挖泥船泥浆管道输送系统效率优化与控制研究

论文摘要

挖泥船是现代疏浚工程中重要的疏浚工具。绞吸式挖泥船将土壤挖掘和输送的工序一次性完成,具有非常广泛的适应性和较高的工作效率,广泛应用于开发和维护航道、港口码头建设、海洋工程等方面。泥浆管道输送系统是挖泥船的重要组成部分,泥浆输送管道较长,管线上布设有一台或数台泥泵,其能耗占疏浚施工总能耗的80%以上,属于广地域分布的高能耗系统,具有很大的效率优化空间。挖泥船泥浆管道输送系统效率优化和自动控制是疏浚工程研究领域一个非常重要的课题,开展这方面的研究工作不仅可以达到节能降耗、提高系统效率、降低疏浚施工成本的目的,而且能够提高系统的安全性和减轻疏浚施工操作人员的工作强度。实际疏浚施工过程的动态特性非常复杂,泥浆管道输送设备的特性也随着疏浚施工条件和位置的不同而明显变化,使挖泥船泥浆管道输送系统的效率优化和控制变得非常困难。本文提出了一种挖泥船泥浆管道输送系统效率优化评价方法,可以对系统的工作状态进行连续的在线准确评价,有利于在系统安全的前提下对工况点进行在线优化调节,使系统效率趋于最优。对挖泥船泥浆管道输送系统的过程控制、工况点在线动态优化方法和多泵协调控制策略进行了相关的研究工作。工况点在线动态优化方法以系统比能耗最低为优化目标函数,以模糊推理决策和数据融合技术等智能手段为核心,将现有疏浚施工经验、领域专家知识和泥浆管道输送过程的实时数据结合在一起实现系统工况点的在线动态优化,使得在实际疏浚施工过程中,工况点能随着工况的变化而改变,动态地调节到最优,从而达到优化泥浆管道输送系统效率和提高系统安全性的目的。多泵协调控制以系统机组整体效率最高为优化目标函数,利用遗传算法对多台泥泵的转速进行在线优化协调,使得在实际泥浆管道输送过程中,在满足系统工况点动态优化的前提下,实现多台泥泵的协调优化控制,使系统机组的整体工作效率趋于最高。文中对工况点动态优化和多泵协调控制结构、约束条件、模糊推理机制等各方面都进行了比较详细的研究。在疏浚施工现场对系统效率优化和控制性能进行了测试,结果表明泥浆管道输送系统工况点在线动态优化方法和多泵协调控制策略能适应实际疏浚施工环境,可以较稳定地提高泥浆管道输送系统的安全性和工作效率,减少能耗,泥浆输送过程更加平稳。泥浆浓度和流速的稳定控制在挖泥船泥浆管道输送系统中具有至关重要的作用。对于泥浆远距离多泵输送系统,为了消除多台泥泵之间的耦合与相互牵制作用,采用主泵站进行泥浆流速控制而接力泵站进行扬程控制的综合控制方法。针对被控制系统的不同特性,对泥浆浓度、流速和接力泵扬程采用不同的控制方案。文中通过理论分析和现场试验等多种方式验证了各种控制方案的性能,并与以PID为代表的常规控制方案进行了比较。论文各章内容分述如下:第一章论述了挖泥船泥浆管道输送系统效率优化与控制的研究背景、目标和意义。介绍了国内外挖泥船泥浆管道输送系统效率优化的研究内容和研究现状。对挖泥船泥浆管道输送系统自动化控制的研究现状进行了分析。概述了本课题的研究内容及论文所进行的研究工作。第二章分析和介绍了挖泥船泥浆管道输送系统的构成。建立了包括土壤切削与吸口泥浆浓度、离心泥泵、吸泥管道和排泥管道等部分的数学模型,对泥泵的工作特性、管道系统的阻力损失和柴油机的负载特性等重要方面都进行了分析。为课题的深入研究奠定基础。第三章对挖泥船泥浆管道输送系统效率优化的影响因素进行了全面的分析。提出了一种挖泥船泥浆管道输送系统效率优化评价方法,该方法可以对系统的工作状态进行连续的在线准确评价,有利于在系统安全的前提下对工况点进行在线优化调节,使系统效率趋于最优。第四章针对疏浚施工过程中土质和泥浆管道输送系统特性易变的特点,提出了一种挖泥船泥浆管道输送系统工况点在线动态优化方法,使得在实际疏浚施工过程中,工况点能随着工况的变化而改变,动态地调节到最优,从而达到优化泥浆管道输送系统效率和提高系统安全性的目的。对工况点在线动态优化所必须的泥浆浓度测量、泥浆浓度和流速控制等方面进行了相关的研究工作。在疏浚施工现场对所提出的泥浆浓度和流速的控制算法以及工况点在线动态优化方法的有效性进行了试验验证。第五章针对挖泥船泥浆远距离多泵输送系统由于多台泥泵之间存在着很强的相互耦合牵制作用而导致柴油机泥泵机组的整体工作效率偏低的问题进行了研究,提出了一种多泵协调控制方法,该方法以系统机组整体效率本身作为优化目标,利用遗传算法对多台泥泵的转速进行在线协调优化,使系统机组的整体工作效率趋于最高。对多泵协调控制所必须的接力泵扬程控制进行了控制算法方面的研究。在疏浚施工现场对所提出的接力泵扬程控制算法和多泵协调控制方法的有效性进行了试验验证。第六章概括了论文的主要研究工作和研究成果,并展望了今后的研究工作和方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景、目的和意义
