CN112706900B - 一种基于实时监测的船舶冷却系统的低噪声运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于实时监测的船舶冷却系统的低噪声运行控制方法，涉及船舶技术领域，该方法基于船舶冷却系统在不同运行状态下的系统流量、水力平衡匹配方案和振动噪声数据构建系统运行特性图谱，依据图谱给出的符合系统运行需求的系统运行方案进行系统工况调控，最终选定振动噪声数据最小的方案执行，其调控方案的形成过程更加科学，执行响应速度更快，而且能够考虑管路设备间的相互匹配关系，准确程度和工程适用性都大大提高。

Description

一种基于实时监测的船舶冷却系统的低噪声运行控制方法

技术领域

本发明涉及船舶技术领域，尤其是一种基于实时监测的船舶冷却系统的低噪声运行控制方法。

背景技术

实现船舶的冷却管路系统的多工况、低噪声运行需要具备两个基本的条件：1、全面掌握系统级振动噪声变化规律；2、实现泵、阀等主要振动噪声源设备的低噪声工况点匹配。但目前很难做到这两点，主要原因在于：

1、船舶的冷却管路系统的组成复杂，包含水泵、阀门、消声器等设备，直管、弯管、三通等管路元件以及管路支撑、隔振器等附件，以上设备元件均可成为振动噪声的来源，多个设备元件组成系统后，设备元件间的性能会互相影响、限制，振动和噪声的传递也会相互耦合。由此可见，冷却管路系统的振动噪声传播是一个多源头、多类型、多路径、多耦合的复杂过程，因此对冷却管路系统水力及振动噪声特性的评估难度较大。

2、各设备元件的低噪声运行工况点也存在匹配适应性问题。实现同样的冷却流量存在多种水泵转速和阀门开度组合匹配方案，例如水泵高转速、阀门中等开度，水泵低转速、阀门大开度两种组合方案均能实现同样的流量，但两种方案中水泵和阀门的振动噪声水平变化趋势相反，必须反复迭代才能得到水泵转速和阀门开度的最佳组合方案。

因此现有的独立设备振动噪声特性测试加系统振动噪声传递计算的方法无法全面准确地掌握整个冷却管路系统的振动噪声变化规律，实现不同工况下的低噪声运行。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于实时监测的船舶冷却系统的低噪声运行控制方法，本发明的技术方案如下：

一种基于实时监测的船舶冷却系统的低噪声运行控制方法，该方法包括：

确定船舶冷却系统对应的系统运行特性图谱，系统运行特性图谱存储有船舶冷却系统在不同运行状态下的样本运行数据组，每个运行状态对应的样本运行数据组至少包括船舶冷却系统在运行状态下的系统流量、水力平衡匹配方案和振动噪声数据，样本运行数据组覆盖船舶冷却系统的系统流量的全范围区间，水力平衡匹配方案包括船舶冷却系统中的各个流量调节设备的形成相互匹配关系的工况参数；

确定船舶冷却系统的目标流量，并根据目标流量从系统运行特性图谱中确定对应的K个备选匹配方案，K个备选匹配方案是系统运行特性图谱中系统流量达到目标流量且振动噪声数据最小的K个样本运行数据组中的水力平衡匹配方案，K≥2；

在控制船舶冷却系统按照每个备选匹配方案运行的基础上，按照预定策略调节船舶冷却系统中的各个流量调节设备的工况参数直至船舶冷却系统的实际的系统流量调节至目标流量完成对应的备选方案测试，确定船舶冷却系统的实际的水力平衡匹配方案并采集船舶冷却系统的振动噪声数据；

控制船舶冷却系统按照振动噪声数据最小的一次备选方案测试的实际的水力平衡匹配方案运行。

本发明的有益技术效果是：

本申请公开了一种基于实时监测的船舶冷却系统的低噪声运行控制方法，该方法从降低船舶冷却系统的运行噪声水平出发，通过对系统的水力和振动噪声参数的实时监测，掌握了不同系统流量下系统及各管路设备的水力、振动、噪声特性，建立了系统运行特性图谱。相比于在试验台架上进行单个管路设备特性测试而言，针对已建成管路系统的状态参数进行实时监测能够考虑管路设备间的相互匹配关系，所获得的系统及设备特性的准确程度和工程适用性都大大提高，依据图谱给出的符合系统运行需求的系统运行方案进行系统工况调控，其调控方案的形成过程更加科学，执行响应速度更快。通过对舱室噪声，采用测试手段对管路振动加速度和管内水声数据进行实时监测，能够更加准确和全面的评估系统的振动噪声水平，能够保证工况在线寻优结果的可靠性。

