王 寧， 付云鵬， 李 艇， 李 鐵， 依 平

(1. 上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240； 2. 中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200001； 3. 上海交通大學(xué) 電子信息與電子工程學(xué)院， 上海 200240)

大型船用設(shè)備需對溫度進(jìn)行控制，長時間高溫運(yùn)行會降低設(shè)備使用壽命，嚴(yán)重時導(dǎo)致設(shè)備停止工作.通過優(yōu)化控制策略，匹配最佳冷卻方案，提高散熱效率，設(shè)備可以在安全溫度下高效工作.值得一提的是，某些大型高精度測量設(shè)備需要大流量冷卻液，工質(zhì)慣性大，材料對溫度十分敏感，安全裕度小，工質(zhì)的質(zhì)量和溫度慣性極有可能引發(fā)較大溫度弛豫，導(dǎo)致設(shè)備在非安全溫度下運(yùn)行.因此，對于大型高精度測量設(shè)備的冷卻需要協(xié)同優(yōu)化冷卻方案和控制策略，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的冷卻效果[1].此外，大型設(shè)備冷卻耗能較多，為了提高經(jīng)濟(jì)性，需在變負(fù)荷條件下，匹配最佳海水流量，保證設(shè)備安全工作，同時減少額外耗能[2-3].在冷卻方案設(shè)計(jì)優(yōu)化工程中，一維或三維仿真有著重要的輔助作用[4-6].

本文針對某大型高精度測量設(shè)備，選用體積分?jǐn)?shù)為60%的乙二醇溶液對其進(jìn)行一次冷卻，建立大流量海水冷卻系統(tǒng)對乙二醇溶液進(jìn)行二次冷卻.基于FloMaster仿真平臺，構(gòu)建二次冷卻系統(tǒng)仿真模型，聯(lián)合Simulink進(jìn)行動態(tài)工況冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出3種控制策略，計(jì)算得到變工況下系統(tǒng)的響應(yīng)特性和運(yùn)行特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制效果.

1 仿真模型

1.1 冷卻系統(tǒng)工作原理

大流量海水冷卻系統(tǒng)主要由海水泵、管路系統(tǒng)及換熱器等組成，圖1所示為冷卻系統(tǒng)原理圖.冷卻系統(tǒng)運(yùn)行時，低溫乙二醇溶液流經(jīng)高溫測量設(shè)備被加熱，乙二醇溶液自身溫度快速升高.隨后，高溫乙二醇溶液在泵的作用下流入海水-乙二醇溶液換熱器，在此被低溫海水冷卻.通過調(diào)節(jié)流經(jīng)換熱器的海水流量，乙二醇溶液溫度降低至一定溫度以下，并重復(fù)該過程進(jìn)行循環(huán)冷卻，被加熱的海水則直接排放至大海.被冷卻后的低溫乙二醇溶液流向大型高精度測量設(shè)備對其進(jìn)行再次冷卻，高溫乙二醇溶液經(jīng)泵加壓后流至換熱器進(jìn)行熱交換，反復(fù)循環(huán).

圖1 冷卻系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of cooling system

1.2 冷卻系統(tǒng)模型

FloMaster軟件可針對一維熱流體系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，在汽車、船舶、航空航天及給水排水等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[7-10].本文根據(jù)實(shí)際冷卻系統(tǒng)需求，在FloMaster軟件中選擇相應(yīng)元件，布置管路，輸入對應(yīng)的參數(shù)，建立仿真模型.如圖2所示，模型中流量邊界條件(F)和壓力邊界條件(P)均根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置.冷卻系統(tǒng)中有3條并聯(lián)供水支路，艙外的低溫海水由3臺離心海水泵抽入艙內(nèi)，泵后有截止止回閥，隨后經(jīng)管道和連接件匯入總管后流向換熱器.底艙區(qū)域的海水由并聯(lián)支路匯入總管后，依次經(jīng)過平臺甲板和下甲板后進(jìn)入上甲板.海水沿管道流經(jīng)過濾器，隨后進(jìn)入管殼式換熱器管道，模型中設(shè)定阻力模塊來模擬過濾器阻力.同時，高溫乙二醇溶液以固定流量流入換熱器，被低溫海水冷卻.海水吸熱后排出舷外.

