[發(fā)明專(zhuān)利]一種船舶柴油機(jī)尾氣余熱驅(qū)動(dòng)的熱水系統(tǒng)及控制方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110312023.6
• 申請(qǐng)日: 2021-03-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112855318A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-05-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王玉;倪培永;張學(xué)文;喜冠南
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 南通大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): F01N5/02
• 分類(lèi)號(hào): F01N5/02;F01N11/00;F01P7/16;F01P11/00;F01P11/14;F01P11/16
• 代理公司: 南京瑞弘專(zhuān)利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 許潔

1.一種船舶柴油機(jī)尾氣余熱驅(qū)動(dòng)的熱水系統(tǒng)，其特征在于：包括柴油機(jī)、翅片式換熱器、離心式風(fēng)機(jī)、水箱、循環(huán)水泵、變頻器、溫度傳感器、溫度變送器、液位計(jì)、控制器和觸摸顯示器；

所述的翅片式換熱器包括尾氣進(jìn)口、尾氣出口、冷卻水進(jìn)口和冷卻水出口；所述的尾氣進(jìn)口與尾氣出口的管道連通，所述的冷卻水進(jìn)口與冷卻水出口的管道連通；

所述的離心式風(fēng)機(jī)與翅片式換熱器的尾氣出口的管道連通，所述的離心式風(fēng)機(jī)的作用是減小柴油機(jī)排氣背壓；

尾氣的流通路徑依次經(jīng)過(guò)翅片式換熱器的尾氣進(jìn)口、翅片式換熱器的尾氣出口和離心式風(fēng)機(jī)；

所述的循環(huán)水泵搭載三相異步電動(dòng)機(jī)，支持變頻，其進(jìn)水口與水箱管路連接，出水口與翅片式換熱器的冷卻水進(jìn)口管路連接；

所述的變頻器負(fù)載輸出端與循環(huán)水泵電連接；

所述的溫度傳感器設(shè)在翅片式換熱器的冷卻水出口，與溫度變送器通訊連接；

所述的液位計(jì)設(shè)在水箱中；

冷卻水流通路徑依次經(jīng)過(guò)水箱、循環(huán)泵、翅片式換熱器的冷卻水進(jìn)口和冷卻水出口；

所述的控制器分別與觸摸顯示器、溫度變送器、液位計(jì)和變頻器通訊連接；

所述的觸摸顯示器具備觸摸屏和顯示屏，支持觸摸輸入與顯示輸出。

2.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶柴油機(jī)尾氣余熱驅(qū)動(dòng)的熱水系統(tǒng)的熱水系統(tǒng)控制方法，其特征在于：包括以下步驟：

S1：控制器初始化系統(tǒng)變量，指令變頻器以10Hz的頻率運(yùn)行；

S2：控制器檢測(cè)用戶(hù)是否更新翅片式換熱器冷卻水出口設(shè)定溫度T_s：若檢測(cè)到更新，則以更新值覆蓋原有值；

S3：控制器讀取傳感器的數(shù)據(jù)；

S4：控制器判斷各項(xiàng)傳感器數(shù)據(jù)是否處于安全閾值；

S5：控制器根據(jù)當(dāng)前溫度Tc與設(shè)定溫度Ts的差值，根據(jù)內(nèi)置算法計(jì)算變頻器的輸出頻率u(k)；

S6：控制器判斷變頻器的計(jì)算輸出頻率是否位于安全區(qū)間內(nèi)：若u(k)大于安全區(qū)間上限，則賦值u(k)為50Hz；若u(k)小于安全區(qū)間下限，則賦值u(k)為10Hz；

S7：控制器將輸出頻率u(k)發(fā)送至變頻器，變頻器調(diào)節(jié)循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)冷卻水流量使水溫趨近于設(shè)定值；

S8：控制器檢測(cè)用戶(hù)是否關(guān)閉系統(tǒng)：若接收到關(guān)閉系統(tǒng)的指令，控制器停止變頻器輸出；否則，執(zhí)行步驟S2～S7。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的船舶柴油機(jī)尾氣余熱驅(qū)動(dòng)的熱水系統(tǒng)的熱水系統(tǒng)控制方法，其特征在于：所述的步驟S3包括以下子步驟：

S31：控制器通過(guò)溫度傳感器讀取翅片式換熱器冷卻水出口溫度，并在觸摸顯示器上顯示；

S32：控制器通過(guò)液體流量計(jì)讀取冷卻水流量，并在觸摸顯示器上顯示；

S33：控制器通過(guò)液位計(jì)讀取水箱液位息，并在觸摸顯示器上顯示。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的船舶柴油機(jī)尾氣余熱驅(qū)動(dòng)的熱水系統(tǒng)的熱水系統(tǒng)控制方法，其特征在于：所述的步驟S4包括以下子步驟：

S41：若溫度超過(guò)設(shè)定閾值上限，則指令變頻器以最高頻率50Hz運(yùn)行，保證系統(tǒng)安全，并向觸摸顯示器發(fā)送高溫警報(bào)；若溫度低于設(shè)定閾值下限，控制器向觸摸顯示器發(fā)送低溫指示；

S42：若水箱液位未在設(shè)定閾值內(nèi)，控制器指令變頻器停止輸出，并向觸摸顯示器發(fā)送“水箱液位異常”警示。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的船舶柴油機(jī)尾氣余熱驅(qū)動(dòng)的熱水系統(tǒng)的熱水系統(tǒng)控制方法，其特征在于：所述的步驟S5包括以下子步驟：

S51：計(jì)算當(dāng)前溫度與設(shè)定溫度的差值e(k)，其計(jì)算公式為：

e(k)＝T_s-T_c

其中，K為當(dāng)前采樣點(diǎn)；T_s為設(shè)定溫度；T_c為當(dāng)前溫度；

S52：若|e(k)|0.2，則保持當(dāng)前頻率輸出u(k)不變，跳轉(zhuǎn)到步驟S6，這是為了避免控制器不斷調(diào)整頻率輸出導(dǎo)致溫度震蕩；

S53：若|e(k)|0.5，使用改進(jìn)PID算法計(jì)算頻率輸出值u(k)；

傳統(tǒng)PID算法表達(dá)式如下：

其中：K_p為比例系數(shù)，K_i為積分系數(shù)，K_p為微分系數(shù)。

改進(jìn)PID算法表達(dá)式如下：

當(dāng)誤差小于0.5℃時(shí)，引入積分調(diào)節(jié)部分，消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，添加系數(shù)(|e(k)-0.5|)/0.5,抑制引入積分調(diào)節(jié)時(shí)產(chǎn)生的突變；

當(dāng)誤差大于0.5℃時(shí)，舍棄積分調(diào)節(jié)部分，避免溫度誤差的過(guò)度積累引起劇烈超調(diào)。