一種基於轉速的船舶低速柴油機餘熱綜合回收系統控制方法與流程

2023-06-13 19:56:46

本發明涉及的是一種柴油機餘熱能量控制方法，具體地說是定距槳船舶低速柴油機餘熱能量控制方法。

背景技術：

能源問題己經成為經濟發展中一個頭等重要問題。船舶是能源消耗量巨大的運輸工具，高能耗一方面使船舶運行成本增加，另一方面也給船舶運行帶來了嚴重的環境問題。如何有效降低船舶能耗是一個現實而又重大的課題。國際海事組織IMO己將EEDI(Energy Efficiency Design Index，新船能效設計指數)作為考核船舶設計能耗高低的一個指標，船舶能量利用效率低，除了將面對高額的燃料費用外，還將面對額外的罰金，以補償對環境的破壞。柴油機作為船舶的主要動力，其熱效率己接近50％，但仍有50％的能量被排氣、冷卻介質帶走。如果能夠利用主機排氣和冷卻水的熱量進行發電或作為輔助設備熱源提供蒸汽，則可以替代部分輔機和輔助鍋爐，同時達到節能和減排的效果。如何進一步利用和挖掘這部分餘熱便是本發明所要解決的問題。

各主要船舶主機製造公司開發的船舶主機餘熱利用系統中都採用常規餘熱鍋爐，其特點是利用主機排氣的餘熱產生蒸汽，進行再利用。但限於煙氣露點溫度，為防止低溫腐蝕，主機餘熱利用系統餘熱鍋爐排煙溫度都在170℃以上，也即主機餘熱利用系統只利用了排氣溫度範圍170～300℃(左右)的能量，排氣中其餘能量都排入了環境。

公開號CN102777876A的專利文件中，公開了一種船用柴油發電機組廢氣餘熱產氣系統。該系統包括熱井、鍋爐給水泵、汽包、廢熱鍋爐、蒸發器和預熱器。能有效回收船用發電柴油機的廢氣餘熱。該技術是針對船用柴油發電機組的排汽餘熱利用，沒有涉及船舶主柴油機的餘熱利用及其控制方法。

公開號CN103111172A的專利文件中，公開了一種船舶主機餘熱回收尾氣處理系統及方法，包括廢熱鍋爐、汽輪機、發電機、二氧化碳吸收塔、水泵、水櫃、臥式氨合成塔、烷烴裂解裝置和空氣分離機。即可以高效利用船舶主機餘熱，又可以吸收尾氣中二氧化碳，降低碳排放。該技術方案是利用空氣分離機將空氣分離成高濃度的氧氣和氮氣，高濃度的氧氣在廢熱鍋爐與柴油機廢氣進行富氧燃燒加熱鍋爐蒸發器產生高溫蒸汽，驅動汽輪機發電，實現對船用主機排氣餘熱利用；而高濃度的氮氣及裂解烷烴裝置產生的氫氣在臥式氨合成塔內合成氨，製成氨水在二氧化碳吸收塔內與柴油機廢氣中二氧化碳生成碳酸氫銨，實現二氧化碳捕捉。在餘熱利用上涉及到餘熱鍋爐和汽輪機，沒有涉及船舶主柴油機的排氣餘熱利用及其控制方法。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供能有效提高餘熱綜合回收系統能量利用效率的一種基於轉速的船舶低速柴油機餘熱綜合回收系統控制方法。

本發明的目的是這樣實現的：

本發明一種基於轉速的船舶低速柴油機餘熱綜合回收系統控制方法，其特徵是：

船用低速柴油機的排氣管分別連接動力渦輪以及渦輪增壓器的渦輪，渦輪增壓器的渦輪連接餘熱鍋爐，餘熱鍋爐分別連接汽輪機和有機工質汽輪機，動力渦輪、有機工質汽輪機、汽輪機分別連接發電機，渦輪增壓器還連接旁通煙道；

預先設定柴油機n1-n8八個運行轉速設定值，根據柴油機運行轉速將柴油機分為第一區段-第五區段五個運行區段：

第一區段為柴油機啟動與輕載運行區段，在柴油機啟動後運行轉速低於設定值n1時，或者降速後轉速低於設定值n8時，柴油機廢氣由旁通煙道排出；

第二區段為鍋爐工作區段，在柴油機加速過程中當轉速超過n1時，關閉旁通煙道，餘熱鍋爐啟動，柴油機排氣經餘熱鍋爐對餘熱鍋爐的爐水進行加熱；當柴油機轉降速階段當轉速低於設定值n8時，旁通煙道打開，柴油機排氣經旁通煙道排出，停止餘熱鍋止運行；

