Диссертация (Исследование и оптимизация нестационарных процессов гелиевого ожижителя-рефрижератора средней мощности), страница 10

Точность преобразователя пристандартных условиях не превышает 0,05 % диапазона измерения, величинатемпературной зависимости показаний преобразователя не превышает0,0025 % диапазона измерения при изменении температуры среды на 1 К.2.4. Программный комплекс для определения характеристик элементовкриогенной системыПрограммный комплекс для определения характеристик элементовкриогенной системы разработан с использованием интерпретируемого языкапрограммирования с динамической типизацией Python 3 [65]. Ввиду болеенизкой скорости математических алгоритмов интерпретируемых языков69программирования с динамической типизацией, для обработки большихмассивов данных использована библиотека для научных вычисленийNumPy [66], ускоряющая выполнение математических операций.

Графическиепостроения выполнены с использованием библиотеки Matplotlib [67].Программный комплекс для определения характеристик элементовкриогенной системы состоит из нескольких модулей (Рисунок 2.6):∙ модульпервоначальнойобработкиархивныхданныхсистемыуправления;∙ модуль определения теплофизических свойств и параметров элементовкриогенной системы;∙ модульфильтрациииграфическогоотображениязависимостейхарактеристик элементов криогенной системы.Для оптимизации хранения данных о работе криогенной системыархивация данных, включая временную метку и значение рабочегопараметра, осуществляется при изменении рабочего параметра. Временнойпромежуток между архивацией данных для быстроизменяющихся параметрови параметров с «зашумленных» датчиков при этом значительно меньшевременного промежутка архивации стабильных параметров.

Временнойпромежуток между процессами архивации данных с датчика давлениянагнетания системы сжатия гелия (2 с) значительно превышает аналогичныйпараметр для процесса архивации данных с датчика частоты вращениятурбодетандера (0,5 с). Данный метод архивации данных, нацеленныйна оптимизацию количества записей архива, производит массив данных,непригодный для анализа характеристик элементов криогенной системы(Рисунок 2.7 а). Для анализа характеристик элементов криогенной системынеобходимо использование набора определенного количества рабочихпараметров криогенной системы, одновременно измеренных в определенныймомент времени. Для создания нового массива данных измерений сдатчиков криогенной системы с общим массивом данных временных метокиспользуется модуль первоначальной обработки архивных данных.

Обработка70Стандартизованнаясистема управленияАрхив системыуправленияБаза данныхпоказаний датчиков1PT302.PV.npz1PT350.PV.npz1PT354.PV.npz1PT358.PV.npz1QT515.PV.npz1ST350.PV.npz1TT354.PV.npz1TT355.PV.npz...d['dp' ]=f(sub,'1PT350','2PT350')d['s_i' ]=f(spt,'1PT350','1TT450')d['h_i' ]=f(hpt,'1PT350','1TT450')d['h_o' ]=f(hpt,'2PT350','1TT459')d['hs_o']=f(hps,'2PT350','s_in' )d['L_s' ]=f(sub,'h_i','hs_o' )d['L']=f(sub,'h_i','h_o')d['eta' ]=f(div,'L','L_s')d['C_s' ]=f(sqrt,f('mul','L_s',2))d['uc']=f(div,'1ST350','C_s')*pi*Dx='uc'y='eta'clr='dp'filter={'stat':lambda x:x==906,'1ST350':lambda x:x>500,}colorPlot(x,y,clr)Перепад давления, барОпределение функций длярасчета необходимыххарактеристикОпределениепараметровграфикаРезультатобработкиданныхРисунок 2.6. Структура программного комплекса для автоматизированнойобработки данных гелиевого ожижителя/рефрижератора (представлен примеранализа двухпараметрической зависимости изоэнтропного КПД ТД отприведенной окружной скорости РК и перепада давления ТД)архивных данных для их представления в виде временных рядов с общимивременными метками выполняется периодически параллельно процессуархивации для предоставления актуальных данных о работе криогеннойсистемы.

Определение временных меток нового массива данных производитсяс использованием набора временных меток всех параметров архива, при этомзначения параметров, не изменившихся во временных метках, дублируются(Рисунок 2.7 б).Определениетеплофизическихсвойствосуществляетсясиспользованием программного пакета для определения свойств веществ71pВХ5,9 барTВХpВЫХTВЫХвремя41,3 К3,19 бар22,1 К12:0112:03(а)12:0512:07pВХTВХpВЫХTВЫХвремя5,9 бар41,0 К3,15 бар22,5 К12:0112:03(б)12:0512:07sВХhВХhS.ВЫХhВЫХвремя41,5 кДж/(кг×К)228,19 кДж/кг180,79 кДж/кг132,12 кДж/кг12:0141,54 кДж/(кг×К)229,75 кДж/кг182,07 кДж/кг132,12 кДж/кг12:03(в)41,54 кДж/(кг×К)229,75 кДж/кг182,91 кДж/кг132,12 кДж/кг12:0541,54 кДж/(кг×К)229,75 кДж/кг182,91 кДж/кг130,04 кДж/кг12:075,9 бар41,3 К3,15 бар22,5 К5,9 бар41,3 К3,19 бар22,5 К5,9 бар41,3 К3,19 бар22,1 КLS47,4 кДж/кг47,68 кДж/кг46,84 кДж/кг46,84 кДж/кгL96,07 кДж/кг97,63 кДж/кг97,63 кДж/кг99,71 кДж/кгηS0,49340,48840,47980,4698время12:0112:0312:0512:07(г)Рисунок 2.7.

