Диссертация (1025160), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Оптимизация управления перепускного вентиляНазначение перепускного регулирующего вентиля РВ-2 в процессезахолаживания гелиевого ожижителя/рефрижератора с «теплого» состояния129Рисунок 4.3. Автоматическая программа захолаживания гелиевогоожижителя/рефрижератора в составе математической модели, активен шаг4.24 (Таблица 10)заключается в перепуске части холодного обратного потока без охлаждениятеплоймассынижнихтеплообменныхаппаратовТОА-6иТОА-7.Необходимость перепуска части потока обусловливается следующимифакторами:∙ высокая теплоемкая масса теплообменных аппаратов в процессезахолаживания является основным источником тепловой нагрузки;130∙ температура детандерного потока на выходе из второго турбодетандерав процессе захолаживания значительно ниже температуры обратногопотока после нижних теплообменных аппаратов ТОА-6 и ТОА-7 (безперепуска потока вокруг нижних теплообменных аппаратов);∙ смешение данных потоков в процессе захолаживания сопровождаетсяпроизводством энтропии и замедляют процесс захолаживания.Для снижения потерь от смешения холодного детандерного и теплогообратного потоков осуществляется управление регулирующим вентилем РВ-2для перепуска части обратного потока без теплообмена с теплоемкой массойнижних теплообменных аппаратов ТОА-6 и ТОА-7.В номинальном рабочем режиме установившиеся температурные поля втеплообменных аппаратах обуславливают близость температур при смешенииобратного детандерного потоков.
Расход продукционного потока гелия приэтом напрямую связан с производительностью установки, что обуславливаетнеобходимость полного закрытия регулирующего вентиля РВ-2. Временнаяотсечка закрытия данного регулирующего вентиля при этом характеризуетсянесколькими факторами:∙ зависимостью дроссельного эффекта гелия от температуры;∙ текущей холодопроизводительностью турбодетандеров;∙ тепловойнагрузкойтеплоемкоймассынижнихтеплообменныхаппаратов ТОА-6 и ТОА-7;∙ расходом продукционного и детандерного потоков.Наличие нескольких факторов затрудняет теоретическое определенияоптимального момента закрытия регулирующего вентиля РВ-2, поэтомуоптимизация данного параметра выполнена с использованием разработаннойматематической модели установки.Дляопределенияоптимальногозначениямоментаначалаавтоматического регулирования регулирующего вентиля РВ-2 проведенанализ влияния данного параметра на общую длительность процессазахолаживания гелиевого ожижителя/рефрижератора.
Автоматизированныйпроцесс захолаживания смоделирован для различных значений уставки131УСТ.4Ж (Таблица 10). Окончание процесса захолаживания определяется подостижению уровня жидкого гелия в Дьюаре равным уставке УСТ.4Ш (5 %).1,213,51130,812,50,6120,411,5Время захолаживания, ч (модель)Время захолаживания, ч (эксп.)Энергозатраты безразм.
(модель)ЭнергозатратыВремя захолаживания, ч140,2010020030050150250Температура начала регулирования перепускным вентилем РВ-2, КРисунок 4.4. Зависимость общего времени захолаживания от уставки началарегулирования перепускного вентиля РВ-2Для поверки результатов оптимизации произведено экспериментальноеопределение времени захолаживания при двух значениях уставки УСТ.4Ж,равных 250 К и 100 К (Рисунок 4.4).
Погрешность определения временизахолаживания в обоих случаях не превышает 3 %.Результатыматематическогомоделирования,комбинированногосэкспериментальной поверкой результатов, показывают наличие широкойобласти оптимального значения уставки УСТ.4Ж. Автоматический процессзахолаживания при значении уставки УСТ.4Ж в температурном диапазонеот 100 К до 180 К характеризуется сокращенным временем процесса.Понижение значения уставки ниже температуры 100 К приводит к появлениюнестабильностей(нежелательныхосцилляций)вконтуреуправлениярегулирующим вентилем РВ-2 без существенного сокращения временизахолаживания.Энергозатратыпримоделированииданногопроцесса132определены с использованием среднего расхода гелия через систему сжатия.В качестве рационального значения уставки УСТ.4Ж выбрана температура100 К.4.2.2. Оптимизация давления в сборнике жидкого гелияДавление в сборнике жидкого гелия влияет как на коэффициентожижения в ожижительном режиме, так и на доступное значение тепловойнагрузки криостатирования в рефрижераторном режиме.
Существованиеоптимального значения давления в сборнике жидкого гелия объясняетсяследующими факторами:∙ при повышении давления в сборнике жидкого гелия снижаетсядоступный перепад давления в дросселирующем вентиле, снижаякоэффициентожиженияилидоступнуютепловуюнагрузкукриостатирования;∙ при понижении давления в сборнике жидкого гелия снижаетсядоступный перепад давления между сборником и точкой на всасываниикомпрессорного агрегата, снижая доступный расход обратного потока.В процессе эксплуатации криогенной системы минимальное давлениев сборнике жидкого гелия определяется требуемым перепадом давлениядля обеспечения необходимого расхода жидкого гелия через объекткриостатирования и систему распределения жидкого гелия, поэтомуоптимальное значение данного параметра для номинального режимаэксплуатацииопределяетсяираспределения.системыконфигурациейВпроцессеобъектакриостатированиязахолаживаниягелиевогоожижителя/рефрижератора подача жидкого гелия в объект криостатированияи систему распределения не осуществляется, поэтому ограничение наминимальное значение давления в сборнике жидкого гелия не накладывается.Это позволяет произвести оптимизацию значения давления для данногопроцесса, при этом по окончании процесса захолаживания необходим возврат133значения давления в сборнике жидкого гелия на минимальный требуемыйтехнологическим процессом уровень (1,4 бар).В процессе захолаживания давление в сборнике жидкого гелияподдерживается постоянным при помощи цепи управления регулирующимвентилем РВ-5.
