船舶柴油機余熱回收試驗臺測控系統設計及試驗研究

王 玉，羅 力，倪培永，喜冠南

（南通大學機械工程學院，江蘇 南通 226019）

1 引言

海運承載了全球90%以上的商品貿易貨運量，船舶作為其主要載體，存在能耗較大、熱浪費嚴重的現狀[1]。據統計，能耗占船舶營運總成本的比例，小型運輸船約為25%～30%，定期客貨船約為35%，散貨船約占50%，油船約為60%[2]。利用換熱器回收柴油機缸套水和尾氣的余熱，開發船舶柴油機余熱回收裝置可以降低船舶的運營成本，改善船員的生活質量。

國內外對船舶柴油機余熱回收技術已有許多研究。文獻[3]設計兩套余熱回收ORC系統，以凈輸出功為評價指標對系統性能進行分析。文獻[4]基于有機朗肯循環設計了柴油機尾氣余熱回收系統，研究得出ORC 凈功率隨著柴油機轉速的增加而增加。文獻[5]設計了應用于卡車發動機的雙循環余熱回收系統，結果表明發動機功率可提升（5.8～7.4）%。文獻[6]在船舶柴油機尾氣回收系統的低溫循環中使用R1234yf 為工質，提高了尾氣余熱利用效率。文獻[7]研究了冷卻水功耗對柴油機余熱回收效率的影響。文獻[8]分析了工質流量與柴油機排氣流量匹配關系對蒸發器傳熱特性的影響。文獻[9]搭建了柴油機尾氣余熱輔助NTP再生DPF 的試驗系統，探究低溫等離子體對無外加熱源的柴油機顆粒捕集器再生過程的影響。但是以上試驗臺測試過程中依賴實驗人員現場手動測量，難以對多通道數據進行連續采集，并作出自動控制響應。

針對上述問題，以T6138ZLCZU 型船舶柴油機驅動的余熱回收試驗臺為研究對象，基于STM32和LabVIEW設計了一套實時監測和自動控制一體化的測控系統，提出改進PI算法控制換熱器出口冷卻水溫度，實現數據監測、自動控制、數據保存和故障報警的功能。

2 試驗臺組成

船舶柴油機余熱回收試驗臺組成，如圖1所示。柴油機排出的高溫尾氣經過翅片式換熱器完成換熱，安裝在排氣口的離心風機用于減小柴油機出氣口背壓。循環水泵驅動冷卻水流經翅片式換熱器，升溫后的冷卻水為海水淡化裝置提供熱源。柴油機缸套水的熱量經板式換熱器傳遞給循環管路中的冷卻水，加熱后的冷卻水作為生活熱水供船員使用。變頻器根據微處理器的控制信號改變輸出頻率以調節冷卻水流量，使海水淡化裝置和生活熱水裝置穩定于設定工作溫度。在點a、b、c和d處安裝溫度傳感器獲取翅片式換熱器進出口的尾氣溫度和冷卻水溫度，在點f、g、i和h處安裝溫度傳感器獲取板式換熱器進出口的缸套水溫度和冷卻水溫度，在點e和點j處安裝液體流量計監測冷卻水流量。

圖1 試驗臺示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the Test Bench

3 試驗臺測控系統設計

3.1 測控系統硬件設計

船舶柴油機余熱回收試驗臺測控系統硬件包括測量和控制兩部分，硬件結構框圖，如圖2所示。

圖2 硬件結構框圖Fig.2 Diagram of Hardware Structure

測量系統硬件由STM32微處理器、傳感器、AD 模塊和RS-485通訊模塊組成，實現溫度和流量的實時獲取。為同時滿足氣體和液體兩種介質的溫度測量需求，系統采用德國賀利公司生產的PT100 熱電阻溫度傳感器，量程為（-60～420）℃，精度可達0.1℃。為減少管路彎折和變徑對流量測定的干擾，系統采用上海馳控公司生產的渦輪液體流量計，量程為（0～20m）3∕h，精度為1%F.S。傳感器采集的模擬量通過搭載16位寄存器的AD7656芯片轉換為數字量，在Modbus-RTU協議下經由SN75LBC184芯片驅動的RS-485總線傳送至微處理器。為完成多通道數據的實時高速采集、傳輸和處理，系統采用內置浮點計數器的STM32F103 ZET6微處理器為控制核心，其最高運行頻率可達72MHz[10-11]。

控制系統硬件由DA模塊、RS-232通訊模塊和變頻器組成，可在手動和自動兩種模式下遠程設定并調節水溫。為實現對流量控制指令的快速響應，系統采用內嵌AD 模塊的Sanki-670變頻器，輸出頻率加∕減速時間僅需5s。微處理器通過RS-232總線接收上位機發出的指令幀，對指令幀解碼后驅動DA模塊將數字量轉換為（4～20）mA模擬量，變頻器根據模擬量輸入改變循環泵的葉輪轉速以調節水流量。為實現對控制信號的快速響應，系統采用阿爾泰3158A 型8 路差分DA 模塊，最高可支持波特率在115200bps下的多點通訊。

