本發(fā)明涉及船舶工程，尤其涉及一種雙燃料耙吸挖泥船的多模式智能燃料切換系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、在海洋工程領(lǐng)域，耙吸挖泥船作為重要的疏浚作業(yè)工具，其性能與安全性直接關(guān)系到工程項(xiàng)目的效率與環(huán)境保護(hù)。

2、液化天然氣(lng)作為清潔能源，其應(yīng)用于船舶動力系統(tǒng)中已逐漸成為一種趨勢，但是耙吸挖泥船在營運(yùn)過程中，需經(jīng)歷正常航行、挖泥、拋泥等多個工作過程，各過程的運(yùn)行功率差異顯著。在實(shí)際工作中，挖泥船可能會在大功率下作業(yè)，且功率可能瞬間變化。為滿足挖泥船的功率要求，現(xiàn)有的燃料供應(yīng)方式有時會導(dǎo)致燃燒過量燃料，造成能源的極大浪費(fèi)。不僅增加了運(yùn)營成本，還對環(huán)境產(chǎn)生了更大的負(fù)面影響。因此，迫切需要一種能夠?qū)Π椅谀啻墓β逝c燃料產(chǎn)生能量進(jìn)行精準(zhǔn)分配的技術(shù)方案，以提高能源利用效率，降低運(yùn)營成本和環(huán)境污染。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種雙燃料耙吸挖泥船的多模式燃料切換系統(tǒng)，包括：

2、工況監(jiān)測模塊，包括航行工況監(jiān)測單元、挖泥工況監(jiān)測單元和拋泥工況監(jiān)測單元；航行工況監(jiān)測單元用于實(shí)時監(jiān)測獲取耙吸挖泥船航行速度、吃水深度；挖泥工況監(jiān)測單元用于實(shí)時監(jiān)測耙吸挖泥船挖泥設(shè)備的工作狀態(tài)，獲取耙頭深度、泥泵流量和挖泥臂擺動角度；拋泥工況監(jiān)測單元用于監(jiān)測拋泥過程中拋泥設(shè)備的拋泥距離和拋泥速度；

3、智能決策模塊，包括工況識別單元、模式匹配單元、供應(yīng)調(diào)控單元和燃料供應(yīng)模式庫；工況識別單元對工況監(jiān)測模塊采集到的各類工況進(jìn)行分析處理，準(zhǔn)確識別挖泥船當(dāng)前所處的工況類型；模式匹配單元根據(jù)識別出的工況類型，從預(yù)設(shè)的燃料供應(yīng)模式庫中匹配出最佳的燃料供應(yīng)模式，最佳的燃料供應(yīng)模式是在滿足耙吸挖泥船運(yùn)行功率要求的前提下，所需提供的燃油和天然氣最少的模式；供應(yīng)調(diào)控單元在匹配出最佳燃料供應(yīng)模式后，根據(jù)實(shí)時監(jiān)測到的工況參數(shù)變化，對天然氣流量、燃油噴射量、混合比例進(jìn)行調(diào)整；

4、燃料供應(yīng)控制模塊包括天然氣供應(yīng)單元、燃油供應(yīng)單元和模式切換控制單元；天然氣供應(yīng)單元包括天然氣存儲罐、天然氣噴射閥和天然氣輸送管道，用于向發(fā)動機(jī)供應(yīng)天然氣；燃油供應(yīng)單元包括燃油儲存罐、燃油噴射閥和燃油輸送管道，用于向發(fā)動機(jī)供應(yīng)燃油；模式切換控制單元是燃料供應(yīng)控制模塊的核心控制單元，接收供應(yīng)調(diào)控單元的信息，并根據(jù)預(yù)設(shè)的燃料供應(yīng)模式，控制天然氣供應(yīng)單元和燃油供應(yīng)單元的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)燃料供應(yīng)模式的自動切換和混合比例的調(diào)節(jié)，控制天然氣和燃油供應(yīng)系統(tǒng)的閥門開度和噴射時間。

