船舶柴油机燃油粘度控制系统的仿真

伍斯杰，王永坚，杨小明，陈志明

(1.集美大学轮机工程学院，福建厦门361021;2.福建省厦门轮船有限公司，福建厦门361012;3.广东海洋大学工程学院，广东湛江524088)

0 引言

为确保柴油机主机能正常运转，燃油粘度必须保持在一个合适的范围内，若燃油粘度超标，则可能造成柴油机运动件磨损加剧、燃油雾化不良以及燃油效率低.燃油粘度控制系统 (FOVCS)是船舶机舱过程控制系统的重要组成部分［1］，采用PID控制，运用传热学原理［2］，利用软件MATLAB建立数学模型进行仿真，能较好地克服上述因素的影响，从而确保燃油粘度在合适的范围内，达到对燃油粘度的自动控制.

1 NAKAKITA型燃油粘度控制系统工作原理

目前船上常用的燃油粘度控制系统有VAF型、NAKAKITA型和VISCOCHIEF型等，而NAKAKITA型燃油粘度控制系统［3］类似于在VAF型燃油粘度控制系统的基础上增加了温度程序控制装置和“柴油一重油”自动转换装置.温度控制程序装置主要通过温度粘度控制选择阀分别输入温度程序调节器和粘度调节器的输出信号，其输出则选择其中输入大的信号，从而改变蒸汽调节阀的开度，达到自动控制燃油粘度的目的.当燃油温度在上限 (如135℃，可调)和下限 (如20℃，可调)值之间变化时，粘度调节器不工作，蒸汽调节阀由温度程序调节器控制;当燃油温度达到上限值 (如135℃，可调)时，粘度控制系统进行工作，粘度调节器输出信号改变蒸汽调节阀的开度，使燃油粘度稳定在给定值上.“柴油—重油”自动转换装置也是以油温来实现的.例如若油温较低并处于下限值，则燃油在温度程序调节器的控制下，转换开关会自动切换到重油的位置，但仍用柴油运行工作，然后在温度程序调节器的控制下，温度会慢慢升高，当油温达到中间温度值 (如70℃，可调)时，三通活塞阀自动开启并推动三通电磁阀，自动转换为重油，温度调节器控制对重油进行加温直至温度的上限值 (如135℃，可调)，其NAKAKITA型燃油粘度控制系统原理如图1所示.

图1 NAKAKITA型燃油粘度控制系统原理图Fig.1 NAKAKITAfueloilviscositycontrolsystemprinciplediagram

2 数学模型的建立

本文对柴油机燃油粘度系统模型进行简化，根据PID控制器的原理，选用比较合适的PID参数［4］，建立燃油粘度控制系统部分主要模型，然后利用传热学热量原理对系统进行分析，得到柴油机燃油粘度控制系统整体仿真模型［5］.

2.1 模拟PID控制器

模拟PID调节器是一种线性调节器，通过硬件来实现PID调节规律.系统由被控对象和PID控制器组成，PID控制系统原理图如图2所示.

图2 模拟PID控制系统原理图Fig.2 Analog PID control system principle diagram

设定值yset(t)和实际输出值y(t)构成控制偏差e(t)，e(t)通过线性组合构成控制量u(t)，u(t)对被控对象进行控制.控制器的输入输出关系可描述为:u(t)=Kp［e(t)+∫e(t)dt/Ti+Tdde(t)/dt，其中:e(t)=yset(t)-y(t);Kp—为比例系数;Ti—为积分时间常数;Td—为微分时间常数.其传递函数为:G(s)=Kp(1+1/Tis+Tds)，其中s—为复频率.

选择调节器的参数，必须根据工程问题的具体要求来考虑.在燃油粘度的控制中，要求被控过程是稳定的，对温度的变化应尽可能及时响应，超调量要小，在不同干扰下输出能很快地稳定在给定值，控制变量不宜过大，在系统与环境参数发生变化时控制应保持稳定.显然，要同时满足上述要求是很困难的，必须根据燃油粘度控制具体过程的要求，满足主要方面，并兼顾其他方面.对于该燃油粘度控制系统，采取试凑法和经验法选择调节器的参数，根据各种温度调节系统中的PID参数，经验数据参照:比例系数P=20% ～60%;积分时间I=30～90s;微分时间D=30～90 s.因此，根据以上参照数据按照比例调整，本文选取参数为:P=20%;I=60 s;D=60 s.

2.2 加热器系统动态模型

加热器工作流程如图3［5］所示.其中:G0为主机在一定负荷下单位时间内流量值，kg/h;G1为加热器流出的燃油并进入主机的流量值，kg/h;G2为进入加热器的蒸汽流量值，kg/h;G3为进入混合油柜的带有初温的冷油的流量值，kg/h;T1i为进入加热器时或者流出混合油柜时的燃油温度，℃;T1o为流出加热器时或者进出主机时的燃油温度，℃;T3i为进入混合油柜的燃油温度，℃;T'为热油在管路运输中存在热量损失而造成的温度下降值，℃.

带有初温T3i的冷油以G3流量进入混合油柜，同时主机未消耗的热油T1o以 (G1-G0)的流量进入混合油柜，两种油混合在一起后形成T1i温度的油以G1的流量进入换热器，由于温度远低于输出温度要求，故被蒸汽加热，以G1的流量和T1o温度流出并进入主机，主机随其负荷变化而消耗G0流量的热油，剩余(G1-G0)的流量流回油柜，这样周而复始.为简化起见，本系统建模时，换热器的热损失、传热系数忽略不计，蒸汽的含热变化量也可忽略.