附图说明

图1是本申请的低噪声运行控制方法的方法流程图。

图2是船舶冷却系统安装的各类传感器的安装示意图。

图3是本申请的低噪声运行控制方法的数据流示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种基于实时监测的船舶冷却系统的低噪声运行控制方法，请参考图1所示的流程图，该方法包括如下步骤：

步骤S1，确定船舶冷却系统对应的系统运行特性图谱。

该系统运行特性图谱存储有船舶冷却系统在不同运行状态下的样本运行数据组，每个运行状态对应的样本运行数据组至少包括船舶冷却系统在运行状态下的系统流量、水力平衡匹配方案和振动噪声数据，样本运行数据组覆盖船舶冷却系统的系统流量的全范围区间，水力平衡匹配方案包括船舶冷却系统中的各个流量调节设备的形成相互匹配关系的工况参数。

流量调节设备是船舶冷却系统中具有流量调节功能的管路设备，在本申请中流量调节设备至少包括阀门和水泵，阀门的工况参数为阀门开度，水泵的工况参数为水泵转速，则水力平衡匹配方案包括形成匹配关系的阀门开度和水泵转速。本申请中的振动噪声数据包括舱室噪声、管路支撑振动加速度和管内流噪声中的至少一种，可以通过自定义的数据拟合方式对这三项数据进行拟合，从而确定当前振动噪声数据对应的等级。

本申请的系统运行特性图谱的存储结构示意如下表所示：

需要说明的是，不同水力平衡匹配方案可能实现同一系统流量，比如大开度的阀门配合低转速的水泵，以及中等开度的阀门配合高转速的水泵可能实现的是同一系统流量，因此系统运行特性图谱可能存储有多个系统流量相同的样本运行数据，但对应的振动噪声数据往往是不同的。

为了使用系统运行特性图谱，首先需要构建系统运行特性图谱，本申请的做法是：搭建好船舶冷却系统后，在保持其他流量调节设备的工况参数不变的情况下，调节船舶冷却系统中一个流量调节设备的工况参数，并记录相应的系统流量和振动噪声参数，从而构建形成系统运行特性图谱。比如具体的：首先保证水泵转速为A不变，依次调节阀门至不同的开度，并在每一个开度下记录系统流量；然后调整水泵转速为B不变，重复依次调节阀门至不同的开度，并在每一个开度下记录系统流量，以此循环。

步骤S2，确定船舶冷却系统的目标流量，也即船舶冷却系统需要实现的系统流量。根据目标流量从系统运行特性图谱中确定对应的K个备选匹配方案，K个备选匹配方案是系统运行特性图谱中系统流量达到目标流量且振动噪声数据最小的K个样本运行数据组中的水力平衡匹配方案，K≥2。

K个备选匹配方案可能是系统流量达到目标流量的所有样本运行数据组中的水力平衡匹配方案，也可能只是其中部分样本运行数据组中的水力平衡匹配方案，由此K的取值可以不是一个固定值，比如预先配置最多输出三个备选匹配方案，则若只有两个样本运行数据组的系统流量达到目标流量，则将两个样本运行数据组中的水力平衡匹配方案全部作为备选匹配方案；若有五个样本运行数据组的系统流量都达到目标流量，则选其中振动噪声数据最小的三个样本运行数据组中的水力平衡匹配方案作为备选匹配方案。

步骤S3，在控制船舶冷却系统按照每个备选匹配方案运行的基础上，按照预定策略调节船舶冷却系统中的各个流量调节设备的工况参数直至船舶冷却系统的实际的系统流量调节至目标流量完成对应的备选方案测试，确定船舶冷却系统的实际的水力平衡匹配方案并采集船舶冷却系统的振动噪声数据。

首先，确定该次备选方案测试对应的备选匹配方案，然后控制船舶冷却系统的各个流量调节设备按照该备选匹配方案中对应的工况参数进行运行，判断此时船舶冷却系统的系统流量是否是目标流量，由于筛选出的备选匹配方案是系统流量达到目标流量的样本运行数据组中的数据，因此此时实际的系统流量往往是大于目标流量的，所以需要再调节使得实际的系统流量调节至目标流量。在本申请中系统流量调节至目标流量并不意味着完全相等，两者在预定的误差范围内即可。

