船舶機(jī)艙淡水溫度自動控制系統(tǒng)限位設(shè)計

趙輔國，董慶豐

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214400)

0 引言

2010年9月3日，在執(zhí)行“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星的測量任務(wù)中，“遠(yuǎn)望”六號航天測量船運行的2臺發(fā)電柴油機(jī)忽然出現(xiàn)淡水溫度偏高報警，淡水溫度并有不斷上升的趨勢。經(jīng)過輪機(jī)人員檢查發(fā)現(xiàn)，冷卻發(fā)電柴油機(jī)淡水的1號中央冷卻器淡水溫度自動控制系統(tǒng)的三通閥處于完全旁通位置，淡水不經(jīng)過中央冷卻器在系統(tǒng)循環(huán)，致使發(fā)電柴油機(jī)淡水溫度不斷升高。如果淡水溫度繼續(xù)升高超過設(shè)定值時，發(fā)電柴油機(jī)就會自動停機(jī)而導(dǎo)致全船停電，嚴(yán)重影響著船舶航行和試驗任務(wù)的安全。本文基于此故障介紹系統(tǒng)原理，分析故障機(jī)理，意在設(shè)計淡水自動限位裝置，以保證船舶動力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

1 船舶淡水溫度自動控制系統(tǒng)

機(jī)艙大部分運行的設(shè)備都需要淡水冷卻，因此把淡水溫度保持在設(shè)定值，對機(jī)艙設(shè)備安全、可靠和經(jīng)濟(jì)的運行十分重要。大部分船舶對淡水溫度的控制方法是，把冷卻設(shè)備后的淡水分成2部分:一部分淡水通過中央冷卻器，用海水冷卻淡水，使淡水溫度降低;另一部分淡水不通過中央冷卻器，與經(jīng)過海水冷卻的淡水混合，繼續(xù)冷卻設(shè)備。如果淡水溫度高于設(shè)定值，則增大經(jīng)過中央冷卻器的淡水量;如果淡水溫度低于設(shè)定值，則減少經(jīng)過中央冷卻器的淡水量，使淡水溫度升高到設(shè)定值。

淡水溫度自動控制系統(tǒng)由中央冷卻器、測溫元件(感溫包)、調(diào)節(jié)器、定位器和三通調(diào)節(jié)閥等基本元件構(gòu)成(見圖1)。測溫元件安裝在設(shè)備的淡水進(jìn)機(jī)管路上，測溫元件的輸出信號與淡水進(jìn)口溫度成正比例變化。測溫元件輸出信號送至調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器把淡水溫度設(shè)定值與測量值相比較得到偏差，然后按照程序輸出1個控制信號送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而改變?nèi)ㄕ{(diào)節(jié)閥的開度，把淡水溫度控制在設(shè)定值。

圖1 氣缸冷卻水溫度控制原理Fig.1 Cylinder cooling water temperature control principle

2 NAKAKITA型PID調(diào)節(jié)器工作原理

2.1 比例積分微分作用規(guī)律

比例積分微分作用規(guī)律就是把比例、積分、微分作用組合在一起。在這種作用規(guī)律中，仍以比例作用為主，吸收積分作用能消除靜態(tài)偏差，微分作用能實現(xiàn)超前控制的優(yōu)點，是目前最完美的作用規(guī)律。用這種作用規(guī)律制成的調(diào)節(jié)器，叫做比例積分微分調(diào)節(jié)器，或叫PID調(diào)節(jié)器。PID作用規(guī)律輸出與輸入之間的關(guān)系為:

式中:K為比例積分微分調(diào)節(jié)器的比例作用放大倍數(shù)，在實際系統(tǒng)中，仍然是用PB來衡量比例作用的強(qiáng)弱;Ti為積分時間;Td為微分時間。

圖2顯示出了比例積分微分作用規(guī)律的輸出特性。在給比例積分微分調(diào)節(jié)器施加1個階躍的偏差輸入信號后，它首先有1個較大的比例加微分的階躍輸出，然后微分輸出逐漸消失。當(dāng)微分輸出消失接近到比例輸出時，積分輸出才不斷顯露出來，使其輸出不斷增加。在圖中，OA是比例輸出，AB是微分的階躍輸出。在比例積分微分調(diào)節(jié)器中，如果把PB，Ti和Td這3個參數(shù)整定的合適，控制系統(tǒng)就能達(dá)到最佳的動態(tài)過程品質(zhì)。