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，海水的初始溫度為32 ℃，3臺離心式海水泵額定流量為450 m3/h，額定轉(zhuǎn)速 1 480 r/min，揚(yáng)程為60 m.此外，乙二醇溶液泵的額定流量為450 m3/h.主海水供水管路采用內(nèi)徑為 410 mm，壁厚為4.5 mm的鎳黃銅管，材質(zhì)為B10.換熱器選用管殼式換熱器，表1為其主要參數(shù).

表1 換熱器參數(shù)Tab.1 Parameters of heat exchanger

2 控制方案

動態(tài)仿真采用FloMaster-Simulink聯(lián)合仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制策略與流體仿真相結(jié)合.首先，基于FloMaster和Simulink平臺，分別建立相應(yīng)的系統(tǒng)模型和控制模塊.然后，通過FloMaster提供的Simulink模塊庫以及設(shè)置FloMaster通信元件來實(shí)現(xiàn)Simulink對FloMaster中模型的調(diào)用[11]，其原理如圖3所示.為了實(shí)現(xiàn)溫度的最優(yōu)控制，本文提出并對比了3種控制方案，具體如下.

圖3 FloMaster-Simulink聯(lián)合仿真原理圖Fig.3 Schematic diagram of FloMaster-Simulink co-simulation

方案APID調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速控制乙二醇出口溫度.圖4(a)所示為方案A的控制邏輯圖，設(shè)定目標(biāo)溫度為36 ℃，當(dāng)換熱器出口乙二醇溶液溫度發(fā)生變化時，PID控制元件通過輸出調(diào)節(jié)海水泵的轉(zhuǎn)速以改變管道中海水流量，最終控制換熱器出口乙二醇溶液溫度接近目標(biāo)溫度，測量元件實(shí)時監(jiān)測換熱器出口乙二醇溶液溫度并輸入PID控制元件，形成閉環(huán)控制.該方案通過控制單一變量——泵的轉(zhuǎn)速來改變海水流量，控制邏輯簡單直接，在實(shí)際搭建硬件系統(tǒng)時方便易行.圖4(b)所示為方案A的控制流程圖，首先設(shè)備工作狀態(tài)直接影響乙二醇溶液被加熱后的溫度，高溫乙二醇溶液需要經(jīng)換熱器被一定流量的低溫海水冷卻.基于乙二醇溶液被冷卻后的實(shí)際溫度和目標(biāo)溫度，得到穩(wěn)態(tài)溫差ε=TEG-36，其中TEG為乙二醇溶液被冷卻后的實(shí)際溫度.根據(jù)溫差大小直接控制泵轉(zhuǎn)速，間接控制流經(jīng)換熱器的低溫海水流量，滿足安全裕度的同時，減少耗能.

圖4 方案A控制邏輯圖與控制流程圖Fig.4 Control logic diagram and control flow diagram of scheme A

方案B開環(huán)控制泵的轉(zhuǎn)速，同時PID調(diào)節(jié)旁通閥開度.首先，基于多個穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)，擬合泵轉(zhuǎn)速與換熱器入口的乙二醇溫度的關(guān)系：

n=a1T3-a2T2+a3T-a4

(1)

式中：n為泵轉(zhuǎn)速；a1、a2、a3、a4為待定系數(shù)；T為換熱器入口的乙二醇溫度.式(1)可作為海水泵工作的預(yù)設(shè)關(guān)系式.控制邏輯圖如圖5(a)所示，控制流程圖如圖5(b)所示.在開環(huán)控制中，系統(tǒng)根據(jù)換熱器入口的乙二醇溫度和預(yù)設(shè)關(guān)系式輸出海水泵轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制海水總流量.在閉環(huán)控制中，系統(tǒng)通過PID控制元件調(diào)節(jié)旁通閥開度，海水通過旁通閥流至大海.測量元件實(shí)時監(jiān)測換熱器出口乙二醇溶液溫度并輸入PID控制元件，以穩(wěn)態(tài)溫差ε=TEG-36為目標(biāo)函數(shù)，當(dāng)ε=0時，旁通閥開度不變， 當(dāng)ε>0時，旁通閥開度減小，反之，旁通閥開度增大.海水總流量減去經(jīng)旁通閥流出的海水流量即為進(jìn)入換熱器的海水流量.該方案通過控制泵的轉(zhuǎn)速和旁通閥開度來改變海水流量，系統(tǒng)在動態(tài)響應(yīng)時更加迅速.但旁通閥開啟后，海水通過旁通支路直接排出舷外，存在一定的能耗損失.于穩(wěn)態(tài)下溫度-轉(zhuǎn)速的預(yù)設(shè)關(guān)系，根據(jù)換熱器入口乙二醇溶液的溫度輸出泵轉(zhuǎn)速，根據(jù)穩(wěn)態(tài)溫差的大小控制泵旁通閥開度，向換熱器提供合適流量的低溫海水.

