CN113639204A - 一种lng燃料船的恒温供气pid控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LNG燃料船的恒温供气PID控制系统及方法,包括LNG进气管线、发动机、第一热交换器、第二热交换器、流量计和传输泵;所述LNG进气管线经过第一热交换器后与发动机的进气口连接,所述发动机的上设置有冷却水循环系统,所述冷却水循环系统两端分别与第二热交换器连接,所述第一热交换器和第二热交换器通过循环管线连通,所述流量计和传输泵设置在循环管线上;具体步骤为:步骤一:并对热交换介质进行流量监控;步骤二:通过变体PID公式计算出介质泵的动态输出频率值,控制器通过控制变频器控制介质泵的动作;本方案开创性的将PID算法应用到对于LNG船舶供给电机功率调节领域中,并保证最终进入船舶电机的LNG温度能够相对恒定。
Description
技术领域
本发明涉及LNG船舶供给领域,特别是涉及一种LNG燃料船的恒温供气PID控制方法及系统。
背景技术
在LNG燃料船中,LNG通过吸热气化,从-162℃的液态气化成气态的天然气,然后为发动机供气(发动机的供气温度一般要求在10-40℃之间)。在气化过程中需要吸收热量,然而发动机运行产生的热量是一个很好的选择,这样及帮助了发动散热又解决了LNG气化吸热的问题。
在目前方法中,根据发动机用气需求,再经过详细的计算,选择合适的汽化器(换热器),来保证气化能力的要求。但在保证发动机供气温度要求方面表现不理想。
经过计算,在正常供气时,一般能保证10-40℃的供气温度要求,但温度波动幅度较大,不能稳定在某一温度附近。而且在供气过程中,各种状态可能会发生一些恶性的变化,如:发动机的运行速度会改变发热量;用气量大小变化又会改变气化速度,从而对吸热量产生变化,当变化过大时,供气温度就会发生剧烈波动,严重时会超出上下界限造成发动机停车。并且较大变化的供气温度会对发动机的寿命产生影响。
发明内容
针对上述问题,本方案提出了一种LNG燃料船的恒温供气PID控制方法及系统;解决了现有技术中发动机运行速度变化时,供气温度容易发生较大幅度波动,较大变化的供气温度会对发动机的寿命产生影响。
本方案是这样进行实现的:
一种LNG燃料船的恒温供气PID控制系统,包括LNG进气管线、发动机、第一热交换器、第二热交换器、流量计和传输泵;所述LNG进气管线经过第一热交换器后与发动机的进气口连接,所述发动机的上设置有冷却水循环系统,所述冷却水循环系统两端分别与第二热交换器连接,所述第一热交换器和第二热交换器通过循环管线连通,所述流量计和传输泵设置在循环管线上。
本方案还提供一种LNG燃料船的恒温供气PID控制方法,具体步骤为:
步骤一:对热交换介质进行流量监控;
步骤二:通过变体PID公式计算出介质泵的动态输出频率值,通过动态输出频率值对介质泵进行控制;
所述变体PID公式为:
U(k)=U(k-1)+U△;
式中:U(k)为计算后的本次电机频率,U(k-1)为上次的电机频率,U△为本次变化的电机频率。
基于上述LNG燃料船的恒温供气PID控制方法,
式中:
K:为本次动作,K-1:为上一次动作,T(k):为设定温度和本次测量温度之差;s:为滞后系数,Kp:为比例系数;Ki:为积分系数;Kd:为微分系数;P:为频率转换系数;L(k):为本次测量流量;Lhigh:为安全范围下的最高流量;Llow:为安全范围下的最低流量。
基于上述LNG燃料船的恒温供气PID控制方法,计算后当L(k)>Lhigh时,如果U△>0,则设置U△=0,记录T(k-s)=0;即,当本次的流量测量的流量大于安全范围下的最高流量,并且计算后,算出本次变化的电机频率大于零,则控制器自动设置本次变化的电机频率为零,且控制器设置式子中T(k-s)=0,最终使计算后的本次电机频率与上一次电机频率相同。
基于上述LNG燃料船的恒温供气PID控制方法,当L(k)<Llow时,如果U△<0,则设置U△=0,记录T(k-s)=0,即当本次的流量测量的流量小于安全范围下的最低流量,并且计算后,算出本次变化的电机频率小于零,则控制器自动设置本次变化的电机频率为零,且控制器设置式子中T(k-s)=0,最终使计算后的本次电机频率与上一次电机频率相同。
