本發(fā)明涉及的是一種柴油機(jī)余熱能量控制方法，具體地說是定距槳船舶低速柴油機(jī)余熱能量控制方法。

背景技術(shù)：

能源問題己經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)發(fā)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(yán)重的環(huán)境問題。如何有效降低船舶能耗是一個現(xiàn)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(shè)計指數(shù))作為考核船舶設(shè)計能耗高低的一個指標(biāo)，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(bǔ)償對環(huán)境的破壞。柴油機(jī)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(zhì)帶走。如果能夠利用主機(jī)排氣和冷卻水的熱量進(jìn)行發(fā)電或作為輔助設(shè)備熱源提供蒸汽，則可以替代部分輔機(jī)和輔助鍋爐，同時達(dá)到節(jié)能和減排的效果。如何進(jìn)一步利用和挖掘這部分余熱便是本發(fā)明所要解決的問題。

各主要船舶主機(jī)制造公司開發(fā)的船舶主機(jī)余熱利用系統(tǒng)中都采用常規(guī)余熱鍋爐，其特點是利用主機(jī)排氣的余熱產(chǎn)生蒸汽，進(jìn)行再利用。但限于煙氣露點溫度，為防止低溫腐蝕，主機(jī)余熱利用系統(tǒng)余熱鍋爐排煙溫度都在170℃以上，也即主機(jī)余熱利用系統(tǒng)只利用了排氣溫度范圍170～300℃(左右)的能量，排氣中其余能量都排入了環(huán)境。

公開號CN102777876A的專利文件中，公開了一種船用柴油發(fā)電機(jī)組廢氣余熱產(chǎn)氣系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括熱井、鍋爐給水泵、汽包、廢熱鍋爐、蒸發(fā)器和預(yù)熱器。能有效回收船用發(fā)電柴油機(jī)的廢氣余熱。該技術(shù)是針對船用柴油發(fā)電機(jī)組的排汽余熱利用，沒有涉及船舶主柴油機(jī)的余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(jī)余熱回收尾氣處理系統(tǒng)及方法，包括廢熱鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、二氧化碳吸收塔、水泵、水柜、臥式氨合成塔、烷烴裂解裝置和空氣分離機(jī)。即可以高效利用船舶主機(jī)余熱，又可以吸收尾氣中二氧化碳，降低碳排放。該技術(shù)方案是利用空氣分離機(jī)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(jī)廢氣進(jìn)行富氧燃燒加熱鍋爐蒸發(fā)器產(chǎn)生高溫蒸汽，驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電，實現(xiàn)對船用主機(jī)排氣余熱利用；而高濃度的氮氣及裂解烷烴裝置產(chǎn)生的氫氣在臥式氨合成塔內(nèi)合成氨，制成氨水在二氧化碳吸收塔內(nèi)與柴油機(jī)廢氣中二氧化碳生成碳酸氫銨，實現(xiàn)二氧化碳捕捉。在余熱利用上涉及到余熱鍋爐和汽輪機(jī)，沒有涉及船舶主柴油機(jī)的排氣余熱利用及其控制方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供能有效提高余熱綜合回收系統(tǒng)能量利用效率的一種基于轉(zhuǎn)速的船舶低速柴油機(jī)余熱綜合回收系統(tǒng)控制方法。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

本發(fā)明一種基于轉(zhuǎn)速的船舶低速柴油機(jī)余熱綜合回收系統(tǒng)控制方法，其特征是：

船用低速柴油機(jī)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余熱鍋爐，余熱鍋爐分別連接汽輪機(jī)和有機(jī)工質(zhì)汽輪機(jī)，動力渦輪、有機(jī)工質(zhì)汽輪機(jī)、汽輪機(jī)分別連接發(fā)電機(jī)，渦輪增壓器還連接旁通煙道；

預(yù)先設(shè)定柴油機(jī)n1-n8八個運行轉(zhuǎn)速設(shè)定值，根據(jù)柴油機(jī)運行轉(zhuǎn)速將柴油機(jī)分為第一區(qū)段-第五區(qū)段五個運行區(qū)段：

第一區(qū)段為柴油機(jī)啟動與輕載運行區(qū)段，在柴油機(jī)啟動后運行轉(zhuǎn)速低于設(shè)定值n1時，或者降速后轉(zhuǎn)速低于設(shè)定值n8時，柴油機(jī)廢氣由旁通煙道排出；