圖5 方案B控制邏輯圖與控制流程圖Fig.5 Control logic diagram and control flow diagram of scheme B

方案C開環(huán)和閉環(huán)同步控制泵的轉(zhuǎn)速.控制邏輯圖如圖6(a)所示，控制流程圖如圖6(b)所示.

圖6 方案C控制邏輯圖與控制流程圖Fig.6 Control logic diagram and control flow diagram of scheme C

首先，開環(huán)控制過程與控制方案B相同，輸入乙二醇溶液入口溫度，根據(jù)式(1)輸出部分泵轉(zhuǎn)速n1.閉環(huán)控制中，PID控制元件以換熱器出口乙二醇溶液溫度為輸入，以穩(wěn)態(tài)溫差ε=TEG-36為目標(biāo)函數(shù)，輸出部分泵轉(zhuǎn)速n2.最后，通過開環(huán)和閉環(huán)同步控制，泵輸入轉(zhuǎn)速為n1+mn2，換熱器出口乙二醇溶液溫度達(dá)到目標(biāo)溫度，其中m為n2的權(quán)重，當(dāng)m值變大時，系統(tǒng)中閉環(huán)控制權(quán)重升高.該方案整合兩種輸入信號來控制泵的轉(zhuǎn)速，改變海水流量.在開環(huán)控制中，溫度傳感器安裝在換熱器入口，以檢測高溫乙二醇溶液溫度.在乙二醇溶液進(jìn)入換熱器之前，控制系統(tǒng)及時響應(yīng)，快速調(diào)節(jié)海水流量.另外，閉環(huán)控制通過實(shí)時反饋使調(diào)節(jié)時間縮短，最終的溫度為目標(biāo)溫度.但該方案相對復(fù)雜，實(shí)際硬件系統(tǒng)略為復(fù)雜.基于穩(wěn)態(tài)下溫度-轉(zhuǎn)速的預(yù)設(shè)關(guān)系，根據(jù)換熱器入口乙二醇溶液的溫度輸出部分泵轉(zhuǎn)速n1，根據(jù)穩(wěn)態(tài)溫差的大小輸出部分泵轉(zhuǎn)速n2，當(dāng)ε>0時n2>0，當(dāng)ε<0時n2=0.基于工程需求調(diào)整m，實(shí)現(xiàn)開環(huán)和閉環(huán)控制二者共同作用，泵的工作轉(zhuǎn)速為n1+mn2，向換熱器提供合適流量的低溫海水.

3 仿真方案

在設(shè)備全負(fù)荷運(yùn)行時，對于理想的穩(wěn)態(tài)工況，乙二醇溶液從設(shè)備吸收的熱量以及乙二醇溶液經(jīng)散熱器向海水傳遞的熱量相同.乙二醇溶液的溫度變化可表示為

(2)

式中：Q為乙二醇溶液從設(shè)備吸收的熱量；ρ為乙二醇溶液的密度；V為冷卻液的體積流量(本文中其數(shù)值為450 m3/h)；cp為乙二醇溶液的定壓比熱容.基于ΔT得到乙二醇溶液流經(jīng)設(shè)備輸出后的溫度，即進(jìn)入換熱器之前的初始溫度.