图3 加热器(含混合油柜)工作流程图Fig.3 Heaters work flow chart(including mixed oil tank)

2.3 传热学热量分析

1)考虑换热器的热损失:若忽略间壁热容，则根据热量的动态平衡关系，可以得到如下热平衡方程:

其中:λ2为蒸汽的比热容，kJ/(kg·℃);c1为换热器燃油的比热容，kJ/(kg·℃);M1为加热器内冷油的质量，kg.

将式 (1)经拉氏变换，并整理得:

从主机出来的热油在管路运输中的热量损失与燃油温度、环境温度有关，对其进行近似计算:

其中:T2为环境温度，℃.

根据热量的动态平衡关系，可以得到混合油柜热平衡方程:

其中:c3为混合油柜燃油的比热容，kJ/(kg·℃).

将式 (4)经拉氏变换，并整理得:

3 仿真模型的建立

3.1 加热器子系统仿真模型

用Simulink建立加热器子系统［6］模型.通过从工具库Ports and Subsystem模块中，选取椭圆形的输入输出模块，根据式 (2)建立加热器子系统，可得到实际流出加热器的燃油温度T1o，具体的仿真模型如图4所示.

图4 加热器子系统模型图Fig.4 Heater subsystem model diagram

3.2 混合油柜子系统仿真模型

混合油柜子系统实际上就是由多个传递函数组成，在工具库Ports and Subsystem模块中选取椭圆形的输入输出模块，可以得出实际流出混合油框燃油温度T1i，具体的仿真模型如图5所示.

图5 混合油柜子系统模型图Fig.5 Mixed oil cabinet system model

3.3 控制系统整体仿真模型

柴油机燃油粘度控制系统整体仿真模型如图6所示.在simulink library browser列表中选取相应的函数表达式模块，并在模块中输入初始条件和设置开始及结束时间，最后由Display模块输出结果.为了使得模型的物理意义以及子系统之间关系易于理解，便于模型的修改和升级，该整体控制系统模块分别对混合油柜子系统和加热器子系统进行封装，得到oil tank模块和heater加热器模块.

图6 控制系统整体仿真系统模型Fig.6 Overall control system simulation model of the system

4 动态仿真结果与分析

由于蒸汽流量、环境温度、冷油温度和主机负荷的变化对燃油粘度的定值控制都有影响，但环境温度和冷油温度一般不可突变，变化量较小，故这两者对燃油粘度定值控制的影响很小.船舶在海上航行，未知因素很多，航行工况会时刻发生变化，主机所承受的负荷也随之发生突变，所以蒸汽流量和主机负荷对燃油粘度定值控制影响很大.因此，仿真工况可设环境温度为40℃，冷油温度为50℃，燃油粘度值设定为15 mm2/s.

1)保持蒸汽流量不变，根据文献［6-7］使主机负荷在90%-108%-0%-90%之间突变，所得到燃油粘度定值控制曲线如图7所示.

从图7看出，当受到外界干扰时，主机负荷突然增大或减少，分别发生时间在开机后2758 s和4760s，主机燃油消耗量也相应发生变化，在变化的瞬间蒸汽流量需要一定的时间做出适应调整，而且加热燃油需要一定的时候，燃油粘度会迅速发生变化，但由于PID控制的作用，经过一定的时间后，燃油粘度会向设定值靠近.

图7 主机负荷突变时，燃油粘度定值控制曲线Fig.7 Host load mutation，the fuel oil viscosity curve of constant value control

2)保持主机负荷不变，使蒸汽流量在100%—50%—0%—50%—100%之间发生突变，可得到如图8的燃油粘度定值控制曲线.

从图8可以看出，蒸汽流量的突变，时间分别发生在开机后1325s，3340s，4230s，5570s，它使得燃油温度升高或降低，而燃油粘度降低或升高，但由于PID控制的作用，经过一定的时间后，燃油粘度向设定值靠近，从而实现了对燃油粘度的定值控制.

3)主机负荷和蒸汽流量都发生突变，得到燃油粘度定值控制曲线如图9所示.

从图9可以看出系统受到外界干扰，无论是主机负荷还是蒸汽流量发生突变时对主机燃油粘度定值都会产生影响，但是经过一段时间后，最终都能达到一个的平衡状态.系统刚开始投入工作时，惯性较大，但是系统达到稳定时，系统没有偏差，验证了该系统建模仿真的可行性和可靠性.

图8 蒸汽流量突变时，燃油粘度定值控制曲线Fig.8 Change in steam flow rate,fuel viscosity curve of constant value control

图9 主机负荷和蒸汽流量都发生突变时，燃油粘度定值控制曲线Fig.9 Mutations in the host load and steam flow rate of fuel viscosity curve of constant value control

5 结束语

本文对船舶柴油机燃油粘度系统进行了概述，分析了其重要性及燃油的定值控制，利用传热学原理，针对Anqing Daihatsu 6PSTdM—26H型柴油机的燃油粘度控制系统建立了动态模型，并对其进行了仿真，仿真结果表明，无论是主机负荷还是蒸汽流量发生突变对主机燃油粘度定值都会产生影响，但是经过一段时间后，最终都达到一个平衡状态.

［1］王春芳，叶伟强.轮机自动化［M］.大连:大连海事大学出版社，2011.

［2］杨世铭，陶文铨.传热学［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［3］李斌.船舶柴油机 ［M］.大连:大连海事大学出版社，2008.

［4］ ASTROM K J，HAGGLUND T.PID controllers［M］.North Carolina:Instrument Society for Measurement and Control，1995.

［5］方泉根.计算机仿真技术在21世纪航海教育中的发展与应用 ［J］.上海海运学院学报，2001，22(2):24-28.

［6］肖玲娟.主机燃油粘度的模糊控制设计［D］.上海:上海海事大学，2004.

［7］潘瑞.船舶柴油机燃油系统的建模与仿真研究［D］.大连:大连海事大学，2008.