基于上述LNG燃料船的恒温供气PID控制方法,当U(k)>最大频率时,则设置U(k)=最大频率,记录T(k-s)=0,即,当计算后发现本次电机频率已经大于电机的最大频率,则将本次电机频率设置为电机的最大频率,保证电机的安全;当U(k)<最小频率时,则设置U(k)=最小频率,记录T(k-s)=0,即,当计算后发现本次电机频率已经小于电机的最小频率。
基于上述LNG燃料船的恒温供气PID控制方法,s:为滞后系数,s=取整(滞后时间/采样时间)-1。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1、本方案开创性的将PID算法应用到对于LNG船舶供给电机功率调节领域中,并且对PID算法加以改进,最终使PID算法能够高效的适应于船舶电机、LNG热交换、气化的循环之间的热交换关系中,并且保证最终进入船舶电机的天然气温度能够进相对恒定。
2、本算法中设置有滞后系数s,在针对因固有特性引起的相对固定的延迟现象时,本变体算法相对一般PID算法而言,能有效降低因延迟因素造成的控制结果波动现象,改善控制效果,使被控物更加稳定的达到设置值;
简而言之,由于在控制过程中存在“多阶滞后”即,在控制过程,发动机传热到换热介质会需要时间,会有滞后,并且换热介质将热量传递给液态LNG气化需要时间,同样也会有滞后,控制过程中也同样会滞后,多重因素导致会存在滞后时间;
有滞后时间时会造成控制的结果上下波动,如设定的发动机进气温度为30℃,那么实际进入到发动机气体LNG的温度会一直在30℃附近来回跳,而本算法中根据采样时间和滞后时间换算出滞后系数s,改进后算法由于滞后系数s的加入,可以极大降低这种跳动的幅度,使电机的频率更加精准,并且对应所需的传热效率同步而言更加精准。
附图说明
图1是发明系统的结构示意图;
图2是介质流量和热交换量关系曲线图;
图3是实施例5中进入发动机中天然气的实测温度和采样次数的坐标图;
图中:1、LNG进气管线;2、发动机;3、第一热交换器;4、第二热交换器;5、流量计;6、传输泵。
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。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,在本发明的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
实施例1
请参阅图1,本发明提供一种技术方案:
一种LNG燃料船的恒温供气PID控制系统,包括LNG进气管线1、发动机2、第一热交换器3、第二热交换器4、流量计5和传输泵6;所述LNG进气管线1经过第一热交换器3后与发动机2的进气口连接,所述发动机2的上设置有冷却水循环系统,所述冷却水循环系统两端分别与第二热交换器4连接,所述第一热交换器3和第二热交换器4通过循环管线连通,所述流量计5和传输泵6设置在循环管线上;
基于上述结构,低温状态下的液态LNG在经过第一热交换器3时进行气化,并升温到预设温度附近,然后进入到发动机2中,对发动机2进行供能;发动机2的冷却水循环系统将发动机2耗能时产生的热量带走,然后通过第二热交换器4,将热量传递给循环管线中的热交换介质中,最终由传输泵6将高温状态的热交换介质由第二热交换器4向第一热交换器3传输,第一热交换器3将高温状态下的热交换介质传递给低温液态LNG,形成热量传输循环;
所述传输泵6用于改变循环管路中的流速,由于传输泵6是将高温状态下的热交换介质传递由第二热交换器4传递给第一热交换器3中,即改变传输泵6的转速,改变其传输功率,即可改变整体的传热速率;所述流量计5用于检测循环管路中的流量大小。
本实施例中还设置有控制器对各个器件和管路进行控制。
实施例2
本实施例提供一种LNG燃料船的恒温供气PID控制方法;由实施例1可以知晓,想要保证输入发动机2内的LNG温度相对稳定,需要对传输泵6的转速进行动态且精准调节,才能保证最终进入到发动机2内部的气体LNG温度相对温度在预设值中,保护了发动机2的安全。
