船用双燃料主机的控制系统研究与应用

◎ 符温馨 中国船级社实业公司湛江分公司

1.国内外双燃料发动机发展现状

由于天然气燃烧性能好、污染低的特性，被IMO和MEPC等国际组织及国内相关部门推崇为新型能源进行开发使用。因此，采用新能源作为主燃料的双燃料发动机也在加速研究和推广使用。

1.1 国外

国际社会越来越关注船用柴油机污染物排放造成的危害。上世纪末，国际海事组织就加强船舶发动机排放物的管控，制定了减排的时间表和排放值。欧美发达国家同时加大了双燃料主机的开发和应用，全球船舶主机主要制造商芬兰的瓦锡兰、德国的曼牌等已经研发出双燃料主机并推广至全球使用。

1.2 国内

我国的河运资源丰富，内河船舶约20万艘，而我国船用柴油机技术较为落后，其废气排放已经污染长江等河流流域的空气环境。据统计，内河航运中各种船舶每年排放NOx、SOx和颗粒物约为100万吨，对我国气候环境造成很大的危害。据调查，目前已经造成长江沿线城市的大气环境指标接近或低于国家规定的大气质量二级标准，甚至更低。为改善环境，我国也加大力度开发和推广使用双燃料主机。海上石油平台和FPSO船舶十年前已使用LNG的发电机，严格控制废气的排放。如中海油2010年投产的FPSO船舶“海洋石油116”号就选用了3台SOLAR燃气发电机组；2019年10月投产的东方13-2CEPB 平台采用哈尔滨广瀚燃气轮机有限公司生产的3台双燃料SGT600 燃气轮发电。

1.3 未来发展

随着人类科技的发展和人们对环境污染的认知和重视，联合国气候组织、IMO和MEPC等国际组织已经开始实行更严格的排放要求。MEPC组织在2014年4月召开的66次会议上规定：NECA地区，2016年1月1日以后铺龙骨的船舶，必须执行该组织关于氮氧化物排放的规定。双燃料主机的作为推进动力是势在必行的。对双燃料主机技术特别是控制系统的研究和应用有着重要意义。

2.双燃料发动机的控制系统

2.1 基本功能

双燃料发动机控制系统是机组实现低排放、高效率和高经济效益的重要组件。其根据发动机的运行工况，对进入发动机的天然气或燃油的流量进行实时调节，使发动机处于最佳的运行状态，达到低排放、高效率的设计要求，见图1。

2.2 组成

双燃料主机控制系统通常包括硬件和软件两部分，而硬件即是由控制器硬件电路、传感器和执行器组成。本文重点介绍其硬件电路。

2.3 控制器硬件电路

2.3.1 硬件电路的作用

硬件电路是根据软件所设定的程序完成对机组的控制及运行监控等功能，如：机组启停控制、状态监控，参数调节、安全警报以及人机界面的实时对话等。

2.3.2 控制器硬件电路的组成

控制器硬件电路包括中央处理单元ECU、电源模块、通信模块及信号采集模块等。

2.3.3 硬件电路各模块的功能

2.3.3.1 中央处理单元ECU

图1 劳斯莱斯伯根B 型机组控制方框图

①燃气喷射高精度控制，节约燃料；

②集成点火提前角调整功能，确保启动、运行处于最佳状态；

③具备喷气控制修正、燃油喷射模拟等功能；使发动机处于最佳工作状态，减少废气的排放；

④控制燃料的切换，提高发动机组工作的稳定性及可靠性。

2.3.3.2 电源电路模块

电源电路模块是ECU的心脏，它提供 ECU 微处理器、传感器及执行器的工作电源。

电源模块有两套供电系统即UPS系统及船舶电网整流后的供电系统。电源模块必须稳定性、可靠。其应具备广谱的、较高的浪涌电压幅值等电气特征。

2.3.3.3 通讯电路模块

通信模块是串行ECU及执行器之间的中间环节，其工作性能的稳定性和可靠性直接影响整个系统功能的实现。通常采用RS485总线方式进行通信。在执行端，由于CAN总线具有多组方式串行通信、高速率、高抗电磁干扰性、可靠的错误处理等特点。很多产品都采用这种方式，如劳斯莱斯、瓦锡兰等双燃料机组的控制系统。

