挖泥船泥漿管道輸送系統(tǒng)效率優(yōu)化與控制研究.pdf

1、挖泥船是現(xiàn)代疏浚工程中重要的疏浚工具。絞吸式挖泥船將土壤挖掘和輸送的工序一次性完成，具有非常廣泛的適應(yīng)性和較高的工作效率，廣泛應(yīng)用于開發(fā)和維護(hù)航道、港口碼頭建設(shè)、海洋工程等方面。泥漿管道輸送系統(tǒng)是挖泥船的重要組成部分，泥漿輸送管道較長，管線上布設(shè)有一臺或數(shù)臺泥泵，其能耗占疏浚施工總能耗的80％以上，屬于廣地域分布的高能耗系統(tǒng)，具有很大的效率優(yōu)化空間。挖泥船泥漿管道輸送系統(tǒng)效率優(yōu)化和自動控制是疏浚工程研究領(lǐng)域一個非常重要的課題，開展這方面

2、的研究工作不僅可以達(dá)到節(jié)能降耗、提高系統(tǒng)效率、降低疏浚施工成本的目的，而且能夠提高系統(tǒng)的安全性和減輕疏浚施工操作人員的工作強(qiáng)度。 實(shí)際疏浚施工過程的動態(tài)特性非常復(fù)雜，泥漿管道輸送設(shè)備的特性也隨著疏浚施工條件和位置的不同而明顯變化，使挖泥船泥漿管道輸送系統(tǒng)的效率優(yōu)化和控制變得非常困難。本文提出了一種挖泥船泥漿管道輸送系統(tǒng)效率優(yōu)化評價(jià)方法，可以對系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)的在線準(zhǔn)確評價(jià)，有利于在系統(tǒng)安全的前提下對工況點(diǎn)進(jìn)行在線優(yōu)化調(diào)節(jié)，

3、使系統(tǒng)效率趨于最優(yōu)。對挖泥船泥漿管道輸送系統(tǒng)的過程控制、工況點(diǎn)在線動態(tài)優(yōu)化方法和多泵協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行了相關(guān)的研究工作。 工況點(diǎn)在線動態(tài)優(yōu)化方法以系統(tǒng)比能耗最低為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以模糊推理決策和數(shù)據(jù)融合技術(shù)等智能手段為核心，將現(xiàn)有疏浚施工經(jīng)驗(yàn)、領(lǐng)域?qū)＜抑R和泥漿管道輸送過程的實(shí)時數(shù)據(jù)結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工況點(diǎn)的在線動態(tài)優(yōu)化，使得在實(shí)際疏浚施工過程中，工況點(diǎn)能隨著工況的變化而改變，動態(tài)地調(diào)節(jié)到最優(yōu)，從而達(dá)到優(yōu)化泥漿管道輸送系統(tǒng)效率和提高

4、系統(tǒng)安全性的目的。多泵協(xié)調(diào)控制以系統(tǒng)機(jī)組整體效率最高為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，利用遺傳算法對多臺泥泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行在線優(yōu)化協(xié)調(diào)，使得在實(shí)際泥漿管道輸送過程中，在滿足系統(tǒng)工況點(diǎn)動態(tài)優(yōu)化的前提下，實(shí)現(xiàn)多臺泥泵的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，使系統(tǒng)機(jī)組的整體工作效率趨于最高。文中對工況點(diǎn)動態(tài)優(yōu)化和多泵協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)、約束條件、模糊推理機(jī)制等各方面都進(jìn)行了比較詳細(xì)的研究。在疏浚施工現(xiàn)場對系統(tǒng)效率優(yōu)化和控制性能進(jìn)行了測試，結(jié)果表明泥漿管道輸送系統(tǒng)工況點(diǎn)在線動態(tài)優(yōu)化方法和多泵協(xié)調(diào)

