CN112814806B - 一种船舶主柴油机余热组合发电系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶主柴油机余热组合发电系统的控制方法，主要步骤为：首先，判断当前时刻船舶主柴油机的排烟量Q_t与船舶主柴油机最大排烟量Q_max的关系；当Q_t≥20％Q_max，则船舶动力控制系统启动发电系统；其次，根据船舶所需的发电量A，发电系统采用不同工作模式进行发电。本发明的方法对实际发电量需求的判断，使得汽轮机和动力涡轮在不同工况范围下的单独或耦合运行，扩大了主柴油机的余热回收范围，提高了余热回收量，耦合发电装置通过联合控制，实现主次分明，相比两个机组控制系统的简单叠加实现了逻辑耦合和系统简化，保证了耦合机组对主柴油机宽工况范围的适用性。

Description

一种船舶主柴油机余热组合发电系统的控制方法

技术领域

本发明属于船舶柴油机余热回收再利用领域，涉及到一种船舶主柴油机余热组合发电系统的控制方法。

背景技术

目前在大型船舶领域，主柴油机的使用效率已接近极限，要进一步提高船舶的能源利用效率，单从主柴油机本身出发几乎没有提升空间。主柴油机自身热损失中，主要包括缸套冷却水热量、空冷器带走的热量以及柴油机排烟带走的热量。

目前的船舶上会对柴油机排出烟气进行回收利用，并用其进行发电，现有利用烟气再回收发电方式大多采用以下两种形式：

一种是：船舶排放的高温烟气直接输送至动力涡轮从而带动发电机进行发电，但是采用动力涡轮的这种方式，船舶排放的高温烟气温度高达400℃，动力涡轮排放出外部环境的烟气温度为300℃左右，这样会导致300℃左右的中温烟气无法合理利用，并且烟气温度过高会导致对外部环境温度的影响。

另一种是：船舶柴油机的高温烟气排放后，首先进入余热锅炉进行换热，换热后的蒸汽进入汽轮机，汽轮机带动发电机进行发电，但是采用汽轮机的这种方式，船舶排放的高温烟气温度高达400℃，而通过换热后获得的蒸汽温度大为降低，约200℃左右，导致烟气的高温部分无法有效利用，因此其做功能力大大降低，，从而导致烟气的利用率较低。

基于上述两种方式的不足，目前还有文献提出一种新型的发电系统，该发电系统同时利用动力涡轮、汽轮机以及双轴发电机进行组合发电，动力涡轮利用柴油机排放的高温烟气进行发电，汽轮机利用烟气换热后的水蒸汽进行发电；相比上述两种方式这种组合式的发电系统对烟气的利用率有明显提升，但是文献中仅仅提到了这种组合发电方式的结构形式，如何有效对组合发电方式进行控制，成为目前急需解决的一个技术问题。

发明内容

为了解决背景技术中指出的无法对组合式发电系统进行有效控制的问题，本发明提供了一种船舶主柴油机余热组合发电系统的控制方法。

本发明的技术解决方案是：

提供了一种船舶主柴油机余热组合发电系统的控制方法，所述船舶主柴油机余热组合发电系统包括动力涡轮、双轴发电机以及汽轮机；具体执行步骤如下：

步骤1：船舶动力控制系统启动，发电系统不运行；

步骤2：判断当前时刻船舶主柴油机的排烟量Q_t与船舶主柴油机最大排烟量Q_max的关系；

若Q_t＜20％Q_max，则船舶动力控制系统不启动发电系统；

若Q_t≥20％Q_max，则船舶动力控制系统启动发电系统，开始执行步骤3；

步骤3：根据船舶所需的发电量A，确定发电系统的工作模式；

当船舶所需的用电量A小于等于汽轮机单独运行的发电量A_汽时，船舶动力控制系统控制发电系统以工作模式一运行：该模式下船舶动力控制系统直接启动汽轮机单独运行，从而带动双轴发电机对外发电；

