船舶冷熱電聯(lián)供控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門361021）

船舶電力系統(tǒng)在船舶上具有極為重要的地位，電力系統(tǒng)供電的連續(xù)性、可靠性和品質(zhì)將直接影響船舶的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)和生命力[1]。目前船舶的電力系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在著較大的資源浪費(fèi)，而采用冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)能夠較為滿意的解決該問(wèn)題。典型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)如圖1所示。現(xiàn)代化的船舶供電系統(tǒng)可以利用液體或氣體燃料的內(nèi)燃機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)和各種工程用的燃料電池發(fā)電，并利用余熱分別或同時(shí)供熱、制冷的系統(tǒng)即冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)[2-3]，其中控制系統(tǒng)是保證整個(gè)設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵。優(yōu)良的控制系統(tǒng)不僅能夠保證系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)作，同時(shí)能夠大大提高系統(tǒng)的工作效率，提高系統(tǒng)的總能利用系數(shù)。因此，對(duì)于控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)是十分必要的。下面，筆者針對(duì)船舶冷熱電聯(lián)供控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)并對(duì)其進(jìn)行建模和仿真。

圖1 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 系統(tǒng)架構(gòu)

為保證船舶冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，使用業(yè)內(nèi)最為通用的可編程邏輯控制器（Programming Logic Controller，PLC）控制技術(shù)，為了對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，引入工控機(jī)作為上位機(jī)。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 自動(dòng)控制

自動(dòng)控制運(yùn)行狀態(tài)是控制系統(tǒng)主要的運(yùn)行狀態(tài)，其性能好壞將直接影響系統(tǒng)的工作性能。其工作流程分為啟動(dòng)狀態(tài)、實(shí)時(shí)監(jiān)控功能、正常停機(jī)狀態(tài)和緊急停機(jī)方式(安全故障控制模式），系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)能夠根據(jù)使用者的需求自動(dòng)切換到所需要的冷熱狀態(tài)，以便于快捷使用。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)外界輸入?yún)?shù)進(jìn)行各項(xiàng)資源調(diào)配完成既定功能，不需要用戶進(jìn)行過(guò)多干預(yù)。

2．2 安全保護(hù)

安全保護(hù)是保證用戶使用的前提，只有完善的安全機(jī)制才能讓客戶用的放心。系統(tǒng)設(shè)置了自動(dòng)預(yù)警和自動(dòng)處理等模式，保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠安全。首先，設(shè)備在自動(dòng)預(yù)警模式下通過(guò)IPC將各個(gè)部分傳感器(微燃機(jī)控制器、冷熱傳感器以及其他外部監(jiān)控系統(tǒng)）的運(yùn)行參數(shù)(溫度、壓力等）進(jìn)行匯總并判斷各部分運(yùn)行狀態(tài)，這些狀態(tài)信息會(huì)反饋給各部分進(jìn)行對(duì)比，以便能夠確定各個(gè)部分工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)問(wèn)題的設(shè)備。對(duì)于獲得的故障信號(hào)，IPC能夠進(jìn)行調(diào)整和處理，是否需要屏蔽或中斷該部分功能可以通過(guò)預(yù)先設(shè)置，保證用戶的安全可靠。對(duì)于無(wú)法處理的故障，系統(tǒng)將會(huì)停機(jī)等待工作人員對(duì)其進(jìn)行處理。其次，在底層設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮互鎖裝置保障設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的安全，通過(guò)設(shè)計(jì)PLC流程程序來(lái)保證所有的過(guò)程聯(lián)鎖。例如要打開(kāi)微燃機(jī)則需要保證制冷機(jī)和煙氣入口閥處于關(guān)閉狀態(tài)；同樣要開(kāi)啟冷卻水泵則要求制熱系統(tǒng)處于封閉狀態(tài)，形成制冷和供熱的互鎖，通過(guò)底層軟件設(shè)計(jì)機(jī)制來(lái)避免人為操作的失誤。

2．3 底層PLC控制軟件設(shè)計(jì)