5、控制策略能適應(yīng)實(shí)際疏浚施工環(huán)境，可以較穩(wěn)定地提高泥漿管道輸送系統(tǒng)的安全性和工作效率，減少能耗，泥漿輸送過程更加平穩(wěn)。 泥漿濃度和流速的穩(wěn)定控制在挖泥船泥漿管道輸送系統(tǒng)中具有至關(guān)重要的作用。對于泥漿遠(yuǎn)距離多泵輸送系統(tǒng)，為了消除多臺泥泵之間的耦合與相互牽制作用，采用主泵站進(jìn)行泥漿流速控制而接力泵站進(jìn)行揚(yáng)程控制的綜合控制方法。針對被控制系統(tǒng)的不同特性，對泥漿濃度、流速和接力泵揚(yáng)程采用不同的控制方案。文中通過理論分析和現(xiàn)場試驗(yàn)等多種方式

6、驗(yàn)證了各種控制方案的性能，并與以PID為代表的常規(guī)控制方案進(jìn)行了比較。 論文各章內(nèi)容分述如下： 第一章論述了挖泥船泥漿管道輸送系統(tǒng)效率優(yōu)化與控制的研究背景、目標(biāo)和意義。介紹了國內(nèi)外挖泥船泥漿管道輸送系統(tǒng)效率優(yōu)化的研究內(nèi)容和研究現(xiàn)狀。對挖泥船泥漿管道輸送系統(tǒng)自動化控制的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析。概述了本課題的研究內(nèi)容及論文所進(jìn)行的研究工作。 第二章分析和介紹了挖泥船泥漿管道輸送系統(tǒng)的構(gòu)成。建立了包括土壤切削與吸口泥漿濃度

7、、離心泥泵、吸泥管道和排泥管道等部分的數(shù)學(xué)模型，對泥泵的工作特性、管道系統(tǒng)的阻力損失和柴油機(jī)的負(fù)載特性等重要方面都進(jìn)行了分析。為課題的深入研究奠定基礎(chǔ)。 第三章對挖泥船泥漿管道輸送系統(tǒng)效率優(yōu)化的影響因素進(jìn)行了全面的分析。提出了一種挖泥船泥漿管道輸送系統(tǒng)效率優(yōu)化評價(jià)方法，該方法可以對系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)的在線準(zhǔn)確評價(jià)，有利于在系統(tǒng)安全的前提下對工況點(diǎn)進(jìn)行在線優(yōu)化調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)效率趨于最優(yōu)。 第四章針對疏浚施工過程中土質(zhì)和泥

8、漿管道輸送系統(tǒng)特性易變的特點(diǎn)，提出了一種挖泥船泥漿管道輸送系統(tǒng)工況點(diǎn)在線動態(tài)優(yōu)化方法，使得在實(shí)際疏浚施工過程中，工況點(diǎn)能隨著工況的變化而改變，動態(tài)地調(diào)節(jié)到最優(yōu)，從而達(dá)到優(yōu)化泥漿管道輸送系統(tǒng)效率和提高系統(tǒng)安全性的目的。對工況點(diǎn)在線動態(tài)優(yōu)化所必須的泥漿濃度測量、泥漿濃度和流速控制等方面進(jìn)行了相關(guān)的研究工作。在疏浚施工現(xiàn)場對所提出的泥漿濃度和流速的控制算法以及工況點(diǎn)在線動態(tài)優(yōu)化方法的有效性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。 第五章針對挖泥船泥漿遠(yuǎn)距離多

9、泵輸送系統(tǒng)由于多臺泥泵之間存在著很強(qiáng)的相互耦合牽制作用而導(dǎo)致柴油機(jī)泥泵機(jī)組的整體工作效率偏低的問題進(jìn)行了研究，提出了一種多泵協(xié)調(diào)控制方法，該方法以系統(tǒng)機(jī)組整體效率本身作為優(yōu)化目標(biāo)，利用遺傳算法對多臺泥泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行在線協(xié)調(diào)優(yōu)化，使系統(tǒng)機(jī)組的整體工作效率趨于最高。對多泵協(xié)調(diào)控制所必須的接力泵揚(yáng)程控制進(jìn)行了控制算法方面的研究。在疏浚施工現(xiàn)場對所提出的接力泵揚(yáng)程控制算法和多泵協(xié)調(diào)控制方法的有效性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。 第六章概括了論文的主要研