第三區段為有機工質發電單元運行區段，在柴油機加速過程中當轉速超過設定值n2時，有機工質汽輪機啟動；在柴油機降速階段當轉速低於設定值n7時，有機工質汽輪機停止運行；

第四區段為汽輪機發電單元運行區段，在柴油機加速過程中當轉速超過設定值n3時，汽輪機發電單元啟動；在柴油機轉降速階段當轉速低於設定值n6時，汽輪機停止運行；

第五區段為動力渦輪發電單元運行區段，在柴油機加速過程中當轉速超過設定值n4時，動力渦輪啟動；在柴油機轉降速階段當轉速低於設定值n5時，動力渦輪停止運行。

本發明還可以包括：

1、機工質汽輪機啟動後，開始啟動預熱和暖機過程，當有機工質汽輪機的進口熱水溫度達到設定溫度值Tw1時，有機工質汽輪機開始發電。

2、汽輪機啟動後，開始啟動衝轉和暖機過程，當汽輪機的進口蒸汽溫度達到設定溫度值Ts1時，汽輪機開始發電。

3、動力渦輪啟動後，開始啟動衝轉和暖機過程，當動力渦輪的進口廢氣壓力達到設定壓力值Pe1時，動力渦輪開始發電。

4、設定值n8低於設定值n1，設定值n7低於設定值n2，設定值n6低於設定值n3，設定值n5低於設定值n4。

本發明的優勢在於：

(1)採用了柴油機轉速作為船舶柴油機餘熱回收利用的餘熱鍋爐、動力渦輪發電單元、汽輪機發電單元及有機工質發電單元運行控制參數，實現方式簡單、高效；

(2)採用分區段控制方式，可以根據柴油機運行在不同轉速區段時的廢氣參數採用不同的利用措施，提高餘熱回收利用效率。

附圖說明

圖1為本發明餘熱綜合回收系統組成原理圖；

圖2為本發明餘熱綜合回收系統控制方法的原理圖；

圖3a為能量管理裝置功能邏輯圖；圖3b有機工質汽輪機控制邏輯圖；圖3c汽輪機控制邏輯圖；圖3d動力渦輪控制邏輯圖。

具體實施方式

下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述：

結合圖1-3，本發明所提出的基於轉速的船舶低速柴油機餘熱利用系統控制方法是根據定距槳推進的船舶低速柴油機不同轉速下排氣餘熱品質不同的特點，採用不同柴油機轉速區段利用不同回收手段的分區段控制方式。

主要由以下幾部分組成：回收船舶低速柴油機排氣餘熱的餘熱鍋爐及其控制裝置、利用分流排氣能量做功的動力渦輪發電單元及其控制裝置、利用餘熱鍋爐蒸汽來做功的汽輪機發電單元及其控制裝置、利用低品質能量做功的有機工質發電單元及其控制裝置以及協調以上這些裝置運行的能量管理裝置。

所述的能量管理裝置根據船舶低速柴油機轉速分別輸出啟動或停車控制信號給餘熱鍋爐控制裝置、有機工質發電單元控制裝置、汽輪機發電單元控制裝置和動力渦輪發電單元控制裝置以實現相應設備的啟動與停車控制。

下面結合附圖1，對本船舶低速柴油機餘熱綜合回收系統做進一步的描述：

所述的船舶低速柴油機餘熱回收系統組成包括餘熱鍋爐、汽輪機發電機單元、動力渦輪發電單元、有機工質汽輪發電機單元及控制系統組成。

所述的控制系統包括餘熱鍋爐控制裝置、有機工質發電單元控制裝置、汽輪機發電單元控制裝置、動力渦輪發電單元控制裝置和能量管理裝置。

所述的能量管理裝置，根據安裝在柴油機飛輪齒盤附近的轉速傳感器採集柴油機曲軸轉速信號，並根據此柴油機轉速分區段控制餘熱鍋爐、有機工質發電單元、汽輪機發電單元和動力渦輪發電單元，下面結合附圖1、2說明具體的區段定義以及實施方式：

第一區段為柴油機啟動與空載區段，在柴油機啟動後轉速小於設定值n1時，或者降速後轉速低於設定值n8餘熱綜合回收系統不工作，柴油機廢氣由旁通煙道排出；

第二區段為鍋爐工作區段，在柴油機升速階段當轉速超過第一個設定值n1時，餘熱鍋爐發電單元控制裝置關閉旁通煙道啟動餘熱鍋爐，同時爐水循環系統工作，柴油機排氣經餘熱鍋爐對爐水進行加熱，排氣依次流經餘熱鍋爐各段換熱器後，由余熱鍋爐出口煙道排入大氣；在柴油機降速階段當轉速低於設定值n8時，餘熱鍋爐發電單元控制裝置關閉餘熱鍋爐並打開旁通煙道。