圖2 PID調(diào)節(jié)器輸出特性Fig.2 PID regulator exportation characteristic

2.2 PID調(diào)節(jié)器工作原理

在淡水溫度自動控制系統(tǒng)中常用的調(diào)節(jié)器一般是NAKAKITA型氣動調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器是按照位移平衡原理工作的，能實現(xiàn)PID控制作用，其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

當(dāng)?shù)隹跍囟鹊臏y量值與設(shè)定值相等時，調(diào)節(jié)器處于平衡狀態(tài)，黑色測量指針與紅色給定指針重合，這時，噴嘴與擋板之間的開度保持不變，調(diào)節(jié)器輸出為某一穩(wěn)定值。此時比例波紋管、積分波紋管、微分氣室及積分氣室的壓力均相等，且等于調(diào)節(jié)器的輸出壓力。

圖3 NAKAKITA型PID調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)原理圖Fig.3 NAKAKITA PID regulator structure principle

當(dāng)系統(tǒng)受到擾動時，淡水出口溫度的測量值就會偏離設(shè)定值而出現(xiàn)偏差，假設(shè)溫度低于設(shè)定值，則溫包輸出一個與溫度成比例減小的氣壓信號，經(jīng)輸入管路進(jìn)入彈簧管，彈簧管因壓力減小而收縮，使測量連桿帶動HED桿和HEM以E為軸順時針轉(zhuǎn)動。它在使溫度指示值減小的同時使AC桿繞C軸順時針轉(zhuǎn)動，BO'桿(傳動桿)左移，比例桿以O(shè)為支點逆時針轉(zhuǎn)動，使擋板靠近噴嘴，噴嘴背壓升高，經(jīng)功率放大器放大后使調(diào)節(jié)器的輸出壓力升高。這個升高的輸出壓力信號，一路去氣動三通調(diào)節(jié)閥，關(guān)小調(diào)節(jié)閥使淡水溫度升高;另一路經(jīng)反饋環(huán)節(jié)，實現(xiàn)PID控制作用。調(diào)節(jié)器的反饋環(huán)節(jié)是由比例波紋管、微分氣室、微分閥、積分氣室、積分閥和積分波紋管等組成。調(diào)節(jié)器輸出的壓力信號首先進(jìn)入微分波紋管。因為波紋管內(nèi)壓力大于微分氣室的壓力，微分波紋管伸長，擠壓微分氣室，使微分氣室和比例波紋管內(nèi)的壓力瞬間增大，這時比例桿以傳動桿B點為支點略有上移，使擋板略微離開噴嘴，這一負(fù)反饋作用很微弱，所以調(diào)節(jié)器的輸出壓力便大大升高。隨著時間的增加，調(diào)節(jié)器的輸出壓力不斷經(jīng)微分閥向微分氣室和比例波紋管充氣，使比例波紋管內(nèi)壓力不斷增大，負(fù)反饋作用不斷加強(qiáng)，擋板又逐漸離開噴嘴。當(dāng)測量信號使擋板靠近噴嘴的位移量與負(fù)反饋信號使擋板離開噴嘴的位移量相等時，調(diào)節(jié)器達(dá)到暫時穩(wěn)定。積分作用是通過正反饋實現(xiàn)的，調(diào)節(jié)器輸出的壓力信號經(jīng)微分閥向微分氣室充氣的同時，經(jīng)積分閥向積分氣室充氣，使積分波紋管內(nèi)壓力不斷增大，擋板又逐漸靠近噴嘴，調(diào)節(jié)器輸出壓力又逐漸增大。當(dāng)?shù)疁囟扰c設(shè)定值相等時，調(diào)節(jié)器又重新處于平衡狀態(tài)，測量指針與給定指針又相重合。如果淡水出口溫度大于設(shè)定值，調(diào)節(jié)器的動作方向與上述相反。

3 NS739氣缸式三通閥定位器工作原理

NS739型定位器通過氣缸來實現(xiàn)定位控制，定位準(zhǔn)確穩(wěn)定，輸入由PID調(diào)節(jié)器輸出的0.02～0.1 MPa的氣壓信號，氣壓信號控制閥芯動作使0.2 MPa的氣源與氣缸連通，使其動作來控制三通閥的開度，其工作原理如圖4所示。