5、進(jìn)一步的，所述的耙吸挖泥船的工況類型分為：航行工況、挖泥工況和拋泥工況；航行工況是指耙吸挖泥船航速大于5kn，挖泥設(shè)備不工作，負(fù)荷較低時的狀態(tài)；挖泥工況是指挖泥船耙頭在海底進(jìn)行挖泥操作，通過耙頭將泥土和水的混合物吸入泥艙的過程。處于挖泥工況的船舶航速較低(通常為2-4kn)，挖泥設(shè)備一直處于工作狀態(tài)。拋泥工況是指耙吸挖泥船到達(dá)拋泥地點(diǎn)后，將泥艙內(nèi)的泥土排出的過程。

6、進(jìn)一步的，所述的預(yù)設(shè)燃料供應(yīng)模式庫中存儲了不同工況下對應(yīng)的燃料供應(yīng)模式及其參數(shù)設(shè)置，如航行工況下各種航速和吃水所對應(yīng)的天然氣單一燃料模式參數(shù)(天然氣流量范圍、噴射時刻等)、挖泥工況下的各種耙頭深度、泥泵流量、挖泥臂擺動角度所對應(yīng)的天然氣和燃油混合供應(yīng)模式參數(shù)(混合比例范圍、動態(tài)調(diào)整策略等)；

7、當(dāng)智能決策模塊接收到耙吸挖泥船航速大于5kn且挖泥設(shè)備、拋泥設(shè)備不工作(無挖泥設(shè)備、拋泥設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù))時，確定當(dāng)前耙吸挖泥船所處工況為航行工況，智能決策模塊根據(jù)耙吸挖泥船的航速和吃水匹配出單一天然氣燃料供應(yīng)模式，并獲取該模式下的天然氣流量設(shè)置，由模式切換控制單元控制燃料供應(yīng)；

8、當(dāng)智能決策模塊接收到耙吸挖泥船航速在2-4kn且挖泥設(shè)備正在工作、拋泥設(shè)備不工作(有挖泥設(shè)備無拋泥設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù))時，確定當(dāng)前耙吸挖泥船所處工況為挖泥工況，智能決策模塊根據(jù)挖泥設(shè)備的工作狀態(tài)(如耙頭深度、泥泵流量、挖泥臂擺動角度)，由模式匹配單元匹配出天然氣和燃油混合供應(yīng)模式，并獲取該模式下的混合比例初始值、燃油和天然氣流量以及動態(tài)調(diào)整策略，由模式切換控制單元控制燃料供應(yīng)；動態(tài)調(diào)整策略通常是根據(jù)不同工況下功率需求的變化來調(diào)整燃料供應(yīng)，如當(dāng)泥泵流量等參數(shù)發(fā)生變化導(dǎo)致功率需求改變時，供應(yīng)調(diào)控單元會依據(jù)功率-燃料混合比例映射表以及發(fā)動機(jī)實(shí)際功率需求的計(jì)算公式來調(diào)整燃料供應(yīng)；具體來說，當(dāng)功率需求增加時，如泥泵流量從100立方米/小時增加到120立方米/小時，供應(yīng)調(diào)控單元會按照一定的比例增加燃油噴射量，同時微調(diào)天然氣流量，使混合比例向燃油方向偏移；功率變化與燃料調(diào)整的對應(yīng)關(guān)系是通過大量實(shí)驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化得到的，例如功率每增加10％，燃油噴射量增加x％，天然氣流量調(diào)整y％。同時，也考慮發(fā)動機(jī)的效率特性、排放要求等因素來綜合制定動態(tài)調(diào)整策略。

9、當(dāng)智能決策模塊接收到耙吸挖泥船挖泥設(shè)備不工作、拋泥設(shè)備正在工作(無挖泥設(shè)備有拋泥設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù))時，確定當(dāng)前耙吸挖泥船所處工況為拋泥工況，智能決策模塊根據(jù)拋泥作業(yè)的拋泥距離、拋泥速度，匹配出天然氣和燃油混合供應(yīng)模式，并獲取該模式下的混合比例初始值、燃油和天然氣流量以及動態(tài)調(diào)整策略，由模式切換控制單元控制燃料供應(yīng)。

