CN112855318A - 一种船舶柴油机尾气余热驱动的热水系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种船舶柴油机尾气余热驱动的热水系统及其控制方法，本发明中柴油机排放的高温尾气中的热量通过翅片式换热器传递给冷却水，用户通过触摸显示器设定翅片式换热器冷却水出口温度，温度变送器将温度传感器采集到的温度模拟量转换为数字量后发送至控制器，控制器根据内置算法改变变频器的输出频率，从而改变循环水泵的转速以调节冷却水流量，使翅片式换热器冷却水出口温度稳定在用户的设定值，控制器监测温度传感器和液位计的数据，当温度和液位超出设定阈值时，向触摸显示器发出警报并作出保护动作。

Description

一种船舶柴油机尾气余热驱动的热水系统及控制方法
技术领域
本发明属于内燃机节能的技术领域，具体涉及一种船舶柴油机尾气余热驱动的热水系统及控制方法。
背景技术
船舶柴油机运转时向大气直接排放高温尾气，其中含有大量未被利用的热能，降低了能源的利用效率。
船员出海时通过热水器制备生活所需热水，需要消耗额外的能源。
船员在使用热水的过程中通过手动调节的方式无法获得适宜水温，体感欠佳。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种船舶柴油机尾气余热驱动的热水系统及控制方法。
技术方案：一种船舶柴油机尾气余热驱动的热水系统，包括柴油机、翅片式换热器、离心式风机、水箱、循环水泵、变频器、温度传感器、温度变送器、液位计、控制器和触摸显示器；
所述的翅片式换热器包括尾气进口、尾气出口、冷却水进口和冷却水出口；所述的尾气进口与尾气出口的管道连通，所述的冷却水进口与冷却水出口的管道连通；
所述的离心式风机与翅片式换热器的尾气出口的管道连通，所述的离心式风机的作用是减小柴油机排气背压；
尾气的流通路径依次经过翅片式换热器的尾气进口、翅片式换热器的尾气出口和离心式风机；
所述的循环水泵搭载三相异步电动机，支持变频，其进水口与水箱管路连接，出水口与翅片式换热器的冷却水进口管路连接；
所述的变频器负载输出端与循环水泵电连接；
所述的温度传感器设在翅片式换热器的冷却水出口，与温度变送器通讯连接；
所述的液位计设在水箱中；
冷却水流通路径依次经过水箱、循环泵、翅片式换热器的冷却水进口和冷却水出口；
所述的控制器分别与触摸显示器、温度变送器、液位计和变频器通讯连接；
所述的触摸显示器具备触摸屏和显示屏，支持触摸输入与显示输出。
一种根据所述的船舶柴油机尾气余热驱动的热水系统的热水系统控制方法，包括以下步骤：
S1：控制器初始化系统变量，指令变频器以10Hz的频率运行；
S2：控制器检测用户是否更新翅片式换热器冷却水出口设定温度Ts：若检测到更新，则以更新值覆盖原有值；
S3：控制器读取传感器的数据；
S4：控制器判断各项传感器数据是否处于安全阈值；
S5：控制器根据当前温度Tc与设定温度Ts的差值，根据内置算法计算变频器的输出频率u(k)；
S6：控制器判断变频器的计算输出频率是否位于安全区间内：若u(k)大于安全区间上限，则赋值u(k)为50Hz；若u(k)小于安全区间下限，则赋值u(k)为10Hz；
S7：控制器将输出频率u(k)发送至变频器，变频器调节循环水泵的转速，进而调节冷却水流量使水温趋近于设定值；
S8：控制器检测用户是否关闭系统：若接收到关闭系统的指令，控制器停止变频器输出；否则，执行步骤S2～S7。
进一步的：所述的步骤S3包括以下子步骤：
S31：控制器通过温度传感器读取翅片式换热器冷却水出口温度，并在触摸显示器上显示；
S32：控制器通过液体流量计读取冷却水流量，并在触摸显示器上显示；
S33：控制器通过液位计读取水箱液位息，并在触摸显示器上显示。
进一步的：所述的步骤S4包括以下子步骤：
S41：若温度超过设定阈值上限，则指令变频器以最高频率50Hz运行，保证系统安全，并向触摸显示器发送高温警报；若温度低于设定阈值下限，控制器向触摸显示器发送低温指示；
S42：若水箱液位未在设定阈值内，控制器指令变频器停止输出，并向触摸显示器发送“水箱液位异常”警示。
进一步的：所述的步骤S5包括以下子步骤：
S51：计算当前温度与设定温度的差值e(k)，其计算公式为：
e(k)＝Ts-Tc
其中，K为当前采样点；Ts为设定温度；Tc为当前温度；
S52：若|e(k)|<0.2，则保持当前频率输出u(k)不变，跳转到步骤S6，这是为了避免控制器不断调整频率输出导致温度震荡；
S53：若|e(k)|<0.5，使用改进PID算法计算频率输出值u(k)；
传统PID算法表达式如下：
Figure BDA0002990165570000041
其中：Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kp为微分系数。