根據(jù)上述3種控制策略，分別仿真計(jì)算得到當(dāng)乙二醇溶液被冷卻至目標(biāo)溫度時冷卻系統(tǒng)動態(tài)的響應(yīng)特性.

動態(tài)仿真需給定動態(tài)工況的變化信號，即乙二醇溶液初始溫度(進(jìn)入換熱器前的溫度)變化信號.本文輸入信號為階躍信號，如圖7所示，圖中t為時間，Ts為乙二醇溶液初始溫度.乙二醇溶液溫度變化為36.5 ℃～ 48 ℃，標(biāo)識動態(tài)工況變化接近0～100%，即在0～80 s給定乙二醇溶液初始溫度為36.5 ℃(由于系統(tǒng)在0～80 s需處于運(yùn)行狀態(tài)，需保證海水泵正常工作轉(zhuǎn)速大于最小轉(zhuǎn)速，故而選取初始溫度為36.5 ℃，而不是36 ℃)，在80 s時溫度信號突變?yōu)?8 ℃.在電子工程和控制理論中，階躍響應(yīng)是在非常短的時間之內(nèi)一般系統(tǒng)的輸出在輸入量從0跳變?yōu)?時的體現(xiàn).了解系統(tǒng)的階躍響應(yīng)有利于評價(jià)關(guān)于這種系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及瞬態(tài)啟動時達(dá)到一個穩(wěn)定狀態(tài)的能力[12].

圖7 階躍輸入信號圖Fig.7 Diagram of step input signal

4 仿真結(jié)果

圖8所示為3種控制方案下?lián)Q熱器出口乙二醇溫度的動態(tài)響應(yīng)特性.圖中的最大溫升定義為乙二醇溶液實(shí)際溫度與目標(biāo)溫度差值的最大值，調(diào)節(jié)時間定義為乙二醇溶液實(shí)際溫度從開始發(fā)生變化到其降至目標(biāo)溫度的0.1%范圍內(nèi)(即36 ℃±0.036 ℃)所需的時間.圖8(a) 展示了方案A換熱器出口乙二醇溫度的動態(tài)響應(yīng)特性.當(dāng)溫度信號在80 s處發(fā)生突變，系統(tǒng)通過閉環(huán)調(diào)節(jié)控制泵轉(zhuǎn)速增大，流入換熱器的低溫海水增多，換熱器出口乙二醇溶液溫度出現(xiàn)顯著波動后快速調(diào)整至穩(wěn)定狀態(tài)，即目標(biāo)溫度(36 ℃).此時，系統(tǒng)最大超調(diào)溫升為7.82 ℃，最高溫度超過溫度上限參考值(40 ℃)，調(diào)節(jié)時間為 27.6 s.圖8(b) 展示了方案B的動態(tài)響應(yīng)結(jié)果.當(dāng)溫度信號發(fā)生突變時，系統(tǒng)快速響應(yīng)，在開環(huán)調(diào)節(jié)過程中，系統(tǒng)根據(jù)乙二醇溶液在換熱器入口的溫度提前調(diào)整泵轉(zhuǎn)速，在閉環(huán)調(diào)節(jié)過程中，系統(tǒng)調(diào)小旁通閥開度，流入換熱器的低溫海水流量迅速增多，乙二醇溶液溫度先下降，后上升，系統(tǒng)最大超調(diào)溫升為0.38 ℃，遠(yuǎn)低于方案C，調(diào)節(jié)時間為23.2 s.

圖8(c)和8(d)展示了方案C的動態(tài)響應(yīng)結(jié)果.在80 s處溫度信號發(fā)生突變時，系統(tǒng)通過開環(huán)調(diào)節(jié)根據(jù)乙二醇溶液在換熱器入口的溫度輸出部分泵轉(zhuǎn)速n1，另外通過閉環(huán)調(diào)節(jié)控制泵轉(zhuǎn)速增大，流入換熱器的低溫海水增多，換熱器出口處乙二醇溶液溫度首先略有下降的原因是泵轉(zhuǎn)速n1+mn2較高，溫度出現(xiàn)波動后很快調(diào)整至穩(wěn)定狀態(tài).但此時泵轉(zhuǎn)速較高，有超過額定轉(zhuǎn)速的風(fēng)險(xiǎn).當(dāng)m在0～1變化時，乙二醇溶液溫度變化相近，當(dāng)m=0.2, 0.8時，系統(tǒng)偏離穩(wěn)態(tài)值的最大超調(diào)溫升分別為0.1 ℃，0.16 ℃，調(diào)節(jié)時間分別為18.7, 20.4 s.在以上3種方案中，該方案最快達(dá)到穩(wěn)態(tài)溫度，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性表現(xiàn)最好.