10、進(jìn)一步的，所述燃料供應(yīng)模式庫是基于船舶航速、船舶吃水、挖泥耙頭深度、泥泵流量、拋泥距離、拋泥速度以及船舶其他運(yùn)行設(shè)備計(jì)算挖泥船的發(fā)動機(jī)的實(shí)際功率需求，結(jié)合發(fā)動機(jī)實(shí)際功率需求，建立的功率-燃料混合比例映射表，其中，船舶其他運(yùn)行設(shè)備包括挖泥船的照明系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、通信導(dǎo)航設(shè)備、生活設(shè)施相關(guān)設(shè)備(如空調(diào)、淡水供應(yīng)設(shè)備等)、船舶電力系統(tǒng)中的其他輔助設(shè)備(如發(fā)電機(jī)的冷卻設(shè)備、配電柜等)，這些設(shè)備在船舶運(yùn)行過程中都需要消耗一定的功率，所以在計(jì)算發(fā)動機(jī)每小時實(shí)際需求功率時需要考慮它們的功率消耗，由多個工況下的燃料供應(yīng)模式共同組建形成燃料供應(yīng)模式庫，其中，

11、發(fā)動機(jī)每小時實(shí)際需求功率p(w)為：

12、p(w)＝p(v,d)+p(h,q,a)+p(l,s)+p0；

13、其中，v表示航速數(shù)據(jù)，d表示吃水?dāng)?shù)據(jù)，h表示挖泥耙頭深度數(shù)據(jù)，q表示泥泵流量數(shù)據(jù)，a表示挖泥臂擺動角度，l表示拋泥距離數(shù)據(jù)，s表示拋泥速度數(shù)據(jù)，p0為耙吸挖泥船其他設(shè)備運(yùn)行功率；

14、當(dāng)耙吸挖泥船處于航行工況時，p(h,q,a)、p(l,s)均為0；當(dāng)耙吸挖泥船處于挖泥工況時，p(l,s)為0；當(dāng)耙吸挖泥船處于拋泥工況時，p(h,q,a)為0；

15、燃料每秒燃燒實(shí)際產(chǎn)生能量e(j)為：

16、e(j)＝e(x)+e(y)；

17、e(x)為天然氣燃燒產(chǎn)生的能量，e(y)為燃油燃燒產(chǎn)生的能量，當(dāng)天然氣作為挖泥船單一燃料供應(yīng)時，e(y)＝0；

18、發(fā)動機(jī)每小時實(shí)際需求功率與燃料每秒燃燒實(shí)際產(chǎn)生能量關(guān)系式滿足p(w)＝e(j)/3600時，確定當(dāng)前工作狀態(tài)下的燃料混合比例，得到該工作狀態(tài)下燃料供應(yīng)模式，對該工作狀態(tài)下耙吸挖泥船的燃料供應(yīng)模式進(jìn)行模擬，驗(yàn)證該燃料供應(yīng)模式能否滿足船舶所需功率要求。

19、進(jìn)一步的，所述模式切換控制單元在控制燃料供應(yīng)時采用閉環(huán)控制策略，通過實(shí)時監(jiān)測燃料流量和發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率，對燃料供應(yīng)進(jìn)行微調(diào)，確保發(fā)動機(jī)在各種工況下都能穩(wěn)定運(yùn)行；如果發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)實(shí)際需求功率未達(dá)到預(yù)期值，根據(jù)當(dāng)前的燃料供應(yīng)模式，按需增加天然氣或燃油的供應(yīng)量。

20、進(jìn)一步的，所述智能燃料切換系統(tǒng)具備自我學(xué)習(xí)和優(yōu)化能力，通過持續(xù)收集作業(yè)數(shù)據(jù)，分析燃料消耗效率、排放情況及設(shè)備磨損狀況，不斷優(yōu)化燃料供應(yīng)模式。實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的工況匹配與最高的能源利用效率。

