【摘要】：隨著液化天然氣(Liquefied Natural Gas,簡稱LNG)運(yùn)輸業(yè)的蓬勃發(fā)展,對專業(yè)LNG船舶操作人員進(jìn)行專門的操作訓(xùn)練變得更加迫切。模擬器以其安全、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、高效和逼真等優(yōu)勢,已經(jīng)成為國際公約承認(rèn)的培訓(xùn)和考核廣大船員的替代方法,也是LNG船建造過程中不可缺少的仿真試驗(yàn)設(shè)備。但國內(nèi)LNG船液貨操作模擬器多依賴國外進(jìn)口,面對激烈的國際市場競爭,打破國外技術(shù)壁壘,實(shí)現(xiàn)LNG船模擬器的自主研發(fā)勢在必行。因此,本文結(jié)合大連海事大學(xué)交通運(yùn)輸部“十二五”交通信息工程及控制國家重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目的要求,在已有的研究工作基礎(chǔ)上,圍繞模擬器開發(fā)中的LNG船液貨系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確建立、液貨裝卸操作過程中的系統(tǒng)壓力控制以及模擬器系統(tǒng)平臺的研制開發(fā)3個關(guān)鍵技術(shù)問題開展研究。主要研究內(nèi)容和方法如下:首先,本文以LNG船的液貨系統(tǒng)為研究對象,充分考慮液貨熱物性和遷移性質(zhì)以及圍護(hù)系統(tǒng)材料對能量熱傳遞的影響,忽略空氣夾層內(nèi)自然對流和液艙內(nèi)部翻滾分層的影響,在既定假設(shè)條件基礎(chǔ)上,采用工程熱力學(xué)理論、傳熱學(xué)和流體動力學(xué)方法,為液貨裝卸操作系統(tǒng)建立動態(tài)機(jī)理模型。驗(yàn)證結(jié)果表明模型在溫度壓強(qiáng)輸出特性上較為真實(shí)地反映系統(tǒng)內(nèi)部流體的變化規(guī)律,符合實(shí)際情況。其次,在已建立的系統(tǒng)動態(tài)機(jī)理模型基礎(chǔ)上,針對LNG船液貨操作過程的壓力控制問題開展研究,引入先進(jìn)的控制技術(shù),提出基于閉環(huán)增益成形算法的液貨艙壓力和絕緣層壓差控制器的設(shè)計(jì)方法。具體方法是以液貨艙壓力氣流量模型、液艙絕緣層壓差模型為研究對象,建立液貨艙壓力控制模型和液艙絕緣層壓差控制模型。采用鏡像映射技術(shù)和正弦函數(shù)驅(qū)動的非線性反饋技術(shù),基于閉環(huán)增益成形算法為液艙絕緣層設(shè)計(jì)壓差簡捷魯棒控制器。取閉環(huán)增益成形算法在關(guān)門斜率為-20dB/dec時的控制律,為液貨艙設(shè)計(jì)液貨艙壓力簡捷魯棒控制器,為模擬器的液貨作業(yè)過程的溫度壓強(qiáng)模型設(shè)計(jì)了級聯(lián)控制方案。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的控制器具有更好的控制性能,能夠在保持控制性能的同時達(dá)到更好的節(jié)能效果,用本文方法設(shè)計(jì)的控制器設(shè)計(jì)簡單,魯棒性強(qiáng),易于工程實(shí)現(xiàn)。最后,在以上模型和控制的研究基礎(chǔ)上,建立了 LNG船液貨操作模擬器的系統(tǒng)平臺整體架構(gòu),完成了模擬器的系統(tǒng)平臺研制,實(shí)現(xiàn)了模擬器控制平臺的開發(fā)。完成裝卸貨操作模塊、穩(wěn)性計(jì)算模塊、操作評估模塊等各作業(yè)模塊的系統(tǒng)集成和聯(lián)調(diào)測試,實(shí)現(xiàn)控制平臺核心功能,包括液貨操作練習(xí)的管理,液貨操作練習(xí)的發(fā)送,液貨操作的實(shí)時監(jiān)控,圖形化界面顯示操作過程及結(jié)果,操作結(jié)果的數(shù)據(jù)回放,液貨操作的遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)測試結(jié)果表明,開發(fā)的LNG船液貨操作模擬器的系統(tǒng)平臺適用于模擬器的操作培訓(xùn),并能夠承擔(dān)科學(xué)研究任務(wù)。本文模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)及控制仿真實(shí)驗(yàn)均采用MATLAB/Simulink編程實(shí)現(xiàn),模擬器平臺采用VB開發(fā)。通過實(shí)船數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的正確性和可用性,通過比較實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制器設(shè)計(jì)方法的有效性,設(shè)計(jì)的控制器具有實(shí)現(xiàn)簡單,操作性強(qiáng),易于工程實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn),可以滿足對受訓(xùn)人員手工控制調(diào)節(jié)訓(xùn)練的培訓(xùn)要求。本文研究對模擬器進(jìn)一步研發(fā)起到了推進(jìn)作用,為實(shí)現(xiàn)模擬器國產(chǎn)化有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。
【圖文】：

球綠色低碳發(fā)展的需求日益迫切。低碳、節(jié)能、環(huán)保己日益成為未來全球發(fā)展的主要方逡逑向，低碳和無碳能源成為新熱點(diǎn)［｜］。天然氣作為清潔、高效、環(huán)保、方便的綠色能源，逡逑在化石能源中碳的排放量是最低的，如圖１．１所示。逡逑十億噸二釩化破逡逑１２邋ｒ逡逑石油■天然氣■煤嵌逡逑１９９０邐２０００邐２０１０邐２０２０邐２０３０邐２０４０逡逑圖１．１碳排放量及來源逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｃａｒｂｏｎ邋ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ邋ａｎｄ邋ｓｏｕｒｃｅｓ逡逑－ｌ－逡逑

年天然氣的碳排放量約占總碳排放總量的１６．７％。全球能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)正在向更加綠色和逡逑低碳發(fā)展方向轉(zhuǎn)型，天然氣將在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型中發(fā)揮重要作用，２０１８年世界能源展望報(bào)逡逑告中顯示天然氣產(chǎn)量及在能源消費(fèi)構(gòu)成中的比重也在逐漸上升，如圖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；邐逡逑圖１．２邋—次能源比例逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｐｒｉｍａｒｙ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｒａｔｉｏ逡逑統(tǒng)計(jì)資料表明，２０１６年天然氣消費(fèi)量達(dá)到３．５萬億立方米，占一次能源消費(fèi)比重達(dá)逡逑到２４％，僅次于石油（３３％）和煤炭（２８％）。最新公布的數(shù)據(jù)顯示＇邋２０１７年，天然氣消費(fèi)逡逑增長了邋９６０億立方米，，上升３％，是２０１０年以來的最快增速，產(chǎn)量增長了邋１３１０億立方逡逑米，實(shí)現(xiàn)了金融危機(jī)后的最快增長，預(yù)計(jì)在２０３０年天然氣在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比例由逡逑２０１３年的５％提高到２０３０年的９％。雖然，世界天然氣儲量非常豐富，但分布不均，加逡逑上各地區(qū)天然氣的需求量不一致，這些情況促進(jìn)了天然氣的貿(mào)易進(jìn)出口［７］。液化天然氣逡逑（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ邋Ｎａｔｕｒａｌ邋Ｇａｓ，邋ＬＮＧ）是一種高端天然氣產(chǎn)品，是天然氣經(jīng)脫除重質(zhì)烴、硫化物、逡逑二氧化碳和水等雜質(zhì)
【學(xué)位授予單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：U666.158

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2661651