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船舶压载水系统仿真建模与控制的研究与实现

2021/3/31    来源:互联网    作者:肖民  姚寿广  路诗奎  张鑫      
关键字:船舶压载水系统  仿真建模  监控  
本文以某油轮为母型船,建立了整个船舶压载水系统的仿真数学模型,并利用MINIS通用仿真平台与Intouch工控组态软件,开发了船舶压载水系统动态仿真与监控程序,基于全PC平台实现了船舶进、出港和货油装、卸过程中压载水系统的动态仿真与监控调节。

引言

    利用计算机对轮机设备和系统的工作过程和控制方式进行仿真,是从事轮机系统研究开发和运行管理人员了解和熟悉轮机设备和系统的工作原理与过程,并进行运行和操作管理训练的有效手段。船舶压载水系统的主要任务是将压载水注入压载水舱或自压载水舱排出压载水,从而达到船舶在航行、进出港、装卸和停泊等不同状态下,保持恰当的排水量、吃水、船体纵向和横向平衡,维持适当的稳心高度,减轻船体振动的目的,是调整船舶浮态的重要辅助系统。目前国内外还没有一套完整的理论支持这方面的研究,国内多数学校和单位对这方面的研究都还处于起步阶段。本文以某4万吨油轮为母型船,在对船舶压载水系统仿真建模和控制方法研究的基础上,利用MINIS通用仿真支撑平台和Intouch工控组态软件实现了整个船舶压载水系统的仿真和控制。

1 船舶压载水系统仿真数学模型

    压载水系统的组成主要有压载水泵、压载水管路和各压载水舱。图1是某4万吨油轮压载水系统原理图。图1中两台压载泵,一台为备用泵,若将压载泵2作为备用,当进行注入操作时,海水经过海水门、阀门V1、压载泵1、阀门V3、V5、V11及各压载水舱支管阀进入各压载水舱。当进行排出操作时,压载水由各压载水舱依次经过各舱支管阀、V11、V2、压载泵1、V3、V4、V12、V13排到两舷集水井再排出舷外。当进行舱间调驳操作时,压载水从左边某些压载水舱经过相应的支管阀、V2、压载泵1、V3、V4、V6、V8和右压载水舱各支管阀进入相应压载水舱。

某油轮压载水系统原理图

图1 某油轮压载水系统原理图

    实现压载水系统的仿真,必须先建立压载水系统的数学模型。压载水系统的数学模型包括压载水泵模型、压载水管网模型。

    1.1 压载水泵数学模型

    水泵性能曲线是在试验的基础上绘制出来的,由水泵生产厂家或有关设计资料提供。在水泵运行特性模拟中,如何将水泵性能曲线转换为计算机图形是确定水泵工况点的关键。因此建立压载水泵数学模型的关键是建立水泵性能曲线拟合的数学方法。

    在所得到的水泵性能曲线上选取若干点(Q1,H1)、(Q2,H2)、…、(Qm,Hm),设该曲线为:

曲线

    则结点偏差的平方和为:

公式

    为使偏差的平方和最小,取偏导数等于零,即

公式

    得方程组:

公式

    解此联立方程,即可求出曲线方程中各项系数。

    从水泵性能曲线可以看出,该曲线接近于二次抛物线。因此,可以用二次抛物线来拟合水泵的性能曲线,即设特性曲线为:

公式

    上述联立方程可简化为:

公式

    由克莱姆法则解此联立方程:

公式

    式中:

公式

    即可得到水泵性能曲线拟合方程。

    1.2 压载水管网数学模型

    图2所示是图1中油轮压载水系统的简化管网布置图。图2中的压载水系统的管网布置图由压载水泵、阀门和连接管路组成。在图2中,阀门4对应的压载水舱为艏尖舱,阀门5~10所对应的压载水舱分别为左边舱No.1~No.6,阀门11~16所对应的压载水舱依次为右边舱No.1~No.6,阀门17所对应的压载水舱为艉尖舱。

某油轮压载水管网布置图

图2 某油轮压载水管网布置图

    压载水系统属于单相不可压缩流体网络系统,已知各边界点压力,可利用矩阵方法计算出网络中每个支路的流量和节点压力。

    阀门流量和两端压差之间的关系式为:

公式

    式中:F为通过该支路的流量(kg/s);V为阀门开度(0-1);P1-P2为阀门两端压差(Pa);k为阀门流导常数,是阻力的倒数,是流体密度的函数。

    对上式进行线性化得:

公式

    式中:(P1-P2)0为上一周期计算出的支路两端压差值;A为线性化流导,此计算周期的A值是用上一周期算出的压差值和阀门开度计算的。

    如图2所示,由于泵的进出口流量相同,所以可以把泵进出口的两个阀门与泵一起简化成一个阀门。这样,写出每个阀门流量和压差之间的线性化方程式:

公式

公式

    对上述方程进行变换,可得:

