賀敏敏

【摘要】船用燃油粘度控制模塊為燃油供給系統(tǒng)的核心部件。在這套系統(tǒng)中，最為關(guān)鍵的是對燃油粘度的控制。本文提出了供油系統(tǒng)的重要組成部分，分析粘度傳感器的工作原理，并以一款MAN-B&W二沖程主機(jī)為對象，根據(jù)PID控制原理對系統(tǒng)中的粘度控制模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保燃油粘度在合適的范圍。

【關(guān)鍵詞】船舶；燃油供給系統(tǒng)；粘度控制

引言

在大中型運(yùn)輸船上，主柴油機(jī)及發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)多使用重油（Heavy Fuel Oil）作為原料，而重油由于雜質(zhì)多、粘度大，不能直接進(jìn)入柴油機(jī)。而且出于成本考慮，所使用的重油品質(zhì)越來越低，HFO （600cst@50deg）正逐漸替代HFO（380cst@50deg）。重油粘度高，水分雜質(zhì)多，因此，需要配置一套供油系統(tǒng)，將重油分離、加熱，以滿足柴油機(jī)的對燃油品質(zhì)的要求。重油在進(jìn)入柴油機(jī)前，需通過分油機(jī)凈化去雜質(zhì)，此后再加熱至符合柴油機(jī)要求的粘度。通常，主機(jī)燃油噴射粘度要求在12～14cst。不同品質(zhì)的燃油粘度與溫度的關(guān)系，可見下圖1。由此可見，燃油粘度與溫度存在特定關(guān)系，可以通過調(diào)節(jié)燃油溫度，達(dá)到控制燃油粘度的目的。由于各港口油品的不同，同時(shí)在燃油加熱過程中會存在一定的波動(dòng)，直接監(jiān)控溫度會使得燃油進(jìn)機(jī)粘度失真，因此需要監(jiān)測進(jìn)機(jī)粘度，并將結(jié)果反饋至燃油加熱調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。這一套粘度控制系統(tǒng)，也是船舶燃油供給系統(tǒng)的核心。

1、燃油供給系統(tǒng)

燃油供給系統(tǒng)通常為燃油日用柜至主機(jī)燃油進(jìn)口的一套管路。由燃油輸送泵、自動(dòng)反沖洗過濾器、混油柜、燃油循環(huán)泵、燃油加熱器及粘度控制模塊等組成。該系統(tǒng)主要是對日用柜中的燃油進(jìn)行最終處理，以滿足主機(jī)的噴油粘度、壓力及雜質(zhì)的要求?？荚撓到y(tǒng)對主機(jī)運(yùn)行的重要性，其核心裝置均設(shè)置有備用設(shè)備。如，輸送泵、過濾器、循環(huán)泵、加熱器等均設(shè)置有一用一備。常見的燃油供給系統(tǒng)如圖2所示

其中A為日用柜燃油入口，在經(jīng)過燃油輸送泵組后，通過自動(dòng)反沖洗濾器，該濾器的需完全滿足主機(jī)對燃油雜質(zhì)的要求，否則會引起噴油嘴堵塞等嚴(yán)重后果。此后燃油與主機(jī)回油在混油柜中混合沉淀后，進(jìn)入循環(huán)泵加壓后進(jìn)入燃油加熱器。加熱至適當(dāng)?shù)臏囟群?，從D出口通過管路進(jìn)入主機(jī)燃油進(jìn)口。

2、粘度控制及反饋

扭轉(zhuǎn)振動(dòng)粘度計(jì)ViscoSense2是針對燃油粘度進(jìn)行精確測量并調(diào)控的設(shè)施。它與粘度及溫度測量傳感器、傳送電纜及界面盒一同構(gòu)成了粘度測量反饋系統(tǒng)。粘度傳感器由不銹鋼制成，探頭及流管經(jīng)過特氟龍表面特殊涂層處理。傳感器探頭部件如圖3所示。

探頭內(nèi)放置有兩套壓電陶瓷元件，一套驅(qū)動(dòng)一根會可在一定范圍內(nèi)扭轉(zhuǎn)的小短管，另一套通過反饋信號測量和控制小短管的扭轉(zhuǎn)角度。當(dāng)燃油流經(jīng)傳感器時(shí)，小短管會對不同的粘度做出不同的變化，觸發(fā)出相應(yīng)的電子信號，經(jīng)電纜傳送至界面盒。界面盒內(nèi)安放有電子裝置，處理來自傳感器的信號。信號處理完成后將4-20mA電流信號輸出至燃油加熱裝置，控制加熱介質(zhì)的流量。由于燃油溫度與粘度的變化之間存在一定的滯后及波動(dòng)，一般會將該系統(tǒng)設(shè)置成控制反饋回路。目前，燃油粘度控制多采用PID（Proportional-Integral-Differential）控制。其典型控制回路如圖4所示。