第二區(qū)段為鍋爐工作區(qū)段，在柴油機(jī)加速過程中當(dāng)轉(zhuǎn)速超過n1時，關(guān)閉旁通煙道，余熱鍋爐啟動，柴油機(jī)排氣經(jīng)余熱鍋爐對余熱鍋爐的爐水進(jìn)行加熱；當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)降速階段當(dāng)轉(zhuǎn)速低于設(shè)定值n8時，旁通煙道打開，柴油機(jī)排氣經(jīng)旁通煙道排出，停止余熱鍋止運行；

第三區(qū)段為有機(jī)工質(zhì)發(fā)電單元運行區(qū)段，在柴油機(jī)加速過程中當(dāng)轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值n2時，有機(jī)工質(zhì)汽輪機(jī)啟動；在柴油機(jī)降速階段當(dāng)轉(zhuǎn)速低于設(shè)定值n7時，有機(jī)工質(zhì)汽輪機(jī)停止運行；

第四區(qū)段為汽輪機(jī)發(fā)電單元運行區(qū)段，在柴油機(jī)加速過程中當(dāng)轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值n3時，汽輪機(jī)發(fā)電單元啟動；在柴油機(jī)轉(zhuǎn)降速階段當(dāng)轉(zhuǎn)速低于設(shè)定值n6時，汽輪機(jī)停止運行；

第五區(qū)段為動力渦輪發(fā)電單元運行區(qū)段，在柴油機(jī)加速過程中當(dāng)轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值n4時，動力渦輪啟動；在柴油機(jī)轉(zhuǎn)降速階段當(dāng)轉(zhuǎn)速低于設(shè)定值n5時，動力渦輪停止運行。

本發(fā)明還可以包括：

1、機(jī)工質(zhì)汽輪機(jī)啟動后，開始啟動預(yù)熱和暖機(jī)過程，當(dāng)有機(jī)工質(zhì)汽輪機(jī)的進(jìn)口熱水溫度達(dá)到設(shè)定溫度值Tw1時，有機(jī)工質(zhì)汽輪機(jī)開始發(fā)電。

2、汽輪機(jī)啟動后，開始啟動沖轉(zhuǎn)和暖機(jī)過程，當(dāng)汽輪機(jī)的進(jìn)口蒸汽溫度達(dá)到設(shè)定溫度值Ts1時，汽輪機(jī)開始發(fā)電。

3、動力渦輪啟動后，開始啟動沖轉(zhuǎn)和暖機(jī)過程，當(dāng)動力渦輪的進(jìn)口廢氣壓力達(dá)到設(shè)定壓力值Pe1時，動力渦輪開始發(fā)電。

4、設(shè)定值n8低于設(shè)定值n1，設(shè)定值n7低于設(shè)定值n2，設(shè)定值n6低于設(shè)定值n3，設(shè)定值n5低于設(shè)定值n4。

本發(fā)明的優(yōu)勢在于：

(1)采用了柴油機(jī)轉(zhuǎn)速作為船舶柴油機(jī)余熱回收利用的余熱鍋爐、動力渦輪發(fā)電單元、汽輪機(jī)發(fā)電單元及有機(jī)工質(zhì)發(fā)電單元運行控制參數(shù)，實現(xiàn)方式簡單、高效；

(2)采用分區(qū)段控制方式，可以根據(jù)柴油機(jī)運行在不同轉(zhuǎn)速區(qū)段時的廢氣參數(shù)采用不同的利用措施，提高余熱回收利用效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明余熱綜合回收系統(tǒng)組成原理圖；

圖2為本發(fā)明余熱綜合回收系統(tǒng)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(jī)工質(zhì)汽輪機(jī)控制邏輯圖；圖3c汽輪機(jī)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(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述：

結(jié)合圖1-3，本發(fā)明所提出的基于轉(zhuǎn)速的船舶低速柴油機(jī)余熱利用系統(tǒng)控制方法是根據(jù)定距槳推進(jìn)的船舶低速柴油機(jī)不同轉(zhuǎn)速下排氣余熱品質(zhì)不同的特點，采用不同柴油機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)段利用不同回收手段的分區(qū)段控制方式。