調(diào)節(jié)器輸出的控制信號經(jīng)過管路進(jìn)入輸入腔A，在輸入腔A中通過壓力的變化使擋板B移動，以此來改變噴嘴與擋板的距離，使噴嘴的背壓改變。若輸入1個增加的控制信號，則噴嘴與擋板的距離減小，使噴嘴的背壓升高，導(dǎo)致隔板C側(cè)的壓力大于隔板D，閥芯向左移動，壓縮空氣通過左側(cè)的氣道進(jìn)入氣缸。氣缸中的空氣經(jīng)過右側(cè)氣道排出使活塞向右移動來改變?nèi)ㄩy的開度，同時也導(dǎo)致反饋彈簧移動，當(dāng)反饋彈簧的作用力與輸入腔的氣壓平衡時活塞停止移動。若控制信號降低，則定位器動作與上述相反。

圖4 NS739型氣缸定位器原理Fig.4 NS739 cylinder position machine principle

4 影響淡水溫度自動控制系統(tǒng)的因素

4.1 PID調(diào)節(jié)器故障

調(diào)節(jié)器長時間使用后由于氣體中的灰塵，外界的震動等原因會導(dǎo)致以下故障:

1)當(dāng)測量的輸入值改變時，輸出壓力不增加。導(dǎo)致此故障的原因有:放大器內(nèi)的氣孔堵塞;氣體管路出口側(cè)產(chǎn)生裂縫而泄漏;管路焊接處泄漏;調(diào)節(jié)器內(nèi)部環(huán)節(jié)連接不良甚至松落;調(diào)節(jié)器內(nèi)部管路泄漏;測量部分的零件出現(xiàn)損壞等。

2)當(dāng)測量的輸入值改變時，輸出壓力不減少。導(dǎo)致此故障的原因有:調(diào)節(jié)器的噴嘴堵塞;放大器里的氣道堵塞;調(diào)節(jié)器內(nèi)部的機(jī)械環(huán)節(jié)松動;調(diào)節(jié)器內(nèi)部管路泄漏。

4.2 三通閥定位器故障

長時間使用后由于氣體中的水分和雜質(zhì)，以及外界的震動等原因會導(dǎo)致以下故障:

1)當(dāng)氣壓信號增加或減少時，氣缸不動作，此故障是由氣缸的進(jìn)排氣孔堵塞導(dǎo)致的;

2)氣缸間歇地對氣壓信號做出反應(yīng)，這是由灰塵等雜質(zhì)阻塞了閥芯的移動或氣缸的進(jìn)排氣孔堵塞導(dǎo)致的;

3)當(dāng)氣壓信號超過20 kPa時，氣缸不動作或氣壓信號低于20 kPa時氣缸動作，此故障的原因是調(diào)零螺母調(diào)節(jié)不正確;

4)氣缸的動作與氣壓信號(20～100 kPa)的改變不相應(yīng)，故障原因為彈簧的跨度調(diào)節(jié)不正確;

5)氣壓信號增加時，氣缸不動作，使三通閥始終保持在進(jìn)冷卻器一端全關(guān)，而旁通冷卻器一端全開的位置，導(dǎo)致淡水溫度急劇升高。

5 淡水溫度自動控制系統(tǒng)限位設(shè)計方案

上面詳細(xì)列舉了影響淡水溫度自動控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行的故障隱患，但是在船舶實際使用過程中，只有三通閥定位器故障中第5個問題時有發(fā)生，其他問題從沒有出現(xiàn)過。而這個故障的機(jī)理是由于定位器中的氣道或噴嘴堵塞使閥芯始終保持在一個位置，導(dǎo)致氣缸一側(cè)始終與氣源連通，使定位器的控制作用失靈。三通閥始終保持在進(jìn)冷卻器一端全關(guān)，而旁通冷卻器一端全開的位置，導(dǎo)致淡水溫度急劇升高。因為當(dāng)今大部分船舶采用主柴油機(jī)以及發(fā)電柴油機(jī)由淡水冷卻的做法，而淡水溫度正是由淡水溫度自動控制系統(tǒng)控制，一旦該系統(tǒng)出現(xiàn)問題，發(fā)現(xiàn)不及時就會使全船停電，甚至導(dǎo)致主機(jī)停車的嚴(yán)重后果，嚴(yán)重影響著船舶航行的安全。所以為了避免出現(xiàn)此類嚴(yán)重后果，針對此故障設(shè)計了系統(tǒng)限位裝置，在定位器失靈時及時切斷氣源防止定位器氣缸進(jìn)一步動作，以達(dá)到限位的效果，防止淡水溫度進(jìn)一步升高。

