船舶冷热电联供控制系统设计

(集美大学轮机工程学院，福建 厦门361021）

船舶电力系统在船舶上具有极为重要的地位，电力系统供电的连续性、可靠性和品质将直接影响船舶的经济指标、技术指标和生命力[1]。目前船舶的电力系统在实际运行过程中存在着较大的资源浪费，而采用冷热电联供系统能够较为满意的解决该问题。典型冷热电联供系统如图1所示。现代化的船舶供电系统可以利用液体或气体燃料的内燃机、微型燃气轮机和各种工程用的燃料电池发电，并利用余热分别或同时供热、制冷的系统即冷热电联供系统[2-3]，其中控制系统是保证整个设备正常运行的关键。优良的控制系统不仅能够保证系统安全可靠地运作，同时能够大大提高系统的工作效率，提高系统的总能利用系数。因此，对于控制系统进行设计是十分必要的。下面，笔者针对船舶冷热电联供控制系统进行设计并对其进行建模和仿真。

图1 冷热电联供系统结构图

1 系统架构

为保证船舶冷热电联供系统安全稳定运行，使用业内最为通用的可编程逻辑控制器（Programming Logic Controller，PLC）控制技术，为了对系统动态进行实时监控，引入工控机作为上位机。系统的总体架构如图2所示。

图2 控制系统结构图

2 系统设计

2．1 自动控制

自动控制运行状态是控制系统主要的运行状态，其性能好坏将直接影响系统的工作性能。其工作流程分为启动状态、实时监控功能、正常停机状态和紧急停机方式(安全故障控制模式），系统运行时能够根据使用者的需求自动切换到所需要的冷热状态，以便于快捷使用。在实际运行过程中控制系统会自动根据外界输入参数进行各项资源调配完成既定功能，不需要用户进行过多干预。

2．2 安全保护

安全保护是保证用户使用的前提，只有完善的安全机制才能让客户用的放心。系统设置了自动预警和自动处理等模式，保证系统运行的可靠安全。首先，设备在自动预警模式下通过IPC将各个部分传感器(微燃机控制器、冷热传感器以及其他外部监控系统）的运行参数(温度、压力等）进行汇总并判断各部分运行状态，这些状态信息会反馈给各部分进行对比，以便能够确定各个部分工作状态，及时发现出现问题的设备。对于获得的故障信号，IPC能够进行调整和处理，是否需要屏蔽或中断该部分功能可以通过预先设置，保证用户的安全可靠。对于无法处理的故障，系统将会停机等待工作人员对其进行处理。其次，在底层设计时应考虑互锁装置保障设备运行过程中的安全，通过设计PLC流程程序来保证所有的过程联锁。例如要打开微燃机则需要保证制冷机和烟气入口阀处于关闭状态；同样要开启冷却水泵则要求制热系统处于封闭状态，形成制冷和供热的互锁，通过底层软件设计机制来避免人为操作的失误。

2．3 底层PLC控制软件设计

PLC具有抗干扰能力强、操作方便、体积小、能耗低和维护方便等优点。为了提高系统性能，依据PLC程序按模块化设计分为主程序和子程序来进行控制。图3所示为PLC程序流程图。对于主程序控制某项电机的旋转方向，确定参考的基点，在实际运行过程中将实际测量的数据参数与参考基点对比，如果满足要求继续运行，进入子程序(如冷、热供应）的状态，否则结束该流程，进入故障处理或紧急停机处理状态。

图3 PLC程序流程图

3 系统建模及性能测试

3．1 系统建模

因为设备在实际运行时所有流体都在金属导管中流动，金属管壁与流体之间存在热交换过程，因而对于该部分能量控制就显得十分必要。在热交换过程中，壁管温度不断随着冷、热流体的温度变化而变化，根据能量守恒定理，有下述关系式成立[4]：

式中，λw为金属导管壁厚；Tw、Th、Tc分别为管壁温度、流体流入温度和流体流出温度；δx为流体微元体长度；Sh和Sc分别为冷、热侧流体和换热介质的换热总面积；Mw为管壁金属质量；Cw为管壁比热系数；L为流经管路长度；αh、αc分别为对流换热系数；Ax为有效换热面积。整理后可得管壁能量守恒方程：

热流体的控制方程如下：

式中，ρh为热流体的密度；uh为热流体流速；Ph为热流体压力；Ch为热流体管壁比热系数；A为管路截面面积；˙mh为单位时间内流入热流体质量；Uh为热流体管道界面周长；σh为热流体单位面积摩擦阻力；S为管道面积。

同理，推出冷流体的控制方程：

式中，ρc为冷流体的密度；uc为冷流体流速；Pc为冷流体压力；Cc为冷流体管壁比热系数；˙mc为单位时间内流入冷流体质量；Uc为冷流体管道界面周长；σc为冷流体单位面积摩擦阻力。

由此得到换热装置的动态控制方程组，即求解换热器动态特性的数学模型。

3．2 仿真结果分析

对冷热电联供控制系统中的部件(如微燃机、吸收式制冷机、吸附式制冷机）、外围设备(泵、阀、风机）以及各类的传感器进行设计、设备安装、系统调试和试运行后，实现系统集成，对其性能进行仿真分析。

图4所示为冷热电联供供热效率和总体能量利用效率。从图4可以看出，不同采样点供热效率平均值约为0．25，系统总体能量利用效率约为0．87，说明系统能量利用率较高。

图4 冷热电联供系统供热效率和总体能量利用效率

4 结 语

在了解船舶供电系统的基础上，将冷热电联供系统引入船舶内部，对船舶冷热电联供系统的控制部分进行设计，通过系统建模并进行仿真试验。结果表明，该控制部分能够对冷热电联供系统的运行进行控制，保持系统状态稳定，最终使系统的能量利用率较高，能够满足船舶实际运行需求。

[1]朱臣生．电站管理系统设计 [D]．大连：大连海事大学，2006．

[2]徐建中．分布式供电和冷热电联产的前景 [J]．节能与环保，2002（3）：10-14．

[3]朱成章．从小型热电联产走向冷热电联产 [J]．能源技术，2000（1）：29-30．

[4]张方伟．中冷回热燃气轮机动态仿真研究 [D]．上海：上海交通大学，2004．