Пример поэтапного процесса обработки данных сиспользование разработанного программного комплекса: формат исходныхархивных данных (а); обработанные данные в формате временного ряда (б);определение теплофизических свойств (в) и определение искомыхпараметров криогенной системы (г)REFPROP [68]. Ввиду высокой вычислительной сложности процессаопределениятеплофизическихсвойствсиспользованиемстороннегопрограммного комплекса REFPROP, данная операция производится только в72Перепад давления ∆p, бара)б)Рисунок 2.8. Пример синтаксиса команды графического анализахарактеристики турбодетандера (а), графический результат выполнениякоманды (б)процессе определения требуемых параметров элементов криогенной системы.Определение данных параметров осуществляется после первоначальнойобработки архивных данных с использованием данных каждого издоступных значений времени из временных рядов рабочих параметров(как дублированных, так и измеренных значений).

Набор требуемыхтеплофизических свойств определяется набором искомых параметровэлементов криогенной системы. Для определения изоэнтропного КПДтурбодетандера набор определяемых теплофизических свойств включаетзначения энтропии на входе (sвх ), энтальпии на входе (hвх ), энтальпии навыходе (hвых ), энтальпии в процессе изоэнтропного расширения (h s.вых ).Данныепараметрыопределяютсяирассчитываютсяавтоматически,основываясь на алгоритме расчета определяемого параметра криогенной73системы (Рисунок 2.7 в). Определение искомых параметров элементовкриогенной системы производится на заключительном этапе (Рисунок 2.7 г).Определенные параметры элементов криогенной системы сохраняютсяв виде аналогичных временных рядов для дальнейшего анализа.

Ввидувычислительной сложности подобных вычислений, обработка данных вданном модуле производится в нескольких параллельных циклах.Анализ полученных характеристик элементов криогенной системы врежиме реального времени затруднен наличием неноминальных, сервисныхи нерабочих режимов работы.

Для анализа и графического отображениязависимостей характеристик элементов криогенной системы необходимафильтрация данных временных рядов с учетом рабочего режима криогеннойсистемы. Данная фильтрация может производиться как с использованиеминформации о текущем рабочем режиме системы управления (например,об активности режима захолаживания гелиевого ожижителя/рефрижератора),так и данных рабочих параметров (например, уровня жидкости в сборникежидкого гелия).Главным преимуществом использования созданного программногокомплекса является возможность автоматизации определения характеристикэлементов криогенной системы.

Полный цикл расчета характеристикпроизводится в автоматическом режиме, без участия оператора. Простойсинтаксис команд позволяет производить графический анализ зависимостидвух и более параметров работы криогенной системы (Рисунок 2.8).74ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕНЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССОВКрупные гелиевые криогенные системы, работающие на циклах сдетандерными и дроссельными ступенями, по набору элементов систем(теплообменные аппараты, вентили, компрессорные и расширительныеагрегаты, и др.) сходны с системами химической промышленности.Отличительная особенность криогенных систем заключается в высокихтемпературныхградиентахвнаправленииотверхнихкнижнимтеплообменным аппаратам. Аналитическое описание процессов криогенныхсистемсучетомнестационарностирабочихпроцессовзначительнозатруднено ввиду сильной нелинейной зависимости теплофизическихсвойств рабочих веществ от температуры. Одним из методов решения даннойзадачи является использование инструментов математического моделированияхимических систем.Нестационарныепроцессыкриогенныхсистемхарактеризуютсяизменением теплофизических параметров как в пространстве (вдольнаправления потоков рабочего вещества), так и во времени, то естьописываются математическими моделями с распределенными параметрами.Ограниченное влияние градиентов параметров химических систем впространстве на протекание нестационарных процессов [12] обуславливаетприменениеметодараспределенныхпараметроввсовременныхсистемах математического моделирования химических систем [69].

Приматематическом моделировании криогенных систем градиенты параметровв пространстве могут рассматриваться для ряда задач, связанных сописанием отдельных элементов криогенных систем, например, анализатемпературных полей в теплообменных аппаратах с целью оценки ихпрочностных и усталостных характеристик [70]. В настоящей работеисследование нестационарных процессов криогенной системы производится75спозицииоценкиобщейэнергетическойэффективности,поэтомуиспользование математической модели с распределенными параметраминерационально ввиду высокой вычислительная сложности моделирования.Моделирование криогенных систем с использованием математическихмоделей с сосредоточенными параметрами показывает удовлетворительныерезультаты с позиции согласованности результатов моделирования сэкспериментальными данными [71].Построение математической модели криогенной системы с учетомнестационарности рабочих процессов производится в несколько этапов:∙ определение характеристик аппаратов и агрегатов криогенной системыдля номинальных режимов работы согласно данным техническойдокументации;∙ построение моделей установившихся стационарных режимов работыкриогенной системы (ожижительного и рефрижераторного номинальныхрежимов) с использованием определенных характеристик элементовкриогенной системы для номинальных режимов работы;∙ выбор метода математического моделирования криогенной системы сучетом нестационарности рабочих процессов, определение структурнойсхемы математической модели;∙ определениенеобходимогонабораэкспериментальныхданных,необходимых для построения математических моделей отдельныхэлементов криогенной системы и экспериментальное определениерабочих характеристик аппаратов и агрегатов криогенной системыв широком диапазоне рабочих параметров, а также определениенестационарных «инертных» характеристик, необходимых для расчетапереходных процессов;∙ создание математической модели и моделирование нестационарныхпроцессов криогенной системы;∙ сравнениерезультатовматематическогоэкспериментальными данными.моделированияс763.1.