21、所述燃料切換系統(tǒng)還包括優(yōu)化模塊，用于分析燃料消耗效率、排放情況及設(shè)備磨損狀況，優(yōu)化燃料供應(yīng)模式，

22、具體執(zhí)行步驟：在挖泥船長期作業(yè)過程中，優(yōu)化模塊持續(xù)收集作業(yè)數(shù)據(jù)，包括不同工況下的燃料消耗效率、排放情況以及設(shè)備磨損狀況，例如，經(jīng)過一段時間的數(shù)據(jù)收集與分析，發(fā)現(xiàn)某一特定挖泥工況下，按照原有的燃料供應(yīng)模式，雖然能滿足功率需求，但燃料消耗較高且排放超標(biāo)。通過分析這些數(shù)據(jù)，調(diào)整功率-燃料混合比例映射表中的參數(shù)，對該工況下的燃料供應(yīng)模式進(jìn)行優(yōu)化，使燃料混合比例更加合理。經(jīng)過多次優(yōu)化后，實(shí)現(xiàn)了更精準(zhǔn)的工況匹配，提高了能源利用效率，降低了燃料消耗和排放。

23、本發(fā)明還提供一種雙燃料耙吸挖泥船的多模式燃料切換方法，包括以下步驟：

24、步驟一，耙吸挖泥船在運(yùn)行工程中，工況監(jiān)測模塊實(shí)時采集當(dāng)前耙吸挖泥船的航行速度、吃水深度以及耙頭深度、泥泵流量、挖泥臂擺動角度、拋泥設(shè)備的拋泥距離和拋泥速度，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦r識別單元；

25、步驟二，工況識別單元對采集到的工況參數(shù)進(jìn)行分析處理，識別耙吸挖泥船當(dāng)前所處的工況；

26、步驟三，模式匹配單元根據(jù)工況識別單元識別出的工況類型，從預(yù)設(shè)的燃料供應(yīng)模式庫中匹配出最佳的燃料供應(yīng)模式，并獲取該模式下的天然氣流量、燃油噴射量、混合比例；

27、步驟四，燃料供應(yīng)控制模塊的模式切換控制單元根據(jù)模式匹配單元提供的模式信息和參數(shù)設(shè)置，控制天然氣供應(yīng)單元和燃油供應(yīng)單元的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)燃料供應(yīng)模式的自動切換、混合比例的調(diào)節(jié)，控制天然氣和燃油供應(yīng)系統(tǒng)的閥門開度和噴射時間；

28、步驟五，在燃料供應(yīng)模式切換后，智能決策模塊的供應(yīng)調(diào)控單元繼續(xù)實(shí)時監(jiān)測工況參數(shù)的變化情況，根據(jù)預(yù)設(shè)的燃料供應(yīng)模式，對燃料供應(yīng)模式中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

29、本發(fā)明具有以下有益效果：

30、第一，提高燃料利用效率：通過調(diào)節(jié)燃料供應(yīng)模式，根據(jù)不同工作狀態(tài)和功率需求精確控制燃料供應(yīng)，減少燃料浪費(fèi)，提高能源利用效率，降低運(yùn)營成本。

31、第二，優(yōu)化發(fā)動機(jī)性能：確保發(fā)動機(jī)在不同工作狀態(tài)下都能獲得最佳的燃料供應(yīng)，避免因燃料供應(yīng)不當(dāng)導(dǎo)致的發(fā)動機(jī)性能下降和磨損，延長發(fā)動機(jī)使用壽命。

32、第三，增強(qiáng)環(huán)保性能：在合適的工作狀態(tài)下使用天然氣單一燃料模式，減少污染物排放，符合環(huán)保要求，減少對海洋環(huán)境的污染。

33、第四，提高船舶運(yùn)行可靠性和適應(yīng)性：能夠根據(jù)船舶的實(shí)時狀態(tài)和環(huán)境變化，靈活調(diào)整燃料供應(yīng)，提高船舶在不同作業(yè)條件下的可靠性和適應(yīng)性，減少人為操作失誤。