公式

    对未知压力节点写出质量平衡方程:

公式

    联立方程组(6)和(7)可写出以17个支管流量(F1、F2……F17)和3个节点压力(P1、P2、P3)为未知数的矩阵方程,从而计算出各支路的流量和各节点压力。

2 船舶浮态计算数学模型

    船舶装卸载荷会引起排水量及重心的变化,从而使船舶的浮态及初稳性产生变化。但是在很短的时间段内,船舶装卸的货物量和压载水量对船舶浮态的影响很小,也就是说船舶的浮态变化很小,因此,在船舶浮态计算过程我们采用小倾角稳性公式。

    新横稳性高

公式

    新纵稳性高

公式

    横倾角正切

公式

    纵倾角正切

公式

    船舶吃水

公式

    式中:GM为船舶原横稳性高;GML为船舶原纵稳性高;δd为平均吃水增量;m为油或压载水的重量;z为装卸的油或压载水的垂向位置坐标;Δ为船舶排水量;ρx为液体密度;ix为液面面积惯性矩;y为装卸油或压载水的横向位置坐标;X为装卸油或压载水的纵向位置坐标;xF为漂心纵向坐标;dF1为船的首吃水;dA1为船的尾吃水。

3 船舶压载水系统监控逻辑与操控界面设计

    要了解压载水系统的工作状态,并对管路系统的各种阀件进行操作和控制,还必须设计适合的监控逻辑与操控界面,使轮机人员能够通过界面向仿真模型发出各种动作指令,并能够通过界面直观生动地了解系统管路布置、管路组件的各种工况运行结果、参数大小及报警、趋势显示等。

    船舶压载水系统监控的主要对象有压载水舱中的水位、船舶的浮态(包括纵倾角、横倾角、吃水、稳性高等)、压载泵的开关情况、各支管阀的开度大小及货油舱的油位等。本文根据压载水系统监控的实际需要,利用Intouch工控组态软件,分进(出)港和装(卸)载两种情况为其设计了监控界面。监控界面的特点有:①各种界面之间能够相互切换;②通过各种仪表实时显示参数的变化;③具有实时动画功能。图3-5给出了各种界面设计的具体形式。

压载水管路系统界面

图3 压载水管路系统界面

货油管路系统界面

图4 货油管路系统界面

装载监控面板界面

图5 装载监控面板界面

4 船舶压载水系统仿真与分析

    基于上述已建立的压载水系统和船舶浮态计算数学模型,下面对整个压载水系统进行仿真分析。

    本文选择以Windows NT为操作系统,基于标准FORTRAN 90作为开发语言的MINIS通用仿真支撑平台,在全PC环境下实现了船舶进、出港和货油装、卸过程中,船舶压载水系统的动态仿真。

    图6-8是某油轮空载出港时,压载水系统状态改变引起船舶横倾角、纵倾角和吃水随时间的变化关系曲线。图中,横坐标为时间,图中只截取了前4分38秒时间段内的曲线。图4、5中,纵坐标显示范围为-5~+5度,图6中,纵坐标显示范围为0~10米。

船舶横倾角随时间的变化曲线

图6 船舶横倾角随时间的变化曲线

船舶纵倾角随时间的变化曲线

图7 船舶纵倾角随时间的变化曲线

船舶吃水随时间的变化曲线

图8 船舶吃水随时间的变化曲线

    图2所示系统开始运行时所有的阀门开启,所有的水舱同时注水。图6中曲线的斜率很大,即是横倾角急剧下降,船舶左倾的速度很快;同时,图7中曲线逐渐上升,说明纵倾角从0逐渐增大,船舶出现首倾,这与船舶航行时的要求不符。为了使船舶保持平稳,并使其具有一定的尾倾,首先,关闭阀门4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14,仅对艉尖舱、右边舱注水。此时,图4中横倾角逐渐增大,图7中纵倾角缓慢减小。当纵倾角略微小于0,横倾角也增大到0处附近时,打开阀门7、8、9、11,即对左边舱和右边舱同时注水。此时,船舶的横倾角和纵倾角都变化缓慢,船舶趋于平稳。与此同时,图8中船舶吃水也不断增加。由以上分析可以看出,此仿真结果与实际的压载过程相吻合。

5 结论

    在目前国内外还没有一套完整的理论支持的情况,本文以某4万吨油轮为母型船,建立了整个压载水系统(包括压载泵和压载水管网)和船舶浮态计算的数学模型,并根据压载水系统动态仿真与监控的实际需要,以MINIS为仿真平台,Microsoft FORTRAN PowerStation和Intouch工控组态软件为开发环境,分进(出)港和装(卸)载两种情况开发了压载水管路系统、货油管路系统动态仿真与监控程序,实现了船舶进、出港和货油装、卸过程中压载水系统的动态仿真与实时监控。仿真结果表明与实际的压载过程吻合得很好。

责任编辑:程玥
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