3.2 測控系統軟件設計

LabVIEW 作為圖形化編程語言開發環境被廣泛使用[12]，系統基于LabVIEW開發上位機軟件，上位機界面，如圖3所示。

圖3 上位機界面Fig.3 Interface of the Upper Computer

上位機軟件主要包括數據采集、遠程控制、數據保存和故障報警四個功能模塊，上位機核心程序框圖，如圖4所示。

圖4 核心程序框圖Fig.4 Diagram of Core Program

數據采集模塊調用NI-VISA 工具包中的串口通訊功能，按標準Modbus格式將微處理器上傳的字符串解析為浮點型數據，前面板導入各通道數據并整合為簇刷新到波形圖表中，進而實時顯示各項參數的動態曲線。遠程控制模塊調用儀器I∕O 中的VISA寫入控件與變頻器建立通信，實驗人員通過前面板的虛擬調節旋鈕遠程調節變頻器的頻率。模塊置于獨立的循環事件結構中以保證頻率信號的無延遲檢測，并添加文本輸入窗口為實驗人員提供更精確的頻率設定方式。數據保存模塊調用LabSQL 工具箱內置的SQL Excute 函數將數據寫入指定路徑的Excel表格，同時調用Database Connectivity插件綜合保存和管理本地數據。故障報警模塊實時監測設備的工作狀態，當設備或通訊發生故障時彈出報警提示，并生成包含時間和事件的故障日志以供查閱。在前面板上設置一維布爾變量數組，故障的發生將引發對應LED 燈連續閃爍。列表框控件將時間、時間和設備名稱同步顯示，方便實驗人員快速查找故障源。

3.3 改進PI控制器設計

傳統增量式PI控制算法的表達式為：

式中：k—當前采樣點；e（k）—當前誤差；e（k-1）—前一次誤差；u（k）—系統輸出；kp—比例調節系數；ki—積分調節系數。

考慮到試驗臺測點溫度的時變性和流量調節的遲滯性，傳統增量式PI算法難以取得良好的控制效果，現對增量式PI算法作如下改進：系統檢測到當前溫度誤差值e（k）大于0.5℃時舍棄積分控制，由于流量與變頻器的頻率輸出呈正相關，在比例調節的作用下系統可使溫度當前值快速地逼近設定值，從而避免較長時間的誤差積累引起的劇烈超調。而在當前溫度誤差值e（k）小于0.5℃時引入積分控制，消除穩態誤差并提高溫度收斂階段的控制精度。同時，為了保證實驗過程中試驗臺始終處于安全工作狀態，需要考慮兩點：（1）當系統檢測到溫度T（k）超過安全值85℃時，立即指令變頻器以滿負荷工作使得溫度迅速回落到安全閾值；（2）當變頻器輸出頻率u（k）大于50Hz時，立即限制輸出頻率以防止變頻器觸發安全保護而自動跳閘。改進PI控制算法的流程圖，如圖5所示。

圖5 改進PI控制算法流程圖Fig.5 Flow Chart of Improved PI Control Algorithm

4 實驗分析

實驗測試過程中，上位機端口選擇COM3，通訊波特率設置為9600bps，測試現場，如圖6所示。

圖6 測試現場圖Fig.6 Photo of Test Site

設定柴油機轉速恒定為1500r∕min，此時測得翅片式換熱器進口冷卻水溫度為22.4℃。調節變頻器頻率控制冷卻水流量分別為1.5m3∕h、2.0m3∕h 和2.5m3∕h，在柴油機處于不同負荷下得到翅片式換熱器出口水溫度，如圖7所示。

圖7 柴油機不同負荷下翅片式換熱器出口水溫度Fig.7 Outlet Water Temperature of Fin Heat Exchanger Under Different Load of Diesel Engine

由圖可見，隨著柴油機負荷的增加，冷卻水流量的變化對翅片式換熱器出口水溫度的影響越顯著。在流量為1.5m3∕h時，換熱器出口水溫度在柴油機負荷大于80%的情況下均高于70.0℃，能夠較好的滿足海水淡化裝置的工作要求。試驗臺測控系統實現了柴油機不同負荷下溫度和流量數據的連續采集、處理和顯示。在柴油機功率145kW、轉速1190r∕min時，將板式換熱器出口水溫度由18.0℃調節為18.8℃，此時kp取6.2，kd取8.4，得到出口水溫度響應曲線，如圖8所示。由圖可見，板式換熱器出口水溫度上升十分平穩，在歷經22s 的上升區間后達到峰值18.9℃，隨后穩定在設定值。超調過程中的超調量為0.5%，整個調節周期為40s。試驗表明測控系統采用的改進PI 控制算法具有良好的控制精度和較快的響應速度。

圖8 板式換熱器出口水溫度響應曲線Fig.8 Temperature Response Curve of Outlet Water of Plate Heat Exchanger

5 結語

（1）基于STM32和LabVIEW開發了一套柴油機余熱回收測控系統，能夠實現試驗臺溫度和流量的高速采集、動態顯示和實時保存，良好的人機交互界面給實驗人員提供便捷的操作方式。（2）測控系統具備手動和自動兩種控制模式，實驗人員可以在手動模式下精確調節冷卻水流量，并且系統采用的改進PI算法具有良好的控制效果。