PLC具有抗干擾能力強(qiáng)、操作方便、體積小、能耗低和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。為了提高系統(tǒng)性能，依據(jù)PLC程序按模塊化設(shè)計(jì)分為主程序和子程序來(lái)進(jìn)行控制。圖3所示為PLC程序流程圖。對(duì)于主程序控制某項(xiàng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，確定參考的基點(diǎn)，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中將實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)參數(shù)與參考基點(diǎn)對(duì)比，如果滿足要求繼續(xù)運(yùn)行，進(jìn)入子程序(如冷、熱供應(yīng)）的狀態(tài)，否則結(jié)束該流程，進(jìn)入故障處理或緊急停機(jī)處理狀態(tài)。

圖3 PLC程序流程圖

3 系統(tǒng)建模及性能測(cè)試

3．1 系統(tǒng)建模

因?yàn)樵O(shè)備在實(shí)際運(yùn)行時(shí)所有流體都在金屬導(dǎo)管中流動(dòng)，金屬管壁與流體之間存在熱交換過(guò)程，因而對(duì)于該部分能量控制就顯得十分必要。在熱交換過(guò)程中，壁管溫度不斷隨著冷、熱流體的溫度變化而變化，根據(jù)能量守恒定理，有下述關(guān)系式成立[4]：

式中，λw為金屬導(dǎo)管壁厚；Tw、Th、Tc分別為管壁溫度、流體流入溫度和流體流出溫度；δx為流體微元體長(zhǎng)度；Sh和Sc分別為冷、熱側(cè)流體和換熱介質(zhì)的換熱總面積；Mw為管壁金屬質(zhì)量；Cw為管壁比熱系數(shù)；L為流經(jīng)管路長(zhǎng)度；αh、αc分別為對(duì)流換熱系數(shù)；Ax為有效換熱面積。整理后可得管壁能量守恒方程：

熱流體的控制方程如下：

式中，ρh為熱流體的密度；uh為熱流體流速；Ph為熱流體壓力；Ch為熱流體管壁比熱系數(shù)；A為管路截面面積；˙mh為單位時(shí)間內(nèi)流入熱流體質(zhì)量；Uh為熱流體管道界面周長(zhǎng)；σh為熱流體單位面積摩擦阻力；S為管道面積。

同理，推出冷流體的控制方程：

式中，ρc為冷流體的密度；uc為冷流體流速；Pc為冷流體壓力；Cc為冷流體管壁比熱系數(shù)；˙mc為單位時(shí)間內(nèi)流入冷流體質(zhì)量；Uc為冷流體管道界面周長(zhǎng)；σc為冷流體單位面積摩擦阻力。

由此得到換熱裝置的動(dòng)態(tài)控制方程組，即求解換熱器動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型。

3．2 仿真結(jié)果分析

對(duì)冷熱電聯(lián)供控制系統(tǒng)中的部件(如微燃機(jī)、吸收式制冷機(jī)、吸附式制冷機(jī)）、外圍設(shè)備(泵、閥、風(fēng)機(jī)）以及各類的傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)、設(shè)備安裝、系統(tǒng)調(diào)試和試運(yùn)行后，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，對(duì)其性能進(jìn)行仿真分析。

圖4所示為冷熱電聯(lián)供供熱效率和總體能量利用效率。從圖4可以看出，不同采樣點(diǎn)供熱效率平均值約為0．25，系統(tǒng)總體能量利用效率約為0．87，說(shuō)明系統(tǒng)能量利用率較高。

圖4 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)供熱效率和總體能量利用效率

4 結(jié) 語(yǔ)

在了解船舶供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)引入船舶內(nèi)部，對(duì)船舶冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的控制部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)系統(tǒng)建模并進(jìn)行仿真試驗(yàn)。結(jié)果表明，該控制部分能夠?qū)錈犭娐?lián)供系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行控制，保持系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定，最終使系統(tǒng)的能量利用率較高，能夠滿足船舶實(shí)際運(yùn)行需求。

[1]朱臣生．電站管理系統(tǒng)設(shè)計(jì) [D]．大連：大連海事大學(xué)，2006．

[2]徐建中．分布式供電和冷熱電聯(lián)產(chǎn)的前景 [J]．節(jié)能與環(huán)保，2002（3）：10-14．

[3]朱成章．從小型熱電聯(lián)產(chǎn)走向冷熱電聯(lián)產(chǎn) [J]．能源技術(shù)，2000（1）：29-30．

[4]張方偉．中冷回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)動(dòng)態(tài)仿真研究 [D]．上海：上海交通大學(xué)，2004．