改进PID算法表达式如下：
Figure BDA0002990165570000042
当误差小于0.5℃时，引入积分调节部分，消除稳态误差，提高控制精度，添加系数(|e(k)-0.5|)/0.5,抑制引入积分调节时产生的突变；
当误差大于0.5℃时，舍弃积分调节部分，避免温度误差的过度积累引起剧烈超调。
有益效果：本发明中柴油机排放的高温尾气中的热量通过翅片式换热器传递给冷却水，用户通过触摸显示器设定翅片式换热器冷却水出口温度，温度变送器将温度传感器采集到的温度模拟量转换为数字量后发送至控制器，控制器根据内置算法改变变频器的输出频率，从而改变循环水泵的转速以调节冷却水流量，使翅片式换热器冷却水出口温度稳定在用户的设定值，控制器监测温度传感器和液位计的数据，当温度和液位超出设定阈值时，向触摸显示器发出警报并作出保护动作。
附图说明
图1是本发明的控制器原理示意图；
图2是本发明的热水系统示意图；
图3是本发明的控制流程示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
一种船舶柴油机尾气余热驱动的热水系统，包括柴油机、翅片式换热器、离心式风机、水箱、循环水泵、变频器、温度传感器、温度变送器、液位计、控制器和触摸显示器。
所述的翅片式换热器包括尾气进口、尾气出口、冷却水进口和冷却水出口；所述的尾气进口与尾气出口的管道连通，所述的冷却水进口与冷却水出口的管道连通。
所述的离心式风机与翅片式换热器的尾气出口的管道连通，所述的离心式风机的作用是减小柴油机排气背压。
尾气的流通路径依次经过翅片式换热器的尾气进口、翅片式换热器的尾气出口和离心式风机。
所述的循环水泵搭载三相异步电动机，支持变频。其进水口与水箱管路连接，出水口与翅片式换热器冷却水进口管路连接。
所述的变频器负载输出端与循环水泵电连接。
所述的温度传感器设在翅片式换热器冷却水出口，与温度变送器通讯连接。
所述液位计设在水箱中。
冷却水流通路径，依次经过水箱、循环泵、翅片式换热器冷却水进口和出口。
所述控制器分别与触摸显示器、温度变送器、液位计和变频器通讯连接。
所述触摸显示器具备触摸屏和显示屏，支持触摸输入与显示输出。
本发明的系统的工作原理如下：柴油机排放的高温尾气中的热量通过翅片式换热器传递给冷却水。用户通过触摸显示器设定翅片式换热器冷却水出口温度。温度变送器将温度传感器采集到的温度模拟量转换为数字量后发送至控制器，控制器根据内置算法改变变频器的输出频率，从而改变循环水泵的转速以调节冷却水流量，使翅片式换热器冷却水出口温度稳定在用户的设定值。控制器监测温度传感器和液位计的数据，当温度和液位超出设定阈值时，向触摸显示器发出警报并作出保护动作。
基于以上系统，本发明还提出一种船舶柴油机尾气余热驱动的热水系统控制方法，包括以下步骤：
S1：控制器初始化系统变量，指令变频器以10Hz的频率运行；
S2：控制器检测用户是否更新翅片式换热器冷却水出口设定温度Ts。若检测到更新，则以更新值覆盖原有值。
S3：控制器读取传感器的数据。
步骤S3包括以下子步骤：
S31：控制器通过温度传感器读取翅片式换热器冷却水出口温度，并在触摸显示器上显示。
S32：控制器通过液体流量计读取冷却水流量，并在触摸显示器上显示。
S33：控制器通过液位计读取水箱液位息，并在触摸显示器上显示。
S4：控制器判断各项传感器数据是否处于安全阈值。
步骤S4包括以下子步骤：
S41：若温度超过设定阈值上限，则指令变频器以最高频率50Hz运行，保证系统安全，并向触摸显示器发送高温警报。若温度低于设定阈值下限，控制器向触摸显示器发送低温指示。
S42：若水箱液位未在设定阈值内，控制器指令变频器停止输出，并向触摸显示器发送“水箱液位异常”警示。
S5：控制器根据当前温度Tc与设定温度Ts的差值，根据内置算法计算变频器的输出频率u(k)。
步骤S5包括以下子步骤：
S51：计算当前温度与设定温度的差值e(k)，其计算公式为：
e(k)＝Ts-Tc
其中，K为当前采样点；Ts为设定温度；Tc为当前温度。
S52：若|e(k)|<0.2，则保持当前频率输出u(k)不变，跳转到步骤S6。这是为了避免控制器不断调整频率输出导致温度震荡。
S53：若|e(k)|<0.5，使用改进PID算法计算频率输出值u(k)。
S6：控制器判断变频器的计算输出频率是否位于安全区间内。若u(k)大于安全区间上限，则赋值u(k)为50Hz；若u(k)小于安全区间下限，则赋值u(k)为10Hz。
S7：控制器将输出频率u(k)发送至变频器，变频器调节循环水泵的转速，进而调节冷却水流量使水温趋近于设定值。
S8：控制器检测用户是否关闭系统。若接收到关闭系统的指令，控制器停止变频器输出。否则，执行步骤S2～S7。
传统的PID算法表达式如下：
Figure BDA0002990165570000071