当船舶所需的用电量A大于汽轮机单独运行的发电量A_汽，且小于等于动力涡轮单独运行的发电量A_涡时，船舶动力控制系统控制发电系统以工作模式二运行：该模式下船舶动力控制系统直接启动动力涡轮单独运行，从而带动双轴发电机对外发电；

当船舶所需的发电量大于动力涡轮单独运行的发电量A_涡时，船舶动力控制系统控制发电系统以工作模式三运行：

该模式下船舶动力控制系统先启动汽轮机开始运行，汽轮机带动双轴发动机向外发电，之后船舶主柴油机的排烟量Q_t满足Q_t≥50％Q_max时，船舶动力控制系统再启动动力涡轮开始运行，从而汽轮机和动力涡轮共同带动双轴发电机对外发电。

进一步地，上述船舶动力控制系统还具有模式切换功能；

发电系统运行过程中，当检测到船舶所需的发电量变化时，船舶动力控制系统根据模式切换功能控制发电系统切换至当前船舶所需的发电量适宜的工作模式。

进一步地，上述工作模式一的具体过程是：船舶主柴油机排放的烟气通过第一烟气管道直接进入余热锅炉换热生成水蒸汽，驱动汽轮机运行从而带动双轴发电机运行，实现对外发电。

进一步地，上述工作模式二的具体过程是：船舶主柴油机排放的烟气通过第二烟气管道直接进入动力涡轮，驱动动力涡轮运行从而带动双轴发电机运行，实现对外发电。

进一步地，上述工作模式三的具体运行过程是：

船舶主柴油机排放的烟气先通过第一烟气管道进入余热锅炉换热生成水蒸汽，从而驱动汽轮机运行从而带动双轴发电机运行，实现对外发电，当船舶主柴油机的排烟量Q_t满足Q_t≥50％Q_max时，第一烟气管道关闭，船舶主柴油机排放的烟气通过第二烟气管道直接进入动力涡轮，动力涡轮开始运行，动力涡轮排放的烟气进入余热锅炉换热后产生水蒸汽作为汽轮机的持续动力，从而实现汽轮机和动力涡轮共同带动双轴发电机对外发电。

进一步地，上述汽轮机的水蒸汽入口处以及动力涡轮的烟气入口处均设有流量精密调节阀。

进一步地，上述船舶动力控制系统还具有单向连锁保护程序；连锁保护程序具体为：

发电系统以工作模式三运行时，当动力涡轮出现故障时，其单独的保护装置发挥作用，动力涡轮退出运行，此时不触发连锁保护程序，汽轮机正常运行；

当汽轮机出现故障时，其单独保护装置发挥作用，汽轮机退出运行，同时触发连锁保护程序，动力涡轮也退出运行。

本发明的有益效果在于：

1、本发明通过对实际发电量需求的判断，使得汽轮机和动力涡轮在不同工况范围下的单独或耦合运行，扩大了主柴油机的余热回收范围，提高了余热回收量，耦合发电装置通过联合控制，实现主次分明，相比两个机组控制系统的简单叠加实现了逻辑耦合和系统简化，保证了耦合机组对主柴油机宽工况范围的适用性。

2、本发明的船舶动力控制系统还具有单向连锁保护程序，具体而言就是汽轮机所有保护动作都会耦合到动力涡轮上，触发连锁保护，而动力涡轮的保护动作不会影响汽轮机。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

本发明中所提出的船舶主柴油机余热组合发电系统包括动力涡轮、双轴发电机以及汽轮机，具体来说，汽轮机是采用余热锅炉产生的低压蒸汽膨胀发电，转速在6000～9000rpm；动力涡轮则是采用柴油机旁通的高温高压烟气膨胀发电，转速在20000～24000rpm；汽轮机在主柴油机最大排烟量的20％～100％工况范围内投入运行，而动力涡轮则是在主柴油机最大排烟量的50％～100％工况范围内运行；

