤3)中，首先检验水泵转速是否为零转速，若为零转速，则冷却系统为自流模式，否则冷却系统为泵流模式；

若冷却系统为自流模式，则通过检测冷凝器真空，判断是否满足泵流模式进入条件，若满足，则冷却系统转换为泵流模式，否则保持自流模式；

若冷却系统为泵流模式，通过检测冷凝器真空，判断是否满足泵流模式的退出条件，若满足，则冷却系统进入自流模式，否则保持泵流模式。

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