第三區段為有機工質發電單元運行區段，在柴油機升速階段當轉速超過設定值n2，餘熱回收控制系統的能量管理裝置輸出有機工質啟動控制信號，有機工質發電單元開始啟動進入預熱、暖機流程；當爐水溫度超過設定溫度值Tw1時，有機工質發電單元控制裝置啟動有機工質發電單元，餘熱鍋爐熱水通過有機工質蒸發器的換熱使有機工質蒸發並推動有機工質發電機機組做功；在柴油機降速階段當轉速低於設定值n7或當爐水溫度低於設定溫度值Tw2時，有機工質發電單元控制裝置關閉有機工質發電單元停止發電。

第四區段汽輪機發電單元運行區段，在柴油機升速階段當轉速超過設定值n3時，餘熱回收控制系統的能量管理裝置輸出汽輪機啟動控制信號，汽輪機發電單元開始啟動進入衝轉、暖機流程；當餘熱鍋爐蒸汽溫度超過設定值Ts1時，汽輪機發電單元控制裝置啟動汽輪機發電單元，高溫高壓蒸汽通過蒸汽輪機推動發電機發電做功。在柴油機降速階段當轉速低於設定值n6或當餘熱鍋爐蒸汽溫度低於設定值Ts2時，汽輪機發電單元控制裝置關閉汽輪機發電單元停止發電。

第五區段動力渦輪發電單元運行區段，在柴油機升速階段當轉速超過設定值n4時，餘熱回收控制系統的能量管理裝置輸出動力渦輪啟動控制信號，動力渦輪發電單元開始啟動進入衝轉、暖機流程；當旁通壓力超過設定壓力值Pe1時，動力渦輪發電單元控制裝置啟動動力渦輪發電單元，柴油機的部分排氣直接通過動力渦輪發電機組轉化為電能供船舶使用，做功後的廢氣與渦輪增壓器排氣混合後進入餘熱鍋爐煙道。在柴油機降速階段當轉速低於設定值n5或當旁通壓力低於設定壓力值Pe2時，動力渦輪發電單元控制裝置關閉動力渦輪發電單元停止發電。

結合圖3a-3d說明能量管理裝置中具體的控制功能邏輯關係:

所述的能量管理裝置通過檢測柴油機轉速計算推進功率，即主機功率，並根據柴油機功率分區段控制餘熱鍋爐、有機工質發電單元、汽輪機發電單元和動力渦輪發電單元。首先，能量管理裝置判斷餘熱鍋爐是否啟動，如果餘熱鍋爐已經啟動且主機轉速低於n8，則能量管理裝置輸出餘熱鍋爐停止控制信號；若餘熱鍋爐沒有啟動且主機轉速高於n1，則能量管理裝置輸出餘熱鍋爐啟動控制信號。

有機工質發電單元控制裝置判斷有機工質汽輪機是否啟動，如果有機工質汽輪機正在運行且主機轉速低於n7或爐水水溫低於Tw2，則有機工質發電單元控制裝置輸出有機工質汽輪機停止控制信號；如果有機工質汽輪機沒有啟動且主機轉速高於n2，則有機工質發電單元控制裝置輸出有機工質汽輪機啟動控制信號；如果有機工質汽輪機正在運行，且爐水水溫超過Tw1，則有機工質汽輪機進行發電運行，否則有機工質汽輪機進行暖機運行。

汽輪機發電單元控制裝置判斷汽輪機是否啟動，如果汽輪機已經啟動且主機轉速低於n6或蒸汽溫度低於Ts2，則汽輪機發電單元控制裝置輸出汽輪機停止控制信號；如果汽輪機沒有啟動且主機轉速高於n3，則汽輪機發電單元控制裝置輸出汽輪機啟動控制信號；如果汽輪機正在運行，且蒸汽溫度超過Ts1，則汽輪機進行發電運行，否則汽輪機進行暖機運行。

動力渦輪發電單元控制裝置判斷動力渦輪是否啟動，如果動力渦輪已經啟動且主機轉速低於n5或排氣壓力低於Pe2，則動力渦輪發電單元控制裝置輸出動力渦輪停止控制信號；如果動力渦輪沒有啟動且主機轉速高於n4，則動力渦輪發電單元控制裝置輸出動力渦輪啟動控制信號；如果動力渦輪正在運行，且當排氣壓力超過Pe1，則動力渦輪進行發電運行，否則動力渦輪進行暖機運行。