船舶冷却系统中的管路设备除了包括流量调节设备之外还包括流量输送设备，流量输送设备是船舶冷却系统中传输流量但不具备流量调节功能的管路设备，这一类管路设备不具备流量调节的功能，其特性仅与传输的流量有关，比如流量输送设备常见的有三通、直管、弯管、过滤器和消声器等。而诸如水泵和阀门之类的流量调节设备具有不同的工况参数，其特性受到系统结构和设备匹配关系的制约，在调节流量调节设备的工况参数时，即需要考虑到这些制约，所以本申请根据预先构建的设备运行特性图谱来调节。根据设备所属类别不同，其对应的设备运行特性图谱存储的信息也不同，流量调节设备的设备运行特性图谱至少包括流量调节设备的不同系统流量下的工况参数与水力参数的对应关系，不同的流量调节设备的水力参数不同，比如水泵对应的水力参数为扬程，阀门对应的水力参数为阻力。而流量输送设备的设备运行特性图谱至少包括流量输送设备在不同系统流量下的水力参数，流量输送设备的水力参数通常是阻力损失特性，除此之外，流量调节设备以及流量输送设备的设备运行特性图谱也可以存储设备对应的振动噪声数据。本申请的不同管路设备的设备运行特性图谱的存储结构示意如下表所示：

在调节各个流量调节设备的工况参数时，根据各个管路设备的设备运行特性图谱调节各个流量调节设备的工况参数，除了要调节系统流量至目标流量之外，还需要使得各个管路设备的水力参数在当前的系统流量下的匹配，比如在各个管路设备的阻力作用下的水压与水泵的扬程是否可以匹配等等。

而在具体调节时，本申请先通过电动阀门执行器进行PID控制调节阀门的开度，再通过变频器进行PID控制调节水泵的转速，PID控制方法可以保证控制的精确和稳定。为了方便调节，设备运行特性图谱通常还包括工况参数及其对应的调控信号之间的对应关系，主要是阀门开度及其对应的调控电流之间的对应关系。

同样的，为了使用不同管路设备的设备运行特性图谱，首先需要构建并存储设备运行特性图谱，本申请对流量调节设备和流量输送设备提供了不同的图谱构建方法：

对于流量输送设备，由于其特性仅与流量有关，几乎不受到系统性制约，因此基于流量输送设备在不同系统流量下的测试数据和/或基于流量输送设备的结构进行理论计算得到的计算数据构建流量输送设备的设备运行特性图谱，也即预先进行实验室测试或理论公式计算得到结果存储形成图谱。

对于流量调节设备，由于其特性受到系统性制约，因此基于流量调节设备在安装状态下不同系统流量时的测试数据构建初始的设备运行特性图谱后，在船舶冷却系统的运行过程中，基于采集到的实测数据更新流量调节设备的设备运行特性图谱。

步骤S4，完成K次备选方案测试后得到K个测试结果，从中筛选出实际的振动噪声数据最小的一次备选方案测试的结果，然后控制船舶冷却系统按照振动噪声数据最小的一次备选方案测试的实际的水力平衡匹配方案运行。本申请中的振动噪声数据最小可以指的是由各项数据拟合得到的振动噪声数据对应的等级最低。除此之外，还可以利用每次备选方案测试得到的实际的系统流量、水力平衡匹配方案和振动噪声数据更新系统运行特性图谱。

在本申请中，上述方法的实现通过上位机、反馈控制系统和实时监控系统实现，实时监控系统主要包括布设在船舶冷却系统中的各类传感器以及数据采集卡，具体的，在船舶冷却系统中，水泵的出口安装有流量计、压力传感器和水听器，阀门的进出口安装有压力传感器和水听器，水泵的基座以及管路支撑位置等出设置振动传感器，管路的通海管口处安装水听器，传声器采用吊装方式悬吊于水泵机组上方1米处，其距离舱室壁面距离大于0.5米，请参考图2所示的结构示意图。系统运行特性图谱和设备运行特性图谱存储于上位机中，可以以特性曲线的方式显示，系统运行特性图谱中的各个样本运行数据组可以按照系统流量的大小进行排列存储。上位机确定备选匹配方案后转换为可被反馈控制系统执行的指令，然后将各个备选匹配方案输出给反馈控制系统，可以按照振动噪声数据所反映的噪声水平由大到小的顺序输出给反馈控制系统。