根据流速和热交换量之间存在的非线性的正相关关系(见:介质流量和热交换量关系曲线图,图2),通过改变热交换介质的流速,来改变热交换量,从而到达改变供气温度的作用。并且流速不能过低或者过高,过低时,介质有被LNG冻结的风险,过高时,热交换改变率低,且介质管路阻力加大,泵的负担会增长。
本方法具体为:
步骤一:在控制器中预设指定参数值,并对热交换介质进行流量监控;
步骤二:通过变体PID公式计算出传输泵6的动态输出频率值,控制器通过控制变频器控制传输泵6的动作;
所述变体PID公式为:
U(k)=U(k-1)+U△
式中:
K:为本次动作
K-1:为上一次动作
U(k):为计算后的本次电机频率;
U(k-1):为上次的电机频率;
U△:为本次变化的电机频率;
T(k):为设定温度和本次测量温度之差;
s:为滞后系数,s=取整(滞后时间/采样时间)-1;
如:滞后时间15s,采样时间4s,则s=2;
Kp:为比例系数;
Ki:为积分系数;
Kd:为微分系数;
P:为频率转换系数;
L(k):为本次测量流量;
Lhigh:为安全范围下的最高流量;
Llow:为安全范围下的最低流量;
PID参数中的比例系数、积分系数、微分系数根据热交换器的实际性能特点调整设置。
其中,计算后:
当L(k)>Lhigh时,如果U△>0,则设置U△=0,记录T(k-s)=0。
即,当本次的流量测量的流量大于安全范围下的最高流量,并且计算后,算出本次变化的电机频率大于零,则控制器自动设置本次变化的电机频率为零,且控制器设置式子中T(k-s)=0,最终使计算后的本次电机频率与上一次电机频率相同,防止热交换介质流速过高;过高时,热交换改变率低,且介质管路阻力加大,泵的负担会增长。
当L(k)<Llow时,如果U△<0,则设置U△=0,记录T(k-s)=0。
即当本次的流量测量的流量小于安全范围下的最低流量,并且计算后,算出本次变化的电机频率小于零,则控制器自动设置本次变化的电机频率为零,且控制器设置式子中T(k-s)=0,最终使计算后的本次电机频率与上一次电机频率相同,防止热交换介质流速过低;过低时,介质有被LNG冻结的风险;
当U(k)>最大频率时,则设置U(k)=最大频率,记录T(k-s)=0。
即,当计算后发现本次电机频率已经大于电机的最大频率,则将本次电机频率设置为电机的最大频率,保证电机的安全。
当U(k)<最小频率时,则设置U(k)=最小频率,记录T(k-s)=0
即,当计算后发现本次电机频率已经小于电机的最小频率,则将本次电机频率设置为电机的最小频率,保证电机的使用安全。
本方案开创性的将PID算法应用到对于LNG船舶供给电机功率调节领域中,并且对PID算法加以改进,最终使PID算法能够高效的适应于船舶电机、LNG热交换、气化的循环之间的热交换,并且保证最终进入船舶电机的LNG温度能够进相对恒定。
本算法中设置有滞后系数s,在针对因固有特性引起的相对固定的延迟现象时,本变体算法相对一般PID算法而言,能有效降低因延迟因素造成的控制结果波动现象,改善控制效果,使被控物更加稳定的达到设置值;
简而言之,由于在控制过程中存在“多阶滞后”即,在控制过程,发动机2传热到换热介质会需要时间,会有滞后,并且换热介质将热量传递给液态LNG气化需要时间,同样也会有滞后,控制过程中也同样会滞后,多重因素导致会存在滞后时间;
有滞后时间时会造成控制的结果上下波动,如设定的发动机2进气温度为30℃,那么实际进入到发动机2气体LNG的温度会一直在30℃附近来回跳,而本算法中根据采样时间和滞后时间换算出滞后系数s,改进后算法由于滞后系数s的加入,可以极大降低这种跳动的幅度,使电机的频率更加精准,并且对应所需的传热效率同步而言更加精准。
实施例3
本实施例基于实施例2的算法和步骤,进行了具体的计算,其具体结果如下:
目标温度:30℃
性能参数:滞后时间10s(该时间是由设备本身的性能决定的)
采样时间:5s
参数设置:Kp=0.2,Ki=0.01,Kd=0.05,P=2,s=1,Lhigh:16m3/h,Llow:3m3/h
第25次计算过程如下:
T(k-s)=T(k-1)=3.9,
T(k-s-1)=T(k-2)=6.3,