双轴发电机采用同步电机或异步均可，当发电机为同步机时，由汽轮机或动力涡轮带动其至额定转速后并网发电。

当发电机为异步机时，发电机启动时作为电动机，带动汽轮机、动力涡轮，当汽轮机、动力涡轮到达额定转速后，电动机转化为发电机模式，实现并网发电。

发电系统控制方法对外需要配合船舶主柴油机运行工况和船舶用电量，对内需要协调汽轮机和动力涡轮的载荷分配，其根本逻辑包括两点：“汽轮机早到晚退，烟气透平迟到早退”；“烟气透平跟随主柴油机负荷、应发尽发，汽轮机跟随船舶电网负荷、稳定转速”。

具体的控制流程如图1所示：

步骤1：船舶动力控制系统启动，发电系统不运行；

步骤2：判断当前时刻船舶主柴油机的排烟量Q_t与船舶主柴油机最大排烟量Q_max的关系；

若Q_t＜20％Q_max，则船舶动力控制系统不启动发电系统；

若Q_t≥20％Q_max，则船舶动力控制系统启动发电系统，开始执行步骤3；

步骤3：根据船舶所需的发电量A，确定发电系统的工作模式；

当船舶所需的用电量A小于等于汽轮机单独运行的发电量A_汽时，船舶动力控制系统控制发电系统以工作模式一运行：该模式下船舶动力控制系统直接启动汽轮机单独运行，从而带动双轴发电机对外发电；具体而言：船舶主柴油机排放的烟气通过主烟气管道直接进入余热锅炉换热生成水蒸汽，驱动汽轮机运行从而带动双轴发电机运行，实现对外发电；再此过程中发电量由汽轮机的蒸汽入口设置的流量精密调节阀进行调节控制；

当船舶所需的用电量A大于汽轮机单独运行的发电量A_汽，且小于等于动力涡轮单独运行的发电量A_涡时，船舶动力控制系统控制发电系统以工作模式二运行：该模式下船舶动力控制系统直接启动动力涡轮单独运行，从而带动双轴发电机对外发电；

具体而言：该模式下船舶主柴油机排放的烟气通过辅助烟气管道直接进入动力涡轮，驱动动力涡轮运行从而带动双轴发电机运行，实现对外发电；再此过程中发电量由动力涡轮的烟气入口设置的流量精密调节阀进行调节控制；

当船舶所需的发电量大于动力涡轮单独运行的发电量A_涡时，船舶动力控制系统控制发电系统以工作模式三运行：该模式下船舶动力控制系统先启动汽轮机开始运行，汽轮机带动双轴发动机向外发电，之后船舶主柴油机的排烟量Q_t满足Q_t≥50％Q_max时，船舶动力控制系统再启动动力涡轮开始运行，从而汽轮机和动力涡轮共同带动双轴发电机对外发电；

具体而言：该模式下船舶主柴油机排放的烟气先通过第一烟气管道进入余热锅炉换热生成水蒸汽，从而驱动汽轮机运行从而带动双轴发电机运行，实现对外发电，当船舶主柴油机的排烟量Q_t满足Q_t≥ 50％Q_max时，第一烟气管道关闭，船舶主柴油机排放的烟气通过第二烟气管道直接进入动力涡轮，动力涡轮开始运行，动力涡轮排放的烟气进入余热锅炉换热后产生水蒸汽作为汽轮机的持续动力，从而实现汽轮机和动力涡轮共同带动双轴发电机对外发电；再此过程中发电量可采用汽轮机的蒸汽入口设置的流量精密调节阀进行调节控制，或者采用动力涡轮的烟气入口设置的流量精密调节阀进行调节控制；

另外，发电系统的汽轮机和动力涡轮除了具有自升保护机制外，本发明的船舶动力控制系统还提供有单向连锁保护程序，发电系统以工作模式三运行时，当动力涡轮出现故障时，其单独的保护装置发挥作用，动力涡轮退出运行，此时不触发连锁保护程序，汽轮机正常运行；当汽轮机出现故障时，其单独保护装置发挥作用，汽轮机退出运行，同时触发连锁保护程序，动力涡轮也退出运行。

Claims (7)

