论文部分内容阅读
船用燃气轮机是船舶航行的动力源，能否可靠、安全、高效地运行是船舶完成任务的前提。船舶运行在恶劣的海洋环境和复杂的运行工况下，燃气轮机性能的退化不可避免，同时伴有各类故障的影响。因此，实时、定量、准确地评估船用燃气轮机的运行状态以及预测其未来变化趋势，对于提高船舶运行能效，科学规划运维策略具有重要的研究意义。本文以船用三轴燃气轮机为研究对象，考虑到燃气轮机监测参数主要为热力参数，研究了船用燃气轮机热力性能退化建模技术、燃气轮机运行状态评估及预测方法，初步设计了船用燃气轮机运行状态评估与预测系统，并进行了仿真测试。主要研究内容如下：
(1)开展了船用燃气轮机热力性能退化建模研究，首先基于容积惯性法建立了船用三轴燃气轮机数学模型；然后在分析部件热力性能退化原因的基础上，建立了部件热力性能退化模型；最后研究了部件热力性能退化轨迹建模方法。进行了仿真试验，热力性能退化仿真模型误差不大于5%，热力性能退化模拟误差不大于3%，为船用燃气轮机状态评估和预测提供了数据基础。
(2)针对船用燃气轮机热力参数的量化评估和参数间评估权重确定问题，提出模糊-变权-层次化船用燃气轮机运行状态评估方法。该方法采用最小二乘法建立热力参数健康基准模型，实现了船用燃气轮机热力参数相对健康基准值变化率的监测；然后基于核密度估计方法分别对健康状态和典型故障的热力参数变化率进行统计，建立模糊参数健康度模型，实现了船用燃气轮机参数级状态评估；以退化周期内设备级健康度趋势单调性最大化为优化目标函数，实现船用燃气轮机热力参数评估常权的优化；为了使热力参数评估权重随状态恶化程度动态调整，建立热力参数健康度变权分析方法，实现了船用燃气轮机设备级运行状态评估。燃气轮机运行状态评估仿真试验结果表明，所提出的运行状态评估方法实现了燃气轮机参数级和设备级性能退化监测和退化程度量化评估。
(3)针对船用燃气轮机热力性能退化多时间尺度预测问题，建立燃气轮机健康度自回归移动平均模型(Autoregressive Moving Average, ARMA)，实现燃气轮机运行状态动态预测；利用ARMA动态预测结果构造燃气轮机运行状态新息序列，建立新息-自回归移动平均模型(DirRec-ARMA)，实现燃气轮机运行状态短时预测；采用核密度估计方法对燃气轮机健康度时间序列进行时距统计，建立了核密度估计-新息-自回归移动平均模型(K-DirRec-ARMA)，实现燃气轮机运行状态长时预测。仿真分析了性能退化和故障退化下燃气轮机运行状态多时间尺度预测结果，验证了所提出的基于ARMA船用燃气轮机多时间尺度运行状态预测方法的可行性。
(4)开发了船用燃气轮机运行状态评估与预测系统，设计了燃气轮机运行状态评估与预测软件，进行了船用燃气轮机运行状态评估与预测系统硬件在环仿真试验，初步测试了燃气轮机运行状态的监测、评估以及预测功能，验证了所提状态评估和预测方法的可行性和有效性。
(1)开展了船用燃气轮机热力性能退化建模研究，首先基于容积惯性法建立了船用三轴燃气轮机数学模型；然后在分析部件热力性能退化原因的基础上，建立了部件热力性能退化模型；最后研究了部件热力性能退化轨迹建模方法。进行了仿真试验，热力性能退化仿真模型误差不大于5%，热力性能退化模拟误差不大于3%，为船用燃气轮机状态评估和预测提供了数据基础。
(2)针对船用燃气轮机热力参数的量化评估和参数间评估权重确定问题，提出模糊-变权-层次化船用燃气轮机运行状态评估方法。该方法采用最小二乘法建立热力参数健康基准模型，实现了船用燃气轮机热力参数相对健康基准值变化率的监测；然后基于核密度估计方法分别对健康状态和典型故障的热力参数变化率进行统计，建立模糊参数健康度模型，实现了船用燃气轮机参数级状态评估；以退化周期内设备级健康度趋势单调性最大化为优化目标函数，实现船用燃气轮机热力参数评估常权的优化；为了使热力参数评估权重随状态恶化程度动态调整，建立热力参数健康度变权分析方法，实现了船用燃气轮机设备级运行状态评估。燃气轮机运行状态评估仿真试验结果表明，所提出的运行状态评估方法实现了燃气轮机参数级和设备级性能退化监测和退化程度量化评估。
(3)针对船用燃气轮机热力性能退化多时间尺度预测问题，建立燃气轮机健康度自回归移动平均模型(Autoregressive Moving Average, ARMA)，实现燃气轮机运行状态动态预测；利用ARMA动态预测结果构造燃气轮机运行状态新息序列，建立新息-自回归移动平均模型(DirRec-ARMA)，实现燃气轮机运行状态短时预测；采用核密度估计方法对燃气轮机健康度时间序列进行时距统计，建立了核密度估计-新息-自回归移动平均模型(K-DirRec-ARMA)，实现燃气轮机运行状态长时预测。仿真分析了性能退化和故障退化下燃气轮机运行状态多时间尺度预测结果，验证了所提出的基于ARMA船用燃气轮机多时间尺度运行状态预测方法的可行性。
(4)开发了船用燃气轮机运行状态评估与预测系统，设计了燃气轮机运行状态评估与预测软件，进行了船用燃气轮机运行状态评估与预测系统硬件在环仿真试验，初步测试了燃气轮机运行状态的监测、评估以及预测功能，验证了所提状态评估和预测方法的可行性和有效性。