请参考图3，反馈控制系统将上位机输出的各个备选匹配方案转换为具体的对各个流量调节设备的控制指令从而通过变频器调节水泵转速，通过电动阀执行机构调节阀门开度，同时通过布设的各类传感器采集所需的数据。当完成备选方案测试后，保持系统稳定运行一定时长后进行下一次备选方案测试，然后选择振动噪声数据所反映的噪声水平最小的一个备选匹配方案进行运行。同时将相关的数据上传回上位机，对系统运行特性图谱以及设备运行特性图谱进行更新。待系统稳定运行后，实时监控系统仅对系统流量进行实时监测。以系统流量作为工况判断参数，对管路系统的流量、压力、舱室噪声、振动加速度和管内流噪声进行同步测试，当系统流量发生改变时，监测系统自动判定工况发生变化，通过监测流量实时变化判断系统运行稳定后，对1分钟内的各类型状态参数的动态变化进行实时监测并记录存储，数据用于形成并修正系统运行特性图谱，其余运行时间内仅对舱室噪声、振动加速度和管内流噪声总级的每分钟的平均值进行记录。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于实时监测的船舶冷却系统的低噪声运行控制方法，其特征在于，所述方法包括：

确定船舶冷却系统对应的系统运行特性图谱，所述系统运行特性图谱存储有所述船舶冷却系统在不同运行状态下的样本运行数据组，每个运行状态对应的样本运行数据组至少包括所述船舶冷却系统在所述运行状态下的系统流量、水力平衡匹配方案和振动噪声数据，所述样本运行数据组覆盖所述船舶冷却系统的系统流量的全范围区间，所述水力平衡匹配方案包括所述船舶冷却系统中的各个流量调节设备的形成相互匹配关系的工况参数；

确定所述船舶冷却系统的目标流量，并根据所述目标流量从所述系统运行特性图谱中确定对应的K个备选匹配方案，所述K个备选匹配方案是所述系统运行特性图谱中系统流量达到所述目标流量且振动噪声数据最小的K个样本运行数据组中的水力平衡匹配方案，K≥2；

在控制所述船舶冷却系统按照每个备选匹配方案运行的基础上，按照预定策略调节所述船舶冷却系统中的各个流量调节设备的工况参数直至所述船舶冷却系统的实际的系统流量调节至所述目标流量完成对应的备选方案测试，确定所述船舶冷却系统的实际的水力平衡匹配方案并采集所述船舶冷却系统的振动噪声数据；

控制所述船舶冷却系统按照振动噪声数据最小的一次备选方案测试的实际的水力平衡匹配方案运行。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

利用每次备选方案测试得到的实际的系统流量、水力平衡匹配方案和振动噪声数据更新所述系统运行特性图谱。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述船舶冷却系统的振动噪声数据包括舱室噪声、管路支撑振动加速度和管内流噪声中的至少一种。

4.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述调节所述船舶冷却系统中的各个流量调节设备的工况参数，包括：

确定所述船舶冷却系统中各个管路设备的设备运行特性图谱，所述船舶冷却系统中的管路设备包括流量调节设备和流量输送设备，所述流量调节设备是所述船舶冷却系统中具有流量调节功能的管路设备，所述流量输送设备是所述船舶冷却系统中传输流量但不具备流量调节功能的管路设备，流量调节设备的设备运行特性图谱至少包括所述流量调节设备的不同系统流量下的工况参数与水力参数的对应关系，流量输送设备的设备运行特性图谱至少包括所述流量输送设备在不同系统流量下的水力参数；

根据各个管路设备的设备运行特性图谱调节所述船舶冷却系统中的各个流量调节设备的工况参数，使得系统流量调节至所述目标流量且各个管路设备的水力参数在当前的系统流量下的匹配。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

基于流量调节设备在安装状态下不同系统流量时的测试数据构建初始的设备运行特性图谱，并在所述船舶冷却系统的运行过程中，基于采集到的实测数据更新所述流量调节设备的设备运行特性图谱。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

基于流量输送设备在不同系统流量下的测试数据和/或基于所述流量输送设备的结构进行理论计算得到的计算数据构建所述流量输送设备的设备运行特性图谱。

7.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在保持其他流量调节设备的工况参数不变的情况下，调节所述船舶冷却系统中一个流量调节设备的工况参数，并记录相应的系统流量和振动噪声参数，构建形成所述系统运行特性图谱。

8.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述船舶冷却系统中的流量调节设备至少包括阀门和水泵，则所述按照预定策略调节所述船舶冷却系统中的各个流量调节设备的工况参数，包括：

先通过电动阀门执行器进行PID控制调节所述阀门的开度，再通过变频器进行PID控制调节所述水泵的转速。

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