1.一种船舶主柴油机余热组合发电系统的控制方法，所述船舶主柴油机余热组合发电系统包括动力涡轮、双轴发电机以及汽轮机；其特征在于，具体执行步骤如下：

步骤1：船舶动力控制系统启动，发电系统不运行；

步骤2：判断当前时刻船舶主柴油机的排烟量Q_t与船舶主柴油机最大排烟量Q_max的关系；

若Q_t＜20％Q_max，则船舶动力控制系统不启动发电系统；

若Q_t≥20％Q_max，则船舶动力控制系统启动发电系统，开始执行步骤3；

步骤3：根据船舶所需的发电量A，确定发电系统的工作模式；

当船舶所需的用电量A小于等于汽轮机单独运行的发电量A_汽时，船舶动力控制系统控制发电系统以工作模式一运行：该模式下船舶动力控制系统直接启动汽轮机单独运行，从而带动双轴发电机对外发电；

当船舶所需的用电量A大于汽轮机单独运行的发电量A_汽，且小于等于动力涡轮单独运行的发电量A_涡时，船舶动力控制系统控制发电系统以工作模式二运行：该模式下船舶动力控制系统直接启动动力涡轮单独运行，从而带动双轴发电机对外发电；

当船舶所需的发电量大于动力涡轮单独运行的发电量A_涡时，船舶动力控制系统控制发电系统以工作模式三运行：

该模式下船舶动力控制系统先启动汽轮机开始运行，汽轮机带动双轴发动机向外发电，之后船舶主柴油机的排烟量Q_t满足Q_t≥50％Q_max时，船舶动力控制系统再启动动力涡轮开始运行，从而汽轮机和动力涡轮共同带动双轴发电机对外发电。

2.根据权利要求1所述的一种船舶主柴油机余热组合发电系统的控制方法，其特征在于：船舶动力控制系统还具有模式切换功能；发电系统运行过程中，当检测到船舶所需的发电量变化时，船舶动力控制系统根据模式切换功能控制发电系统切换至当前船舶所需的发电量适宜的工作模式。

3.根据权利要求1所述的一种船舶主柴油机余热组合发电系统的控制方法，其特征在于：所述工作模式一的具体过程是：船舶主柴油机排放的烟气通过第一烟气管道直接进入余热锅炉换热生成水蒸汽，驱动汽轮机运行从而带动双轴发电机运行，实现对外发电。

4.根据权利要求1所述的一种船舶主柴油机余热组合发电系统的控制方法，其特征在于：所述工作模式二的具体过程是：船舶主柴油机排放的烟气通过第二烟气管道直接进入动力涡轮，驱动动力涡轮运行从而带动双轴发电机运行，实现对外发电。

5.根据权利要求1所述的一种船舶主柴油机余热组合发电系统的控制方法，其特征在于：所述工作模式三的具体运行过程是：

船舶主柴油机排放的烟气先通过第一烟气管道进入余热锅炉换热生成水蒸汽，从而驱动汽轮机运行从而带动双轴发电机运行，实现对外发电，当船舶主柴油机的排烟量Q_t满足Q_t≥50％Q_max时，第一烟气管道关闭，船舶主柴油机排放的烟气通过第二烟气管道直接进入动力涡轮，动力涡轮开始运行，动力涡轮排放的烟气进入余热锅炉换热后产生水蒸汽作为汽轮机的持续动力，从而实现汽轮机和动力涡轮共同带动双轴发电机对外发电。

6.根据权利要求1所述的一种船舶主柴油机余热组合发电系统的控制方法，其特征在于：汽轮机的水蒸汽入口处以及动力涡轮的烟气入口处均设有流量精密调节阀。

7.根据权利要求1所述的一种船舶主柴油机余热组合发电系统的控制方法，其特征在于：所述船舶动力控制系统还具有单向连锁保护程序；连锁保护程序具体为：

发电系统以工作模式三运行时，当动力涡轮出现故障时，其单独的保护装置发挥作用，动力涡轮退出运行，此时不触发连锁保护程序，汽轮机正常运行；

当汽轮机出现故障时，其单独保护装置发挥作用，汽轮机退出运行，同时触发连锁保护程序，动力涡轮也退出运行。

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