船用燃油供给系统中粘度控制模块的设计要点

贺敏敏

【摘要】船用燃油粘度控制模块为燃油供给系统的核心部件。在这套系统中，最为关键的是对燃油粘度的控制。本文提出了供油系统的重要组成部分，分析粘度传感器的工作原理，并以一款MAN-B&W二冲程主机为对象，根据PID控制原理对系统中的粘度控制模块进行优化设计，确保燃油粘度在合适的范围。

【关键词】船舶；燃油供给系统；粘度控制

引言

在大中型运输船上，主柴油机及发电机组柴油机多使用重油（Heavy Fuel Oil）作为原料，而重油由于杂质多、粘度大，不能直接进入柴油机。而且出于成本考虑，所使用的重油品质越来越低，HFO （600cst@50deg）正逐渐替代HFO（380cst@50deg）。重油粘度高，水分杂质多，因此，需要配置一套供油系统，将重油分离、加热，以满足柴油机的对燃油品质的要求。重油在进入柴油機前，需通过分油机净化去杂质，此后再加热至符合柴油机要求的粘度。通常，主机燃油喷射粘度要求在12～14cst。不同品质的燃油粘度与温度的关系，可见下图1。由此可见，燃油粘度与温度存在特定关系，可以通过调节燃油温度，达到控制燃油粘度的目的。由于各港口油品的不同，同时在燃油加热过程中会存在一定的波动，直接监控温度会使得燃油进机粘度失真，因此需要监测进机粘度，并将结果反馈至燃油加热调节机构。这一套粘度控制系统，也是船舶燃油供给系统的核心。

1、燃油供给系统

燃油供给系统通常为燃油日用柜至主机燃油进口的一套管路。由燃油输送泵、自动反冲洗过滤器、混油柜、燃油循环泵、燃油加热器及粘度控制模块等组成。该系统主要是对日用柜中的燃油进行最终处理，以满足主机的喷油粘度、压力及杂质的要求。考该系统对主机运行的重要性，其核心装置均设置有备用设备。如，输送泵、过滤器、循环泵、加热器等均设置有一用一备。常见的燃油供给系统如图2所示

其中A为日用柜燃油入口，在经过燃油输送泵组后，通过自动反冲洗滤器，该滤器的需完全满足主机对燃油杂质的要求，否则会引起喷油嘴堵塞等严重后果。此后燃油与主机回油在混油柜中混合沉淀后，进入循环泵加压后进入燃油加热器。加热至适当的温度后，从D出口通过管路进入主机燃油进口。

2、粘度控制及反馈

扭转振动粘度计ViscoSense2是针对燃油粘度进行精确测量并调控的设施。它与粘度及温度测量传感器、传送电缆及界面盒一同构成了粘度测量反馈系统。粘度传感器由不锈钢制成，探头及流管经过特氟龙表面特殊涂层处理。传感器探头部件如图3所示。

探头内放置有两套压电陶瓷元件，一套驱动一根会可在一定范围内扭转的小短管，另一套通过反馈信号测量和控制小短管的扭转角度。当燃油流经传感器时，小短管会对不同的粘度做出不同的变化，触发出相应的电子信号，经电缆传送至界面盒。界面盒内安放有电子装置，处理来自传感器的信号。信号处理完成后将4-20mA电流信号输出至燃油加热装置，控制加热介质的流量。由于燃油温度与粘度的变化之间存在一定的滞后及波动，一般会将该系统设置成控制反馈回路。目前，燃油粘度控制多采用PID（Proportional-Integral-Differential）控制。其典型控制回路如图4所示。

设定值r（t）和实际输出值c（t）构成控制偏差e（t）。即，输入：控制偏差e（t）=r（t）-c（t）；输出：偏差比例（P）、积分（I）和微分（D）的线性组合。其中：KC为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。对KC的选择，如果对象较稳定，即放大系数较小，时间常数处于中位，滞后时间较小的，其比例系数范围可选择小一些，这样可以提高系统的灵敏度，是反应速度加快。反之，则应该选择较大的，以提高系统稳定性。通常，对粘度调节，KC为20%～60%。积分调节建立在比例调节之后，积分动作的目的是消除系统残差，因此对积分时间的设置同样需要考虑对象及系统稳定性。微分调节则是根据偏差信号的变化进行动作，主要是克服传递滞后和容量滞后。根据燃油加热特性，积分时间跟微分时间范围可定为30s～90s。利用PID控制原理，可方便的建立燃油温度与粘度间的调节关系。对于各系数的选择需要按照燃油粘温特性，并根据具体船舶所使用的燃油进行调整。因此，在对每一船型的燃油粘度控制系统进行设计时，需要考虑每船的实际情况，包括主机功率、喷油粘度、燃油消耗率、燃油品质、加热介质等。现以一大型油船为例，其所配主机为MAN-B&W 7G80ME-C9.2型二冲程柴油机。最大输出功率24，500kW，额定油耗162.7g/kWh+6%，燃油型号HFO 600cSt@50deg，燃油喷射粘度12cst，最大喷射温度146℃，加热介质为蒸汽（0.7MPa），日用柜温度～80℃，混油柜温度～117℃，回油温度损耗～3℃。对比以往同类船舶，该船使用的燃油粘度较高，需要加热至较高温度才能满足主机喷油要求。通过对PID模拟控制器的测试试验，该船的比例系数选择25%，积分时间60s，微分时间70s。

3、加热系统调节模块

粘度传感器得到信号，并在界面盒内处理完毕后，将输出电信号至加热系统，调节加热介质的流量，最终实现粘度控制。按照传热学热量动态分析，加热器中的蒸汽及燃油换热属于强制对流换热，其换热系数及热效率可由加热器厂家提供。由此可得出蒸汽流量与燃油温升间的关系。然而，重油的加热后的粘度不仅与加热流量及时间有关，同时还与压力成线性关系（即胡可定律σ=Mε）。因此，在控制模块的设计中，其反馈因素还需考虑燃油压力。对单一型船舶，其燃油压力由泵组提供，一旦泵组确定后，燃油压力变动范围有限，为简化操控，通常将燃油压力作为一定量，而蒸汽耗量作为变量，对燃油加热温度进行调节。加热系统调节模块通常由电缆、电动驱动头及控制阀阀体组成。电动驱动单元根据接收信号调节阀芯开启高度或开启角度，以此调节进入燃油加热器的蒸汽流量，最终实现燃油粘度的自动控制。

4、结束语

本文阐述了船用燃油供给系统中粘度控制原理。通过对燃油供给系统的介绍，解释了粘度控制对船舶主机运行的重要性，并采用工业上成熟的PID控制原理对粘度控制反馈系统进行设计，同时针对一型船舶进行参数优化，最终实现了主机燃油进机粘度的自动控制。