Автореферат (Исследование и оптимизация нестационарных процессов гелиевого ожижителя-рефрижератора средней мощности), страница 3

Значение целевой функции определяется при помощичисленного эксперимента с использованием разработанной математическоймодели. Оптимизация процесса захолаживания выполнена для уставкизначения давления в сборнике жидкого гелия (Рисунок 9) и для программыуправления перепускным вентилем нижней ступени (Рисунок 10). Полезныйэффект данных оптимизаций позволяет сократить процесс захолаживанияболее чем на два часа. Результаты проведенных оптимизаций согласуются сэкспериментально полученными результатами с расхождением менее 10 %.910ДД-К04ДР-К02бРВ-5ЗВ-Р01РефрижераторЗВ-Р03гЗВ-К04РВ-К01(ОУ3)ОсновнойкомпрессорДД-К02(ОУ1)РВ-К03РВ-К02ДД-К01(ОУ2)ДД-К03гр. условие по давлению всасыванияДР-К01РВ-Н01Криомодуль №1(нагрузка)РВ-Н03РВ-Н04Емкость длячистого гелия(безпримесей)Емкость длязагрязненногогелия (спримесями)ЗВ-К08РВ-К07ЗВ-К06ЗВ-К05РВ-Н06ПВ-К09ДД-К14ДР-К11ЗВ-К10ДД-К13РВ-К15вДД-К12(ОУ4)РВ-К13РВ-К12ЗВ-К16ДД-К05ЗВ-К14РВ-К11(ОУ6)ВспомогательныйкомпрессорДД-К11(ОУ5)ВакуумныенасосыКриогенныйадсорберДT-Н01(ОУ12)гр.

условие по давлениювсасывания вакуум-насосовКриомодуль №2(нагрузка)Граница математической моделигр. условие по тепловой нагрузкеТепловаянагрузка накриомодулигр. условие по давлению нагнетанияДД-Р01ЗВ-Р02ДьюарРВ-4РВ-Н05РВ – регулирующий вентильЗВ – запорный вентильПВ – предохранительный вентильДД – датчик давленияДР – датчик расходаДТ – датчик температурыОУ – объект управленияДР-К12ЗВ-К18ЗВ-К17Рисунок 3. Принципиальная пневмо-гидравлическая схема криогенной системы проекта ARIEL и граничныеусловия математической моделиаДД-Р02ДД-Р03РВ-Р04РВ-Н02РВ-Р05а)б)Рисунок 4.

Экспериментальные данные зависимости открытия проходногосечения регулирующего вентиля РВ-1 от открытия вентиля (а) и сравнениеполученных экспериментальной и теоретической характеристик (б)Исследование процесса управления холодопроизводительностьюгелиевого ожижителя/рефрижератора выполнено с целью пониженияэнергопотребления установки во время работы на режимах с пониженнойтепловой нагрузкой. Предложенная к использованию модель управленияхолодопроизводительностью на базе цикла с плавающим давлениемнагнетания проверена на реализуемость с использованием разработаннойматематической модели (Рисунок 11).ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ1. Исследованы методы построения математических моделей криогенныхсистем с учетом нестационарности рабочих процессов.2.

Доказана применимость метода масштабирования параметров элементовкриогенной системы при моделировании нестационарных процессов дляупрощения математической модели без потери точности результатовмоделирования.3. Разработана математическая модель криогенной системы, произведенаповерка ее корректности в рамках нестационарного рабочего процесса.Модель позволяет производить симуляцию различных режимов работыкриогенной системы (в т. ч. нештатных) без остановки ускорителязаряженных частиц.11Изоэнтропный КПД10,9a = −9,6; b = 9,98; c = −1,82a = −9,2; b = 10,1; c = −1,97a = −10,8;b = 9,94;c = −1,60,80,7a = −10,1;b = 9,90;c = −1,690,60,50,40,30,20,3a = −10,8;b = 9,94;c = −1,6a = −12,2; b = 10,3; c = −1,5a = −13,4; b = 10,2; c = −1,410,5 0,6 0,7 0,8Отношение скоростей u1 /C sПерепад давления ∆p, бара)0,4∆p = 1∆p = 2∆p = 3∆p = 4барбарбарбар∆p = 5 бар∆p = 6 бар∆p = 7 барб)Рисунок 5.

Экспериментально определенные данные в координатах (u1 /C s ,η s ) первого турбодетандера (а) и аппроксимирующий набор кривых дляразличных перепадов давления (б)4. Исследованаэффективностьметодовоптимизациипроцессазахолаживания гелиевого ожижителя/рефрижератора для программыуправления перепускным вентилем нижней ступени и программыуправления давлением в сборнике жидкого гелия. Данныематематической модели хорошо согласуются с экспериментальнополученными результатами с расхождением результатов менее 10 %.5. Исследована возможность введения новой цепи управления давлениемнагнетания для регулирования холодопроизводительностью криогеннойсистемы.

При использовании данного метода регулированияобеспечивается более экономичная работа установки на режимахработы с пониженной тепловой нагрузкой. Показана возможностьнастройки данной цепи управления с использованием регулирующеговентиля детандерного потока в качестве объекта управления.6.