主要由以下幾部分組成：回收船舶低速柴油機(jī)排氣余熱的余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(fā)電單元及其控制裝置、利用余熱鍋爐蒸汽來做功的汽輪機(jī)發(fā)電單元及其控制裝置、利用低品質(zhì)能量做功的有機(jī)工質(zhì)發(fā)電單元及其控制裝置以及協(xié)調(diào)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(jù)船舶低速柴油機(jī)轉(zhuǎn)速分別輸出啟動或停車控制信號給余熱鍋爐控制裝置、有機(jī)工質(zhì)發(fā)電單元控制裝置、汽輪機(jī)發(fā)電單元控制裝置和動力渦輪發(fā)電單元控制裝置以實現(xiàn)相應(yīng)設(shè)備的啟動與停車控制。

下面結(jié)合附圖1，對本船舶低速柴油機(jī)余熱綜合回收系統(tǒng)做進(jìn)一步的描述：

所述的船舶低速柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)組成包括余熱鍋爐、汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)單元、動力渦輪發(fā)電單元、有機(jī)工質(zhì)汽輪發(fā)電機(jī)單元及控制系統(tǒng)組成。

所述的控制系統(tǒng)包括余熱鍋爐控制裝置、有機(jī)工質(zhì)發(fā)電單元控制裝置、汽輪機(jī)發(fā)電單元控制裝置、動力渦輪發(fā)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(jù)安裝在柴油機(jī)飛輪齒盤附近的轉(zhuǎn)速傳感器采集柴油機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速信號，并根據(jù)此柴油機(jī)轉(zhuǎn)速分區(qū)段控制余熱鍋爐、有機(jī)工質(zhì)發(fā)電單元、汽輪機(jī)發(fā)電單元和動力渦輪發(fā)電單元，下面結(jié)合附圖1、2說明具體的區(qū)段定義以及實施方式：

第一區(qū)段為柴油機(jī)啟動與空載區(qū)段，在柴油機(jī)啟動后轉(zhuǎn)速小于設(shè)定值n1時，或者降速后轉(zhuǎn)速低于設(shè)定值n8余熱綜合回收系統(tǒng)不工作，柴油機(jī)廢氣由旁通煙道排出；

第二區(qū)段為鍋爐工作區(qū)段，在柴油機(jī)升速階段當(dāng)轉(zhuǎn)速超過第一個設(shè)定值n1時，余熱鍋爐發(fā)電單元控制裝置關(guān)閉旁通煙道啟動余熱鍋爐，同時爐水循環(huán)系統(tǒng)工作，柴油機(jī)排氣經(jīng)余熱鍋爐對爐水進(jìn)行加熱，排氣依次流經(jīng)余熱鍋爐各段換熱器后，由余熱鍋爐出口煙道排入大氣；在柴油機(jī)降速階段當(dāng)轉(zhuǎn)速低于設(shè)定值n8時，余熱鍋爐發(fā)電單元控制裝置關(guān)閉余熱鍋爐并打開旁通煙道。

第三區(qū)段為有機(jī)工質(zhì)發(fā)電單元運行區(qū)段，在柴油機(jī)升速階段當(dāng)轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值n2，余熱回收控制系統(tǒng)的能量管理裝置輸出有機(jī)工質(zhì)啟動控制信號，有機(jī)工質(zhì)發(fā)電單元開始啟動進(jìn)入預(yù)熱、暖機(jī)流程；當(dāng)爐水溫度超過設(shè)定溫度值Tw1時，有機(jī)工質(zhì)發(fā)電單元控制裝置啟動有機(jī)工質(zhì)發(fā)電單元，余熱鍋爐熱水通過有機(jī)工質(zhì)蒸發(fā)器的換熱使有機(jī)工質(zhì)蒸發(fā)并推動有機(jī)工質(zhì)發(fā)電機(jī)機(jī)組做功；在柴油機(jī)降速階段當(dāng)轉(zhuǎn)速低于設(shè)定值n7或當(dāng)爐水溫度低于設(shè)定溫度值Tw2時，有機(jī)工質(zhì)發(fā)電單元控制裝置關(guān)閉有機(jī)工質(zhì)發(fā)電單元停止發(fā)電。

第四區(qū)段汽輪機(jī)發(fā)電單元運行區(qū)段，在柴油機(jī)升速階段當(dāng)轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值n3時，余熱回收控制系統(tǒng)的能量管理裝置輸出汽輪機(jī)啟動控制信號，汽輪機(jī)發(fā)電單元開始啟動進(jìn)入沖轉(zhuǎn)、暖機(jī)流程；當(dāng)余熱鍋爐蒸汽溫度超過設(shè)定值Ts1時，汽輪機(jī)發(fā)電單元控制裝置啟動汽輪機(jī)發(fā)電單元，高溫高壓蒸汽通過蒸汽輪機(jī)推動發(fā)電機(jī)發(fā)電做功。在柴油機(jī)降速階段當(dāng)轉(zhuǎn)速低于設(shè)定值n6或當(dāng)余熱鍋爐蒸汽溫度低于設(shè)定值Ts2時，汽輪機(jī)發(fā)電單元控制裝置關(guān)閉汽輪機(jī)發(fā)電單元停止發(fā)電。

