船用燃油供給系統中粘度控制模塊的設計要點

賀敏敏

【摘要】船用燃油粘度控制模塊為燃油供給系統的核心部件。在這套系統中，最為關鍵的是對燃油粘度的控制。本文提出了供油系統的重要組成部分，分析粘度傳感器的工作原理，并以一款MAN-B&W二沖程主機為對象，根據PID控制原理對系統中的粘度控制模塊進行優(yōu)化設計，確保燃油粘度在合適的范圍。

【關鍵詞】船舶；燃油供給系統；粘度控制

引言

在大中型運輸船上，主柴油機及發(fā)電機組柴油機多使用重油（Heavy Fuel Oil）作為原料，而重油由于雜質多、粘度大，不能直接進入柴油機。而且出于成本考慮，所使用的重油品質越來越低，HFO （600cst@50deg）正逐漸替代HFO（380cst@50deg）。重油粘度高，水分雜質多，因此，需要配置一套供油系統，將重油分離、加熱，以滿足柴油機的對燃油品質的要求。重油在進入柴油機前，需通過分油機凈化去雜質，此后再加熱至符合柴油機要求的粘度。通常，主機燃油噴射粘度要求在12～14cst。不同品質的燃油粘度與溫度的關系，可見下圖1。由此可見，燃油粘度與溫度存在特定關系，可以通過調節(jié)燃油溫度，達到控制燃油粘度的目的。由于各港口油品的不同，同時在燃油加熱過程中會存在一定的波動，直接監(jiān)控溫度會使得燃油進機粘度失真，因此需要監(jiān)測進機粘度，并將結果反饋至燃油加熱調節(jié)機構。這一套粘度控制系統，也是船舶燃油供給系統的核心。

1、燃油供給系統

燃油供給系統通常為燃油日用柜至主機燃油進口的一套管路。由燃油輸送泵、自動反沖洗過濾器、混油柜、燃油循環(huán)泵、燃油加熱器及粘度控制模塊等組成。該系統主要是對日用柜中的燃油進行最終處理，以滿足主機的噴油粘度、壓力及雜質的要求?？荚撓到y對主機運行的重要性，其核心裝置均設置有備用設備。如，輸送泵、過濾器、循環(huán)泵、加熱器等均設置有一用一備。常見的燃油供給系統如圖2所示

其中A為日用柜燃油入口，在經過燃油輸送泵組后，通過自動反沖洗濾器，該濾器的需完全滿足主機對燃油雜質的要求，否則會引起噴油嘴堵塞等嚴重后果。此后燃油與主機回油在混油柜中混合沉淀后，進入循環(huán)泵加壓后進入燃油加熱器。加熱至適當的溫度后，從D出口通過管路進入主機燃油進口。

2、粘度控制及反饋

扭轉振動粘度計ViscoSense2是針對燃油粘度進行精確測量并調控的設施。它與粘度及溫度測量傳感器、傳送電纜及界面盒一同構成了粘度測量反饋系統。粘度傳感器由不銹鋼制成，探頭及流管經過特氟龍表面特殊涂層處理。傳感器探頭部件如圖3所示。

探頭內放置有兩套壓電陶瓷元件，一套驅動一根會可在一定范圍內扭轉的小短管，另一套通過反饋信號測量和控制小短管的扭轉角度。當燃油流經傳感器時，小短管會對不同的粘度做出不同的變化，觸發(fā)出相應的電子信號，經電纜傳送至界面盒。界面盒內安放有電子裝置，處理來自傳感器的信號。信號處理完成后將4-20mA電流信號輸出至燃油加熱裝置，控制加熱介質的流量。由于燃油溫度與粘度的變化之間存在一定的滯后及波動，一般會將該系統設置成控制反饋回路。目前，燃油粘度控制多采用PID（Proportional-Integral-Differential）控制。其典型控制回路如圖4所示。

設定值r（t）和實際輸出值c（t）構成控制偏差e（t）。即，輸入：控制偏差e（t）=r（t）-c（t）；輸出：偏差比例（P）、積分（I）和微分（D）的線性組合。其中：KC為比例系數；TI為積分時間常數；TD為微分時間常數。對KC的選擇，如果對象較穩(wěn)定，即放大系數較小，時間常數處于中位，滯后時間較小的，其比例系數范圍可選擇小一些，這樣可以提高系統的靈敏度，是反應速度加快。反之，則應該選擇較大的，以提高系統穩(wěn)定性。通常，對粘度調節(jié)，KC為20%～60%。積分調節(jié)建立在比例調節(jié)之后，積分動作的目的是消除系統殘差，因此對積分時間的設置同樣需要考慮對象及系統穩(wěn)定性。微分調節(jié)則是根據偏差信號的變化進行動作，主要是克服傳遞滯后和容量滯后。根據燃油加熱特性，積分時間跟微分時間范圍可定為30s～90s。利用PID控制原理，可方便的建立燃油溫度與粘度間的調節(jié)關系。對于各系數的選擇需要按照燃油粘溫特性，并根據具體船舶所使用的燃油進行調整。因此，在對每一船型的燃油粘度控制系統進行設計時，需要考慮每船的實際情況，包括主機功率、噴油粘度、燃油消耗率、燃油品質、加熱介質等。現以一大型油船為例，其所配主機為MAN-B&W 7G80ME-C9.2型二沖程柴油機。最大輸出功率24，500kW，額定油耗162.7g/kWh+6%，燃油型號HFO 600cSt@50deg，燃油噴射粘度12cst，最大噴射溫度146℃，加熱介質為蒸汽（0.7MPa），日用柜溫度～80℃，混油柜溫度～117℃，回油溫度損耗～3℃。對比以往同類船舶，該船使用的燃油粘度較高，需要加熱至較高溫度才能滿足主機噴油要求。通過對PID模擬控制器的測試試驗，該船的比例系數選擇25%，積分時間60s，微分時間70s。

3、加熱系統調節(jié)模塊

粘度傳感器得到信號，并在界面盒內處理完畢后，將輸出電信號至加熱系統，調節(jié)加熱介質的流量，最終實現粘度控制。按照傳熱學熱量動態(tài)分析，加熱器中的蒸汽及燃油換熱屬于強制對流換熱，其換熱系數及熱效率可由加熱器廠家提供。由此可得出蒸汽流量與燃油溫升間的關系。然而，重油的加熱后的粘度不僅與加熱流量及時間有關，同時還與壓力成線性關系（即胡可定律σ=Mε）。因此，在控制模塊的設計中，其反饋因素還需考慮燃油壓力。對單一型船舶，其燃油壓力由泵組提供，一旦泵組確定后，燃油壓力變動范圍有限，為簡化操控，通常將燃油壓力作為一定量，而蒸汽耗量作為變量，對燃油加熱溫度進行調節(jié)。加熱系統調節(jié)模塊通常由電纜、電動驅動頭及控制閥閥體組成。電動驅動單元根據接收信號調節(jié)閥芯開啟高度或開啟角度，以此調節(jié)進入燃油加熱器的蒸汽流量，最終實現燃油粘度的自動控制。

4、結束語

本文闡述了船用燃油供給系統中粘度控制原理。通過對燃油供給系統的介紹，解釋了粘度控制對船舶主機運行的重要性，并采用工業(yè)上成熟的PID控制原理對粘度控制反饋系統進行設計，同時針對一型船舶進行參數優(yōu)化，最終實現了主機燃油進機粘度的自動控制。