• 1.1.1 课题的研究背景
• 1.1.2 课题的研究目的和意义
• 1.2 挖泥船泥浆管道输送系统效率优化研究现状
• 1.2.1 基于系统设备的效率优化研究
• 1.2.2 基于系统匹配的效率优化研究
• 1.2.3 基于泥浆管道输送机理的效率优化研究
• 1.2.4 基于系统工况点的效率优化研究
• 1.3 挖泥船泥浆管道输送系统自动化的研究现状
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 泥浆管道输送系统的建模
• 2.1 引言
• 2.2 土壤切削与吸口泥浆浓度的数学模型
• 2.2.1 绞刀切削的泥沙体积量
• 2.2.2 进入水流的泥沙体积量
• 2.2.3 进入吸口的泥沙体积量
• 2.2.4 吸口泥浆浓度的数学模型
• 2.3 柴油机驱动下的泥泵特性和数学模型
• 2.3.1 柴油机的工作特性
• 2.3.2 泥泵的数学模型
• 2.3.3 柴油机驱动下的泥泵工作特性
• 2.3.4 泥泵的相似定律
• 2.4 泥浆输送管道的数学模型
• 2.4.1 泥浆管道输送阻力损失分析
• 2.4.2 吸泥管道数学模型
• 2.4.3 排泥管道数学模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 泥浆管道输送系统效率优化评价方法
• 3.1 引言
• 3.2 泥浆管道输送系统效率优化目标与途径
• 3.2.1 泥浆管道输送系统效率优化目标
• 3.2.2 泥浆管道输送系统效率优化途径
• 3.2.3 泥浆管道输送系统效率优化约束条件
• 3.3 泥浆管道输送系统效率优化评价指标
• 3.4 管道堵塞风险指标
• 3.4.1 疏浚泥浆密度波的成因及其形变机理
• 3.4.2 基于密度波的管道堵塞风险指标
• 3.4.3 管道堵塞风险指标有效性验证
• 3.5 本章小结
• 第四章 泥浆管道输送系统工况点在线动态优化与控制研究
• 4.1 引言
• 4.2 工况点在线动态优化目标与优化策略
• 4.3 挖泥船输泥管道泥浆浓度在线测量
• 4.3.1 基于弯管流量计的泥浆浓度测量原理
• 4.3.2 径向基函数神经网络泥浆浓度软测量模型
• 4.3.3 泥浆浓度在线测量仿真试验
• 4.4 泥浆浓度控制研究
• 4.4.1 泥浆浓度过程的数学模型
• 4.4.2 泥浆浓度控制方案设计
• 4.4.3 泥浆浓度控制试验研究
• 4.5 泥浆流速控制研究
• 4.5.1 泥浆管道输送系统的构成与特点
• 4.5.2 泥浆流速控制器设计与控制算法
• 4.5.3 泥浆流速模型的离线辨识
• 4.5.4 泥浆流速控制试验研究
• 4.6 工况点在线动态优化方法
• 4.7 工况点在线动态优化试验研究
• 4.8 本章小结
• 第五章 泥浆管道输送系统多泵协调控制研究
• 5.1 引言
• 5.2 泥浆远距离多泵输送系统
• 5.2.1 多泵输送系统的安装方式与特性
• 5.2.2 接力泵安装数量与安装位置确定方法
• 5.3 多泵协调控制目的
• 5.4 多泵协调控制优化目标与控制结构
• 5.5 接力泵扬程控制研究
• 5.5.1 接力泵站的构成与特点
• 5.5.2 接力泵扬程控制方案设计
• 5.5.3 接力泵扬程控制试验研究
• 5.6 基于遗传算法的多泵协调控制策略
• 5.7 多泵协调控制试验研究
• 5.8 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.1.1 工作总结
• 6.1.2 论文的创新工作
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间获得的科研成果及奖励
• 致谢