Активация данной цепи управления осуществляется сиспользованием значений уставок УСТ.4А, УСТ.4В и УСТ.4Ф (Таблица 10).Уставка УСТ.4Ф, отвечающая за конечное давление по окончании процессазахолаживания не может быть изменено ввиду ограничения технологическогопроцесса. Величина уставок УСТ.4А и УСТ.4В может быть оптимизированадля ускорения процесса захолаживания.Для определения оптимального значения уставки давления в сборникежидкого гелия проведен анализ влияния данного параметра на общуюдлительность процесса захолаживания гелиевого ожижителя/рефрижератора.Автоматизированный процесс захолаживания смоделирован для различныхзначений уставок УСТ.4А и УСТ.4В (Таблица 10). Окончание процессазахолаживания определяется по достижению уровня жидкого гелия в Дьюареравным уставке УСТ.4Ш (5 %).Для поверки результатов оптимизации произведено экспериментальноеопределение времени захолаживания при двух значениях уставок УСТ.4А иУСТ.4В, равных 1,2 бар и 1,4 бар (Рисунок 4.5).
Погрешность определениявремени захолаживания в обоих случаях не превышает 4 %.Результатыматематическогомоделирования,комбинированногосэкспериментальной поверкой результатов, показывают наличие узкой областиоптимального значения уставок УСТ.4А и УСТ.4В. Автоматический процессзахолаживания при значении уставок УСТ.4А и УСТ.4В в диапазонедавлений от 1,1 бар до 1,18 бар характеризуется сокращенным временемпроцесса. Энергозатраты при моделировании данного процесса определеныс использованием среднего расхода гелия через систему сжатия.
В качестверационального значения уставок УСТ.4А и УСТ.4В выбрано давление1,15 бар.1341,212,51120,811,50,6110,4Время захолаживания, ч (модель)Время захолаживания, ч (эксп.)Энергозатраты безразм. (модель)10,511,11,21,3ЭнергозатратыВремя захолаживания, ч130,21,4Уставка давления в Дьюаре во время захолаживания, барРисунок 4.5. Зависимость общего времени захолаживания от уставки началарегулирования перепускного вентиля РВ-24.3. Оптимизация управлением холодопроизводительностью припониженной тепловой нагрузкеРазработанная математическая модель криогенной системы такжеиспользованадляэнергопотреблениядемонстрациикриогеннойвозможностисистемыприсниженияработесобщегопониженнойхолодопроизводительностью за счет введения новой цепи управления всистему сжатия и хранения гелия.
Проведенные исследования показывают,что снижение затрат электрической мощности криогенной системы припониженных значениях тепловой нагрузки возможно с использованием циклас «плавающим» давлением нагнетания [93]. Возможность модификациисуществующих стандартных гелиевых криогенных систем для использованияданного цикла исследована с использованием разработанной математическоймодели.Управлениехолодопроизводительностьюгелиевогоожижителя/135рефрижератора осуществляется методом регулирования расхода детандерногопотока гелия и автоматического регулирования продукционного потока гелия.Пониженный расход гелия через гелиевый ожижитель/рефрижератор такжевызывает снижение холодопроизводительности ступени предварительногоохлаждения жидким азотом.
Для поддержания оптимального значения долидетандерного потока величина продукционного потока гелия регулируется потемпературе на выходе из детандерной ступени, понижаясь одновременно соснижением доли детандерного потока. Таким образом, настройка величиныоткрытия регулирующего вентиля РВ-1 в совокупности с цепями управленияступенью предварительного охлаждения жидким азотом и дросселирующимвентилем РВ-3 обеспечивают регулирование холодопроизводительностиустановки.Обеспечение стабильности низкого и высокого давлений цикла припонижении расхода гелия через установку осуществляется с использованиемцепей управления давлением всасывания и давлением нагнетания системысжатия гелия.
Согласование мощности сжатия компрессора с потребноймощностью на сжатие требуемого расхода гелия осуществляется припомощи изменения частоты вращения электродвигателя компрессорнойустановки. Данный метод регулирования в отличие от регулирования толькоперепускным вентилем более экономичен по затратам электрической энергии.ПоэтапныйвводкриостатированиявэксплуатациюускоряющихкриогенныхСВЧ-резонаторовмодулейприводиткдлянизкойнагруженности гелиевого ожижителя/рефрижератора в течение первыхфаз эксплуатации ускорителя заряженных частиц. Пониженная тепловаянагрузкавданныепериодыприводиткзначительномуснижениюхолодопроизводительности гелиевого ожижителя/рефрижератора, поэтомуэкономичная работа установки при пониженной холодопроизводительностиопределяет энергетическую эффективность криогенной системы на начальномэтапе эксплуатации.Согласно проведенному анализу основным источником энергетическихпотерь в гелиевом ожижителе/рефрижераторе при работе на пониженной136холодопроизводительности является регулирующий вентиль РВ-1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