其中：Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kp为微分系数。
本发明的改进PID算法表达式如下：
Figure BDA0002990165570000081
当误差小于0.5℃时，引入积分调节部分，消除稳态误差，提高控制精度。添加系数(|e(k)-0.5|)/0.5,抑制引入积分调节时产生的突变。
当误差大于0.5℃时，舍弃积分调节部分，避免温度误差的过度积累引起剧烈超调。

Claims (5)

1.一种船舶柴油机尾气余热驱动的热水系统，其特征在于：包括柴油机、翅片式换热器、离心式风机、水箱、循环水泵、变频器、温度传感器、温度变送器、液位计、控制器和触摸显示器；
所述的翅片式换热器包括尾气进口、尾气出口、冷却水进口和冷却水出口；所述的尾气进口与尾气出口的管道连通，所述的冷却水进口与冷却水出口的管道连通；
所述的离心式风机与翅片式换热器的尾气出口的管道连通，所述的离心式风机的作用是减小柴油机排气背压；
尾气的流通路径依次经过翅片式换热器的尾气进口、翅片式换热器的尾气出口和离心式风机；
所述的循环水泵搭载三相异步电动机，支持变频，其进水口与水箱管路连接，出水口与翅片式换热器的冷却水进口管路连接；
所述的变频器负载输出端与循环水泵电连接；
所述的温度传感器设在翅片式换热器的冷却水出口，与温度变送器通讯连接；
所述的液位计设在水箱中；
冷却水流通路径依次经过水箱、循环泵、翅片式换热器的冷却水进口和冷却水出口；
所述的控制器分别与触摸显示器、温度变送器、液位计和变频器通讯连接；
所述的触摸显示器具备触摸屏和显示屏，支持触摸输入与显示输出。
2.一种根据权利要求1所述的船舶柴油机尾气余热驱动的热水系统的热水系统控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：控制器初始化系统变量，指令变频器以10Hz的频率运行；
S2：控制器检测用户是否更新翅片式换热器冷却水出口设定温度Ts：若检测到更新，则以更新值覆盖原有值；
S3：控制器读取传感器的数据；
S4：控制器判断各项传感器数据是否处于安全阈值；
S5：控制器根据当前温度Tc与设定温度Ts的差值，根据内置算法计算变频器的输出频率u(k)；
S6：控制器判断变频器的计算输出频率是否位于安全区间内：若u(k)大于安全区间上限，则赋值u(k)为50Hz；若u(k)小于安全区间下限，则赋值u(k)为10Hz；
S7：控制器将输出频率u(k)发送至变频器，变频器调节循环水泵的转速，进而调节冷却水流量使水温趋近于设定值；
S8：控制器检测用户是否关闭系统：若接收到关闭系统的指令，控制器停止变频器输出；否则，执行步骤S2～S7。
3.根据权利要求2所述的船舶柴油机尾气余热驱动的热水系统的热水系统控制方法，其特征在于：所述的步骤S3包括以下子步骤：
S31：控制器通过温度传感器读取翅片式换热器冷却水出口温度，并在触摸显示器上显示；
S32：控制器通过液体流量计读取冷却水流量，并在触摸显示器上显示；
S33：控制器通过液位计读取水箱液位息，并在触摸显示器上显示。
4.根据权利要求2所述的船舶柴油机尾气余热驱动的热水系统的热水系统控制方法，其特征在于：所述的步骤S4包括以下子步骤：
S41：若温度超过设定阈值上限，则指令变频器以最高频率50Hz运行，保证系统安全，并向触摸显示器发送高温警报；若温度低于设定阈值下限，控制器向触摸显示器发送低温指示；
S42：若水箱液位未在设定阈值内，控制器指令变频器停止输出，并向触摸显示器发送“水箱液位异常”警示。
5.根据权利要求2所述的船舶柴油机尾气余热驱动的热水系统的热水系统控制方法，其特征在于：所述的步骤S5包括以下子步骤：
S51：计算当前温度与设定温度的差值e(k)，其计算公式为：
e(k)＝Ts-Tc
其中，K为当前采样点；Ts为设定温度；Tc为当前温度；
S52：若|e(k)|<0.2，则保持当前频率输出u(k)不变，跳转到步骤S6，这是为了避免控制器不断调整频率输出导致温度震荡；
S53：若|e(k)|<0.5，使用改进PID算法计算频率输出值u(k)；
传统PID算法表达式如下：
Figure FDA0002990165560000031
其中：Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kp为微分系数。
改进PID算法表达式如下：
Figure FDA0002990165560000032
当误差小于0.5℃时，引入积分调节部分，消除稳态误差，提高控制精度，添加系数(|e(k)-0.5|)/0.5,抑制引入积分调节时产生的突变；
当误差大于0.5℃时，舍弃积分调节部分，避免温度误差的过度积累引起剧烈超调。
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