設(shè)定值r（t）和實(shí)際輸出值c（t）構(gòu)成控制偏差e（t）。即，輸入：控制偏差e（t）=r（t）-c（t）；輸出：偏差比例（P）、積分（I）和微分（D）的線性組合。其中：KC為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。對KC的選擇，如果對象較穩(wěn)定，即放大系數(shù)較小，時(shí)間常數(shù)處于中位，滯后時(shí)間較小的，其比例系數(shù)范圍可選擇小一些，這樣可以提高系統(tǒng)的靈敏度，是反應(yīng)速度加快。反之，則應(yīng)該選擇較大的，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。通常，對粘度調(diào)節(jié)，KC為20%～60%。積分調(diào)節(jié)建立在比例調(diào)節(jié)之后，積分動(dòng)作的目的是消除系統(tǒng)殘差，因此對積分時(shí)間的設(shè)置同樣需要考慮對象及系統(tǒng)穩(wěn)定性。微分調(diào)節(jié)則是根據(jù)偏差信號的變化進(jìn)行動(dòng)作，主要是克服傳遞滯后和容量滯后。根據(jù)燃油加熱特性，積分時(shí)間跟微分時(shí)間范圍可定為30s～90s。利用PID控制原理，可方便的建立燃油溫度與粘度間的調(diào)節(jié)關(guān)系。對于各系數(shù)的選擇需要按照燃油粘溫特性，并根據(jù)具體船舶所使用的燃油進(jìn)行調(diào)整。因此，在對每一船型的燃油粘度控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮每船的實(shí)際情況，包括主機(jī)功率、噴油粘度、燃油消耗率、燃油品質(zhì)、加熱介質(zhì)等?，F(xiàn)以一大型油船為例，其所配主機(jī)為MAN-B&W 7G80ME-C9.2型二沖程柴油機(jī)。最大輸出功率24，500kW，額定油耗162.7g/kWh+6%，燃油型號HFO 600cSt@50deg，燃油噴射粘度12cst，最大噴射溫度146℃，加熱介質(zhì)為蒸汽（0.7MPa），日用柜溫度～80℃，混油柜溫度～117℃，回油溫度損耗～3℃。對比以往同類船舶，該船使用的燃油粘度較高，需要加熱至較高溫度才能滿足主機(jī)噴油要求。通過對PID模擬控制器的測試試驗(yàn)，該船的比例系數(shù)選擇25%，積分時(shí)間60s，微分時(shí)間70s。

3、加熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)模塊

粘度傳感器得到信號，并在界面盒內(nèi)處理完畢后，將輸出電信號至加熱系統(tǒng)，調(diào)節(jié)加熱介質(zhì)的流量，最終實(shí)現(xiàn)粘度控制。按照傳熱學(xué)熱量動(dòng)態(tài)分析，加熱器中的蒸汽及燃油換熱屬于強(qiáng)制對流換熱，其換熱系數(shù)及熱效率可由加熱器廠家提供。由此可得出蒸汽流量與燃油溫升間的關(guān)系。然而，重油的加熱后的粘度不僅與加熱流量及時(shí)間有關(guān)，同時(shí)還與壓力成線性關(guān)系（即胡可定律σ=Mε）。因此，在控制模塊的設(shè)計(jì)中，其反饋因素還需考慮燃油壓力。對單一型船舶，其燃油壓力由泵組提供，一旦泵組確定后，燃油壓力變動(dòng)范圍有限，為簡化操控，通常將燃油壓力作為一定量，而蒸汽耗量作為變量，對燃油加熱溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。加熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)模塊通常由電纜、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)頭及控制閥閥體組成。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元根據(jù)接收信號調(diào)節(jié)閥芯開啟高度或開啟角度，以此調(diào)節(jié)進(jìn)入燃油加熱器的蒸汽流量，最終實(shí)現(xiàn)燃油粘度的自動(dòng)控制。

4、結(jié)束語

本文闡述了船用燃油供給系統(tǒng)中粘度控制原理。通過對燃油供給系統(tǒng)的介紹，解釋了粘度控制對船舶主機(jī)運(yùn)行的重要性，并采用工業(yè)上成熟的PID控制原理對粘度控制反饋系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)針對一型船舶進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)了主機(jī)燃油進(jìn)機(jī)粘度的自動(dòng)控制。