第五區(qū)段動力渦輪發(fā)電單元運行區(qū)段，在柴油機(jī)升速階段當(dāng)轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值n4時，余熱回收控制系統(tǒng)的能量管理裝置輸出動力渦輪啟動控制信號，動力渦輪發(fā)電單元開始啟動進(jìn)入沖轉(zhuǎn)、暖機(jī)流程；當(dāng)旁通壓力超過設(shè)定壓力值Pe1時，動力渦輪發(fā)電單元控制裝置啟動動力渦輪發(fā)電單元，柴油機(jī)的部分排氣直接通過動力渦輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)化為電能供船舶使用，做功后的廢氣與渦輪增壓器排氣混合后進(jìn)入余熱鍋爐煙道。在柴油機(jī)降速階段當(dāng)轉(zhuǎn)速低于設(shè)定值n5或當(dāng)旁通壓力低于設(shè)定壓力值Pe2時，動力渦輪發(fā)電單元控制裝置關(guān)閉動力渦輪發(fā)電單元停止發(fā)電。

結(jié)合圖3a-3d說明能量管理裝置中具體的控制功能邏輯關(guān)系:

所述的能量管理裝置通過檢測柴油機(jī)轉(zhuǎn)速計算推進(jìn)功率，即主機(jī)功率，并根據(jù)柴油機(jī)功率分區(qū)段控制余熱鍋爐、有機(jī)工質(zhì)發(fā)電單元、汽輪機(jī)發(fā)電單元和動力渦輪發(fā)電單元。首先，能量管理裝置判斷余熱鍋爐是否啟動，如果余熱鍋爐已經(jīng)啟動且主機(jī)轉(zhuǎn)速低于n8，則能量管理裝置輸出余熱鍋爐停止控制信號；若余熱鍋爐沒有啟動且主機(jī)轉(zhuǎn)速高于n1，則能量管理裝置輸出余熱鍋爐啟動控制信號。

有機(jī)工質(zhì)發(fā)電單元控制裝置判斷有機(jī)工質(zhì)汽輪機(jī)是否啟動，如果有機(jī)工質(zhì)汽輪機(jī)正在運行且主機(jī)轉(zhuǎn)速低于n7或爐水水溫低于Tw2，則有機(jī)工質(zhì)發(fā)電單元控制裝置輸出有機(jī)工質(zhì)汽輪機(jī)停止控制信號；如果有機(jī)工質(zhì)汽輪機(jī)沒有啟動且主機(jī)轉(zhuǎn)速高于n2，則有機(jī)工質(zhì)發(fā)電單元控制裝置輸出有機(jī)工質(zhì)汽輪機(jī)啟動控制信號；如果有機(jī)工質(zhì)汽輪機(jī)正在運行，且爐水水溫超過Tw1，則有機(jī)工質(zhì)汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電運行，否則有機(jī)工質(zhì)汽輪機(jī)進(jìn)行暖機(jī)運行。

汽輪機(jī)發(fā)電單元控制裝置判斷汽輪機(jī)是否啟動，如果汽輪機(jī)已經(jīng)啟動且主機(jī)轉(zhuǎn)速低于n6或蒸汽溫度低于Ts2，則汽輪機(jī)發(fā)電單元控制裝置輸出汽輪機(jī)停止控制信號；如果汽輪機(jī)沒有啟動且主機(jī)轉(zhuǎn)速高于n3，則汽輪機(jī)發(fā)電單元控制裝置輸出汽輪機(jī)啟動控制信號；如果汽輪機(jī)正在運行，且蒸汽溫度超過Ts1，則汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電運行，否則汽輪機(jī)進(jìn)行暖機(jī)運行。

動力渦輪發(fā)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(jīng)啟動且主機(jī)轉(zhuǎn)速低于n5或排氣壓力低于Pe2，則動力渦輪發(fā)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(jī)轉(zhuǎn)速高于n4，則動力渦輪發(fā)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(dāng)排氣壓力超過Pe1，則動力渦輪進(jìn)行發(fā)電運行，否則動力渦輪進(jìn)行暖機(jī)運行。