5.1 方案與原理

淡水溫度自動控制系統(tǒng)中三通閥在進(jìn)冷卻器以及旁通冷卻器2段管路上都安裝有開度指示，每段管路開度由小到大分為5級，旁通冷卻器管路開度用“Bypass”表示，進(jìn)冷卻器管路開度用“Cooler”表示。如圖5所示，在氣源與定位器之間安裝1個機(jī)械兩位三通閥，在旁通冷卻器管路的開度指示器“Bypass 2”位置與機(jī)械兩位三通閥之間安裝1個機(jī)械傳動裝置，在旁通冷卻器管路開度超過“Bypass 2”的位置時，開度刻度指示桿推動機(jī)械傳動裝置動作，從而激發(fā)機(jī)械兩位三通閥閥芯上行，切斷定位器氣源，阻止旁通冷卻器管路開度繼續(xù)增大，避免淡水溫度繼續(xù)升高，達(dá)到限位的功能。

5.2 方案可行性分析

1)此方案實現(xiàn)了淡水溫度自動控制系統(tǒng)發(fā)生故障失去控制時的自動限位功能，避免了因系統(tǒng)故障而使淡水溫度急劇升高的嚴(yán)重后果。

圖5 設(shè)計方案Fig.5 Design project

2)此方案中使用的機(jī)械兩位三通閥及機(jī)械傳動裝置結(jié)構(gòu)簡單，造價低，維護(hù)容易，安全可靠。

3)此方案在改造過程中需要改動的設(shè)備少，工程量較低，對系統(tǒng)無其他不良影響，可行性高。

5.3 方案實踐驗證

通過在“遠(yuǎn)望”六號船實踐驗證，機(jī)艙淡水冷卻設(shè)備最大功率(主機(jī)滿負(fù)荷運行)時，把淡水溫度設(shè)定值設(shè)為船舶冷卻淡水常用溫度35℃，三通閥旁通冷卻器管路不同開度時，記錄對應(yīng)淡水的實際溫度(見表1)。

表1 三通閥開度對淡水實際溫度的影響Tab.1 Triple valve opening impact on the true temperature of freshwater

由表1可以看出，冷卻設(shè)備最大功率的情況下，旁通冷卻器管路開度達(dá)到Bypass 1時，淡水溫度可以維持在設(shè)定值35℃;開度達(dá)到Bypass 1與開度達(dá)到Bypass 2之間時，淡水實際溫度高于設(shè)定值35℃，但小于40℃;開度達(dá)到Bypass 2時，淡水實際溫度可以維持在40℃;當(dāng)開度大于Bypass 2時，淡水實際溫度就開始高于40℃;一般情況下，船舶低溫冷卻淡水的溫度范圍基本都為35～40℃。機(jī)艙淡水冷卻設(shè)備最大功率時，冷卻淡水與設(shè)備之間的交換熱量最大，旁通冷卻器管路開度的大小對淡水實際溫度的影響也最大。所以選擇在Bypass 2位置激發(fā)機(jī)械傳動裝置，在任何設(shè)備功率的情況下，即使系統(tǒng)出現(xiàn)故障，也可以有效避免淡水溫度超過40℃，從而可以保證淡水冷卻設(shè)備的穩(wěn)定運行。

6 結(jié)語

機(jī)艙淡水溫度自動控制系統(tǒng)的工作狀況切實影響著船舶動力系統(tǒng)以及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，因此確保該系統(tǒng)安全可靠的運行尤為重要。本文通過加裝機(jī)械傳動裝置以及兩位三通閥的方法，提出了一個相對簡單的解決方案。該方案提高了機(jī)艙淡水溫度自動控制系統(tǒng)的安全性和可靠性，有效保證了船舶動力設(shè)備的穩(wěn)定運行，為船舶更加安全的航行提供了切實可行的安全保障。

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