液化天然气船液货操作模拟器关键技术研究

发布时间：2020-05-13 08:10

【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。
【图文】：

碳排放量,来源,低碳

球绿色低碳发展的需求日益迫切。低碳、节能、环保己日益成为未来全球发展的主要方逡逑向，低碳和无碳能源成为新热点［｜］。天然气作为清洁、高效、环保、方便的绿色能源，逡逑在化石能源中碳的排放量是最低的，如图１．１所示。逡逑十亿吨二钒化破逡逑１２邋ｒ逡逑石油■天然气■煤嵌逡逑１９９０逦２０００逦２０１０逦２０２０逦２０３０逦２０４０逡逑图１．１碳排放量及来源逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｃａｒｂｏｎ邋ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ邋ａｎｄ邋ｓｏｕｒｃｅｓ逡逑－ｌ－逡逑

能源,比例,天然气

年天然气的碳排放量约占总碳排放总量的１６．７％。全球能源消费结构正在向更加绿色和逡逑低碳发展方向转型，天然气将在能源结构转型中发挥重要作用，２０１８年世界能源展望报逡逑告中显示天然气产量及在能源消费构成中的比重也在逐渐上升，如图１．２所示。逡逑１００％邋－逡逑煤]逡逑８０％邋－邋＼逡逑６０％邋－邋＼逡逑４０％＾逡逑石焂源逡逑０％邋；逦逡逑图１．２邋—次能源比例逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｐｒｉｍａｒｙ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｒａｔｉｏ逡逑统计资料表明，２０１６年天然气消费量达到３．５万亿立方米，占一次能源消费比重达逡逑到２４％，仅次于石油（３３％）和煤炭（２８％）。最新公布的数据显示＇邋２０１７年，天然气消费逡逑增长了邋９６０亿立方米，，上升３％，是２０１０年以来的最快增速，产量增长了邋１３１０亿立方逡逑米，实现了金融危机后的最快增长，预计在２０３０年天然气在能源消费结构中的比例由逡逑２０１３年的５％提高到２０３０年的９％。虽然，世界天然气储量非常丰富，但分布不均，加逡逑上各地区天然气的需求量不一致，这些情况促进了天然气的贸易进出口［７］。液化天然气逡逑（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ邋Ｎａｔｕｒａｌ邋Ｇａｓ，邋ＬＮＧ）是一种高端天然气产品，是天然气经脱除重质烃、硫化物、逡逑二氧化碳和水等杂质
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U666.158

【参考文献】