CN113639204B - 一种lng燃料船的恒温供气pid控制方法 - Google Patents

一种lng燃料船的恒温供气pid控制方法 Download PDF

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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公式计算出传输泵的动态输出频率值，控制器通过控制变频器控制传输泵的动作；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

一种LNG燃料船的恒温供气PID控制方法
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。
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；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公式计算出传输泵的动态输出频率值，通过动态输出频率值对传输泵进行控制；
所述变体PID公式为：
U(k)＝U(k-1)+UΔ；
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，UΔ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，所述
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UΔ＞0，则设置UΔ＝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UΔ＜0，则设置UΔ＝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)+UΔ
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；
UΔ：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UΔ＞0，则设置UΔ＝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UΔ＜0，则设置UΔ＝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)+UΔ＝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UΔ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 (4)

1.一种LNG燃料船的恒温供气PID控制方法，其特征在于：该方法包括一种LNG燃料船的恒温供气PID控制系统，其包括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；
该方法的具体步骤为：
步骤一：对热交换介质进行流量监控；
步骤二：通过变体PID公式计算出传输泵的动态输出频率值，通过动态输出频率值对传输泵进行控制；
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；
所述
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；s=取整(滞后时间/采样时间)-1。
2.根据权利要求1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)>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；：为安全范围下的最高流量；：为安全范围下的最低流 量；L(k): 为本次测量流量。
3.根据权利要求2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) <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。
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：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。
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