液化天然气船液货操作模拟器关键技术研究

摘要

随着液化天然气(Liquefied Natural Gas，简称LNG)运输业的蓬勃发展，对专业LNG船舶操作人员进行专门的操作训练变得更加迫切。模拟器以其安全、节能、经济、高效和逼真等优势，已经成为国际公约承认的培训和考核广大船员的替代方法，也是LNG船建造过程中不可缺少的仿真试验设备。但国内LNG船液货操作模拟器多依赖国外进口，面对激烈的国际市场竞争，打破国外技术壁垒，实现LNG船模拟器的自主研发势在必行。因此，本文结合大连海事大学交通运输部“十二五”交通信息工程及控制国家重点学科建设项目的要求，在已有的研究工作基础上，围绕模拟器开发中的LNG船液货系统模型的准确建立、液货装卸操作过程中的系统压力控制以及模拟器系统平台的研制开发3个关键技术问题开展研究。 主要研究内容和方法如下: 首先，本文以LNG船的液货系统为研究对象，充分考虑液货热物性和迁移性质以及围护系统材料对能量热传递的影响，忽略空气夹层内自然对流和液舱内部翻滚分层的影响，在既定假设条件基础上，采用工程热力学理论、传热学和流体动力学方法，为液货装卸操作系统建立动态机理模型。验证结果表明模型在温度压强输出特性上较为真实地反映系统内部流体的变化规律，符合实际情况。 其次，在已建立的系统动态机理模型基础上，针对LNG船液货操作过程的压力控制问题开展研究，引入先进的控制技术，提出基于闭环增益成形算法的液货舱压力和绝缘层压差控制器的设计方法。具体方法是以液货舱压力气流量模型、液舱绝缘层压差模型为研究对象，建立液货舱压力控制模型和液舱绝缘层压差控制模型。采用镜像映射技术和正弦函数驱动的非线性反馈技术，基于闭环增益成形算法为液舱绝缘层设计压差简捷鲁棒控制器。取闭环增益成形算法在关门斜率为-20dB/dec时的控制律，为液货舱设计液货舱压力简捷鲁棒控制器，为模拟器的液货作业过程的温度压强模型设计了级联控制方案。仿真实验结果表明，本文设计的控制器具有更好的控制性能，能够在保持控制性能的同时达到更好的节能效果，用本文方法设计的控制器设计简单，鲁棒性强，易于工程实现。 最后，在以上模型和控制的研究基础上，建立了LNG船液货操作模拟器的系统平台整体架构，完成了模拟器的系统平台研制，实现了模拟器控制平台的开发。完成装卸货操作模块、稳性计算模块、操作评估模块等各作业模块的系统集成和联调测试，实现控制平台核心功能，包括液货操作练习的管理，液货操作练习的发送，液货操作的实时监控，图形化界面显示操作过程及结果，操作结果的数据回放，液货操作的远程控制。系统测试结果表明，开发的LNG船液货操作模拟器的系统平台适用于模拟器的操作培训，并能够承担科学研究任务。 本文模型验证实验及控制仿真实验均采用MATLAB/Simulink编程实现，模拟器平台采用VB开发。通过实船数据验证了模型的正确性和可用性，通过比较实验验证了控制器设计方法的有效性，设计的控制器具有实现简单，操作性强，易于工程实现的特点，可以满足对受训人员手工控制调节训练的培训要求。本文研究对模拟器进一步研发起到了推进作用，为实现模拟器国产化有着重要的现实意义。

目录

声明

摘要

符号说明

1绪论

1．1引言

1．1．1选题的背景和依据

1．1．2研究的目的及意义

1．2 LNG船液货操作模拟器概述及发展概况

1．2．1 船舶航海领域模拟器的分类

1．2．2 液货操作模拟器国内外研究现状

1．2．3 发展趋势与挑战

1．3关键问题及相关技术研究现状

1．3．1 LNG船液货系统数学模型及仿真

1．3．2 LNG船液货操作的系统控制

1．3．3 LNG船液货操作模拟器系统平台技术

1．4本文主要目标与内容组织

1．5本章小节

2 LNG船液货操作模拟器研究的理论基础

2．1引言

2．2 LNG运输船型及主要物理系统组成

2．2．1 液化气运输船型分类

2．2．2液货系统组成

2．2．3 LNG船货物围护系统概述

2．3营运流程及装卸作业原理

2．4货物的物理性质及状态参数

2．4．1液化天然气的性质

2．4．2天然气热力学性质的基本状态参数

2．4．3天然气的迁移性质

2．5热力学基本定律及传热学的基本原理

2．5．1热力学基本定律

2．5．2流体计算基本能量方程

2．5．3传热学基本原理

2．6本章小结

3 LNG船液货操作系统动态机理建模

3．1引言

3．2 LNG船液货系统设备模型

3．2．1 货泵特性机理模型

3．2．2 管路建模

3．2．3 压缩机建模

3．2．4安全阀模型

3．2．5 液货舱舱容建模

3．2．6 船舶性能计算模型

3．3 LNG船液货系统热能量模型及解析计算

3．3．1 液货舱的热传递模型及热容量计算

3．3．2液舱的热系统气体温度、压力变化的分析与建模

3．3．3装卸货作业过程温度压强模型及改进

3．3．4液舱压力气流量模型

3．3．5液舱绝缘层压差模型

3．4液货系统装卸货作业仿真验证

3．4．1 装货过程的仿真结果及实船验证

3．4．2 卸货过程的仿真结果及实船验证

3．5本章小节

4 LNG船液货操作过程中的压力控制

4．1 问题描述

4．2液舱绝缘层压差的镜像映射简捷鲁棒控制

4．2．1 液舱绝缘层压差控制原理

4．2．2 液舱绝缘层压差控制模型

4．2．3 系统稳定性判断及镜像映射技术

4．2．4 液舱绝缘层压差控制器设计

4．2．5仿真结果分析

4．3液舱绝缘层压差的非线性反馈控制

4．3．1 非线性反馈技术概述

4．3．2 液舱绝缘层压差的非线性反馈控制设计

4．3．3 控制仿真结果比较及分析

4．4液货系统液货舱压力控制

4．4．1 液货舱压力传递函数控制模型

4．4．2 液货舱压力控制器设计

4．4．3 仿真结果的比较分析

4．4．4 液货舱系统级联控制设计

4．5本章小结

5 LNG船液货操作模拟器平台的实现

5．1 模拟器的平台架构设计和子系统集成

5．1．1 模拟器系统的硬件平台结构

5．1．2 模拟器平台软件体系架构设计

5．1．3 模拟器平台子系统功能集成

5．2模拟器平台的功能设计与实现

5．2．1 模拟器控制平台主要功能

5．2．2 面向对象建模及数据库设计

5．2．3 液货操作练习监控与管理

5．2．4液货仿真操作的数据回放

5．3模拟器控制平台实现的其他技术

5．3．1 数据实时传送与数据同步

5．3．2 窗口的动态缩放技术

5．3．3 可容错的socket通讯编程

5．3．4 安全管理

5．4模拟器平台的实现及集成测试

5．5本章小结

6总结与展望

6．1 关键技术问题总结

6．2模拟器开发展望

参考文献

附录

作者简历及攻读博士学位期间的科研成果

致谢