输出电机频率U(k)=U(k-1)+U△=36+4=40
通过上述数据可以知晓,通过本公司可以精准计算出下一次电机的动作频率,每个5s进采样,可以发现在进入发动机的气体LNG温度在30℃附近小幅度波动,即,前期温度逐步向30℃靠近,到达30℃后,通过算法计算,使温度在30℃附近小幅度波动。
实施例4
本实施例基于实施例2的算法和步骤,进行了具体的计算(涉及超过最大流量的情况),其具体结果如下:
目标温度:30℃
性能参数:滞后时间10s
采样时间:5s
参数设置:Kp=0.2,Ki=0.01,Kd=0.05,P=2,s=1,Lhigh:16m3/h,Llow:3m3/h
第59次计算过程如下:
因测得流量大于设置的最高流量,计算得到的U△大于0,所以记录这次的温度差为0,累计的误差和不变(不对总体的累计误差和产生影响),输出的频率和上次保持不变,即第59次计算值为81Hz与第58次相同。
实施例5
本实施例基于实施例2的算法和步骤,进行了具体的计算100次采样,其具体结果如下:
目标温度:30℃
性能参数:滞后时间10s
采样时间:5s
参数设置:Kp=0.2,Ki=0.01,Kd=0.02,P=2,s=1,Lhigh:16m3/h,Llow:3m3/h
具体细节下表:
并且其具体的实时测量计入发动机温度测量图见图3;
由图3和上表可知,通过本公式所计算的电机功率最终从效果上来看,输入进发动的气态天然气温度始终在30℃附近小幅度波动,使电机的频率更加精准,并且对应所需的传热效率同步而言更加精准,对发动机的损伤更小。
以上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 (7)
1.一种LNG燃料船的恒温供气PID控制系统,其特征在于:包括LNG进气管线、发动机、第一热交换器、第二热交换器、流量计和传输泵;所述LNG进气管线经过第一热交换器后与发动机的进气口连接,所述发动机的上设置有冷却水循环系统,所述冷却水循环系统两端分别与第二热交换器连接,所述第一热交换器和第二热交换器通过循环管线连通,所述流量计和传输泵设置在循环管线上。
2.一种LNG燃料船的恒温供气PID控制方法,其特征在于:具体步骤为:
步骤一:对热交换介质进行流量监控;
步骤二:通过变体PID公式计算出介质泵的动态输出频率值,通过动态输出频率值对介质泵的进行控制;
所述变体PID公式为:
U(k)=U(k-1)+U△;
式中:U(k)为计算后的本次电机频率,U(k-1)为上次的电机频率,U△为本次变化的电机频率。
4.根据权利要求3所述的一种LNG燃料船的恒温供气PID控制方法,其特征在于:计算后当L(k)>Lhigh时,如果U△>0,则设置U△=0,记录T(k-s)=0;即,当本次的流量测量的流量大于安全范围下的最高流量,并且计算后,算出本次变化的电机频率大于零,则控制器自动设置本次变化的电机频率为零,且控制器设置式子中T(k-s)=0,最终使计算后的本次电机频率与上一次电机频率相同。
5.根据权利要求3所述的一种LNG燃料船的恒温供气PID控制方法,其特征在于:当L(k)<Llow时,如果U△<0,则设置U△=0,记录T(k-s)=0,即当本次的流量测量的流量小于安全范围下的最低流量,并且计算后,算出本次变化的电机频率小于零,则控制器自动设置本次变化的电机频率为零,且控制器设置式子中T(k-s)=0,最终使计算后的本次电机频率与上一次电机频率相同。
6.根据权利要求3所述的一种LNG燃料船的恒温供气PID控制方法,其特征在于:当U(k)>最大频率时,则设置U(k)=最大频率,记录T(k-s)=0,即,当计算后发现本次电机频率已经大于电机的最大频率,则将本次电机频率设置为电机的最大频率,保证电机的安全;当U(k)<最小频率时,则设置U(k)=最小频率,记录T(k-s)=0,即,当计算后发现本次电机频率已经小于电机的最小频率。
7.根据权利要求2~6任一所述的一种LNG燃料船的恒温供气PID控制方法,其特征在于:s:为滞后系数,s=取整(滞后时间/采样时间)-1。
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