Доказананеобходимостьэкспериментальногоопределенияхарактеристик турбодетандеров для математического моделированиякриогенной системы с учетом нестационарности рабочих процессов.7. Разработанавтоматизированныйпрограммныйкомплексдля12Степень реактивности ТД0,60,5ρT = a ·(︁ u )︁21Cs+ b · Cu1s + c0,40,30,2a = 1,6; b = −1,31; c = 0,560,100,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7Отношение скоростей u1 /C sа)б)Мощность ТД, ВтРисунок 6. Экспериментальные данные зависимости степени реактивностипервого турбодетандера от приведенной окружной скорости u1 /C s (а) иаппроксимирующая кривая данной зависимости (б)3000АппроксимацияЭксперимент2000100005001000200015002500Частота вращения ротора турбодетандера, Гц3000Рисунок 7. Экспериментально полученная зависимостьхолодопроизводительности первой ступени турбодетандера от скорости исоответствующая аппроксимирующая криваярегистрации и обработки экспериментальной информации сиспользованием стандартизованной системы управления гелиевыможижителем.

Данный программный комплекс позволяет значительноупростить экспериментальное определение характеристик различныхэлементов гелиевых ожижителей, сокращая затраты на построениематематических моделей.1330002502500200200015015001005001000Ta модель Ta экспериментTb модель Tb экспериментTc модель Tc экспериментN1 модель N1 эксперимент01234500Частота вращения ТД, ГцТемпература, К30005 6 7 8 9 10 11 12 13 14Время захолаживания, ч1,21312,51120,811,50,611Время захолаживания, ч (модель)Время захолаживания, ч (эксп.)Энергозатраты безразм. (модель)10,511,11,21,30,40,2ЭнергозатратыВремя захолаживания, чРисунок 8.

Сравнительные графики захолаживания криогенной системы ирезультатов моделирования1,4Уставка давления в Дьюаре во время захолаживания, барРисунок 9. Зависимость общего времени захолаживания от уставки давленияв сборнике жидкого гелия8. На основе полученных экспериментальных, расчетных данных и иханализа сформирована методика построения рациональных гелиевыхкриогенных систем с использованием оптимизационного анализанестационарных процессов, базирующая на следующих положениях:∙ Использовать более дешевые и простые в производствестандартные гелиевые криогенные системы в качестве источника1410,81312,51211,5ЭнергозатратыВремя захолаживания, ч1,21413,50,6Время захолаживания, ч (модель)Время захолаживания, ч (эксп.)Энергозатраты безразм.

(модель)0,40,2010020030050150250Температура начала регулирования перепускным вентилем РВ-2, К8016А70БВ146012501040830620Уровень жидкого гелияОткрытие вентиля РВ-1Открытие вентиля РВ-41000123456Время, чЧастота вращения ТДДавление входа в ТДДавление нагнетания78910Давление, барУровень дьюара, вентилей, частота ТД, %Рисунок 10. Зависимость общего времени захолаживания от уставки началарегулирования перепускного вентиля РВ-242011Рисунок 11. Регулирование холодопроизводительности гелиевогоожижителя/рефрижератора методом изменения давления нагнетания(А: изменение уставки уровня жидкого гелия, Б: начало регулированиядавлением нагнетания, В: повышение тепловой нагрузки)холода для сверхпроводящих установок с системами контроля набазе универсальных программируемых логических контроллеров.∙ Дляускоренияпроцессазахолаживанияосуществлятьоптимизацию давления в сборнике жидкого гелия.

Производить15оптимизацию прочих нестационарных процессов с использованиемматематических моделей для повышения энергетическойэффективности работы гелиевых криогенных систем.∙ Предусматривать возможность расширения стандартной системысжатия и хранения гелия для использования внешней уставкидавления в цепи управления давлением нагнетания.∙ Производить моделирование совместной работы системыкриогенного обеспечения и потребителя холода с учетомнестационарности рабочих процессов для определения потребнойхолодопроизводительности с учетом пиковых нагрузок и в качествепредварительного этапа пусконаладочных работ.Результаты математического и экспериментального исследованиямогут быть использованы в научно-исследовательских лабораториях ипроизводственных центрах, занимающихся разработкой и производствомгелиевых криогенных систем: НПО Гелиймаш (г.

Москва), ПАО Криогенмаш(г. Балашиха), Air Liquide Advanced Technologies (Сассенаж, Франция),Linde Kryotechnik AG (Пфунген, Швейцария), Air Products (г. Аллентаун,США), Praxair (г. Данбери, США), а также производителями современныхпрограммно-аппаратных комплексов для управления техническимисистемами: Siemens AG (г. Берлин, Германия), Schneider Electric(Рюэй-Мальмезон, Франция), Rockwell Automation (г.

Милуоки, США),ООО ОВЕН (г. Москва).ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ1. К вопросу оптимизации затрат при проектировании современныхкриогенных комплексов крупных сверхпроводниковых систем /Р. Р. Нагимов [и др.] // Химическое и нефтегазовое машиностроение.2015. № 1. С. 19–22 (0,40 п.

л. / 0,22 п. л.).2. Нагимов Р. Р., Архаров И. А., Навасардян Е. С. Задачи и развитиеметодов динамического моделирования криогенных систем // Химическоеи нефтегазовое машиностроение. 2016. № 7. С. 24–27 (0,51 п. л. / 0,35 п. л.).3. Integration and Commissioning of the ARIEL e-Linac Cryogenic System atTRIUMF / R. Nagimov [et al.] // Physics Procedia.

2015. Vol. 67. P. 857–862(0,37 p. p. / 0,25 p. p.).4. ARIEL E-linac Cryogenic System: Commissioning and First OperationalExperience / R. Nagimov [et al.] // IOP Conference Series: Materials Scienceand Engineering. 2015. Vol. 101, no. 1. P. 1–8 (0,45 p. p. / 0,2 p. p.).16.