2.3.3.4 信号采集电路

信号采集是指将温度、压力、振动等模拟量采集转换成数字量后再由计算机进行储存、处理、显示以及实现对某些物理量的监视和控制的过程。数据采集与处理越及时、精确，工作效率就越高，取得的经济效益就越大。

2.4 传感器

传感器是一种检测装置，其作用是将检测的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储和控制等要求。

2.4.1 双燃料发动机主要传感器

包括：起超速保护的转速传感器、起高温保护的温度传感器；低油压保护的压力传感器等；起熄火保护、点火失败保护的光感应监测传感器；给人机界面HMI传递机组状态参数的转速、压力传感器等。

2.4.2 传感器电路原理

2.4.2.1 曲轴转速传感器电路

曲轴转速传感器安装于飞轮壳上，通过测量机组的曲轴转速来测量机组的转速。传感器安装的方向与飞轮圆周切线垂直，注意其安装间隙（小于1.0mm），要固定牢靠，防止其损坏，以免影响使用精度及性能。

转速传感器通常采用电磁式的，其输出信号的幅值和频率与转速呈线性关系，过高的电压会对系统造成伤害。

2.4.2.2 温度传感器处理电路

温度是机组运行状态指示的重要指标。温度传感器用于主机的冷却液、滑油及排气温度的监测。温度传感器通常采用热敏电阻，其将温度信号转换成电信号，再经过信号处理电路转换成所需要的物理量。如STMicroelectronics公司生产的MC33079D运算放大器，具有一定的开环增益，整体性能优异，使用比较广泛。

2.5 执行器

执行器是过程自动控制系统中，以调节仪表或其他控制装置信号为输入信号，按一定调节规律调节被控对象输入量的装置。

2.5.1 作用

在过程控制系统中，执行器接受调节器的指令信号，经执行机构将其转换成相应位移信号，去操纵调节机构，改变被控对象的进、出能量或物料，以实现过程的自动控制。

2.5.2 组成

执行器通常由执行机构、调节机构和附件三部分组成。

2.5.3 分类

执行器按工作能源不同可分为电动、气动、液动三大类。

（1）电动执行器是以电能为动力的，特点是获取能源方便，动作快，可远距离操控，便于与数字装置配合使用，应用广泛。

（2）气动执行器是以压缩空气为动力，具有结构简单、动作可靠稳定，输出力矩较大，维护方便，具有防火防爆的特点。多用于石油化工行业及其他易燃易爆的危险场所。但传输距离有限，通常150米内的距离使用效果较好。

（3）液动执行器是以液压动力为动力，在自动控制系统中使用比较少。

2.5.4 工作原理

各种执行器工作原理基本一致，下面介绍电动执行器的工作原理。

电动执行器有直行程或角行程两种，其原理：通过接收调节器或其他仪表送来的0-10,4～20mA或220V的电信号，经执行器后变成位移推力或转角力矩，以操作开关、阀门等完成自动调节的任务。

3.控制系统的软件

控制软件是指对采集的数据进行分析处理并给执行机构发送命令的软件系统。

相比于发动机控制系统的硬件电路，其软件系统设计的技术相对成熟很多。其编程语言通常采用 SFC（sequential function chart）和CFC（continuous function chart）。操作页面集成在 WinCC 操作员站，采用图形显示功能块语言编程。这里不做详细讲解。

4.结束语

综上所述，双燃料发动机的控制系统设计的好坏，直接影响船舶的安全性能和经济效率。从国内相关部门到多个国际组织都在致力改善发动机的能源利用及尾气排放问题，相信不久的将来，双燃料主机的性能随着其控制系统性能的提高会得到长足的发展。