動態(tài)仿真根據(jù)實(shí)際熱負(fù)荷動態(tài)變化實(shí)現(xiàn)海水供應(yīng)量的實(shí)時自動調(diào)節(jié)，保證乙二醇溶液在安全溫度閾值內(nèi).本次動態(tài)仿真針對3種控制方案，根據(jù)階躍溫度變化信號的響應(yīng)特性來評價(jià)各方案的控制效果.

從冷卻效果來看，當(dāng)換熱器入口乙二醇溶液溫度發(fā)生變化后，換熱器出口的乙二醇溶液溫度在各控制方案下均能做出調(diào)整，最終乙二醇溶液被冷卻至目標(biāo)溫度36 ℃.

由動態(tài)響應(yīng)特性可以進(jìn)一步分析各方案的控制效果，綜合對比各控制方案的最大超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間，方案A的最大超調(diào)溫升較高，調(diào)節(jié)時間較長，最高溫度超過設(shè)備溫度上限參考值(40 ℃)，方案B和C中換熱器出口乙二醇溶液溫度均是先下降后略有升高，其最大溫升和調(diào)節(jié)時間均小于方案A，其中，方案C動態(tài)響應(yīng)特性最好.

考慮到能耗問題，方案B中的旁通閥開啟后，過量的海水直接排出舷外，存在一定的能耗損失.

綜上分析，方案A的最大超調(diào)溫升較高，不能滿足設(shè)備冷卻需求.考慮到控制效果的最優(yōu)性，推薦選用方案B或C，若要綜合考慮能耗問題，推薦選用方案C.

5 結(jié)論

本文針對大流量海水冷卻系統(tǒng)，基于FloMaster仿真平臺，建立仿真模型，進(jìn)行了動態(tài)性能仿真分析.通過模擬極限條件下熱負(fù)荷動態(tài)變化，控制實(shí)現(xiàn)變工況下海水供應(yīng)量的實(shí)時自動調(diào)節(jié)，得到乙二醇溶液溫度的動態(tài)變化結(jié)果.通過FloMaster-Simulink聯(lián)合仿真技術(shù)，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了3種控制方案的模擬.通過對比分析各方案中系統(tǒng)的響應(yīng)特性和運(yùn)行特點(diǎn)，可以評價(jià)各方案的控制效果，為實(shí)際冷卻系統(tǒng)工程問題提供了參考.主要結(jié)論如下：

(1) 采用控制方案A、B和C均可使冷卻系統(tǒng)根據(jù)船舶設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時做出相應(yīng)調(diào)整，并將高溫乙二醇溶液冷卻至目標(biāo)溫度，但由于方案A中閉環(huán)調(diào)節(jié)存在滯后性，最高溫度超過設(shè)備安全裕度的上限值，無法保證設(shè)備安全運(yùn)行.

(2) 方案B和C采用開環(huán)和閉環(huán)控制結(jié)合的方式，其動態(tài)響應(yīng)特性好，能夠滿足設(shè)備冷卻需求，均能在短時間內(nèi)將高溫乙二醇溶液冷卻至目標(biāo)溫度，其中方案C的最大溫升最小，調(diào)節(jié)時間最短.

(3) 采用方案C，基于穩(wěn)態(tài)下乙二醇溫度和泵轉(zhuǎn)速的預(yù)設(shè)關(guān)系，系統(tǒng)可在變工況下快速響應(yīng)，在保證最小超調(diào)量的同時，準(zhǔn)確控制海水流量.因此，總結(jié)出在實(shí)際工程應(yīng)用中，通過開環(huán)和閉環(huán)同步控制泵的轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的動態(tài)響應(yīng)特性和最低的能耗.