Диссертация (1025160), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Дляснижения данных потерь в данной работе рассмотрен переход к циклу сплавающим давлением нагнетания. Применение данного цикла позволяетпонизить высокое давление цикла снизив потери давления в регулирующемвентиле РВ-1.4.3.1. Цикл с плавающим давлением нагнетанияОсновноеотличиецикласплавающимдавлениемнагнетаниязаключается в наличии дополнительной цепи управления, контролирующейдавление нагнетания системы сжатия в зависимости от величины тепловойнагрузки. Для рефрижераторного цикла с температурой тепловой нагрузки20 К (Рисунок 4.6 а) в качестве показателя величины тепловой нагрузки можетбыть использована температура на выходе из объекта криостатирования.
Дляперехода к циклу с плавающим давлением нагнетания данная температурасвязывается с уставкой высокого давления цикла в цепи управлениядавлением нагнетания системы сжатия (Рисунок 4.6 б).Системасжатияданногоциклавключаетстандартныецепирегулирования давления всасывания и давления нагнетания компрессора,поэтому реализация данного цикла возможна для любой криогенной системы,включающей данные цепи регулирования. Системы сжатия современныхстандартных коммерчески доступных гелиевых ожижителей/рефрижераторовоснащеныданнойфункциональностью,следовательно,могутбытьпереведены на использование цикла с плавающим давлением нагнетания.Современные турбодетандерные гелиевые ожижители/рефрижераторымалойисреднеймощности,какправило,построенынасистемесжатия с одним компрессором винтового типа, поэтому регулированиехолодопроизводительности в таких системах осуществляется изменениемрежимов работы турбодетандеров. Регулирование холодопроизводительноститурбодетандеров может осуществляться следующими методами [15]:137а)б)Рисунок 4.6.
Пример рефрижераторного цикла с фиксированным (а) иплавающим (б) давлением нагнетания [93]∙ Дросселирование – понижение давления газа перед турбодетандеромприпомощирегулирующеговентиля.Придросселированииуменьшаются изоэнтропный перепад энтальпии ∆h s и массовыйрасход газа через турбодетандер. Данный способ прост в реализации,но не экономичен, так как разность между текущим изоэнтропнымперепадом энтальпии ∆h s и располагаемым изоэнтропным перепадомэнтальпии ∆h s.расп характеризует потери холода в турбодетандере.Кроме того, возникают дополнительные потери холода, связанные спонижением КПД турбодетандера из-за перехода на нерасчетный режимработы.∙ Повышение противодавления с помощью регулирующего вентиля за138турбодетандером. Данный метод не получил распространения ввидусвоей неэкономичности и необходимости применения регулирующейарматуры с бо́льшими проходными сечениями по сравнению срегулированием вентилем перед турбодетандером.∙ Изменение степени парциальности подвода газа к рабочему колесупутем перекрытия некоторого числа сопл.
Сопловой аппарат в такихсистемах разбивается на несколько групп сопл, раздельный подводгаза к которым производится через запорные вентили. Данныйспособ характеризуется меньшими потерями холода по сравнению сдросселированием.∙ Изменение расхода газа при помощи поворотных лопаток сопловогоаппарата, изменяющих угол наклона сопл и расстояние междулопатками, то есть высоту сопла. Даный способ регулированиязначительно экономичнее предыдущих, однако связан с изготовлениемсоплового аппарата сложной конструкции, нерационального для малыхтурбодетандеров в составе гелиевых криогенных систем малой исредней мощности.Несмотря на недостатки метода регулирования дросселированием,стандартные системы гелиевых ожижителей/рефрижераторов диапазонамалойисреднейсреднейхолодопроизводительностииспользуютданный метод регулирования ввиду дешевизны и простоты конструкциитурбодетандеров,являющейсяважнымфакторомприихсерийномпроизводстве.
Кроме того, благодаря возможности использования одногорегулирующего вентиля в качестве объекта управления, в отличие отсистем, связанных с индивидуальным регулированием сопловых аппаратовтурбодетандеров, метод регулирования дросселированием характеризуетсяпростотой реализации управляющего воздействия в системе управления ирегулирования [16].В рассматриваемой системе в качестве показателя величины тепловойнагрузкигелиевогоожижителя/рефрижератораиспользуетсяуровеньжидкости в сборнике жидкого гелия по отношению к уставке уровня139(50 %).
Данный показатель отражает общую холодопроизводительностьгелиевогоожижителя/рефрижераторарефрижераторнойзначенииипоотношениюожижительнойнагрузок.холодопроизводительностиустановкиПриквеличиненесогласованномпадающий(растущий)уровень жидкости в сборнике жидкого гелия характеризует недостаточную(избыточную) холодопроизводительность. Данный показатель используется вкачестве регулируемого параметра, ошибкой регулирования является разницамежду уставкой и текущего значения уровней в сборнике жидкого гелия. Всовокупности с регулирующим воздействием открытия дросселирующеговентиля на входе в детандерную ступень, данные параметры составляют цепьуправления холодопроизводительностью системы.
Подобная конфигурацияуправлением холодопроизводительностью характерна для большинствасовременных гелиевых ожижителей/рефрижераторов малой и среднеймощности [94–96].Вподобныхсистемахснижениепотерьхолода,связанныхсдросселированием части потока газа высокого давления в регулирующемвентиле детандерной ступени, возможно методом понижения давлениянагнетания при понижении потребной холодопроизводительности установки.Пониженное давление нагнетания системы сжатия гелия приводит кснижению перепада давления в дросселирующем вентиле детандернойступени, снижая потери холода и снижая потребную мощность на приводкомпрессорной установки. Данный подход реализован в цикле с плавающимдавлением нагнетания [93].Дляпереходакциклусплавающимдавлениемнагнетаниянеобходимо определение параметра, характеризующего текущую потребнуюхолодопроизводительность установки и используемого в качестве уставкив цепи управления давлением нагнетания. Использование в качестведанногопараметраразницымеждууставкойитекущегозначенияуровней в сборнике жидкого гелия нецелесообразно ввиду наличия всуществующей системе контроля цепи управления зависимой от данногопараметра.
Наиболее целесообразным методом изменения существующей140конфигурациисистемыуправленияявляетсявведениеновойцепиуправления, не имеющей общих объектов регулирования и использующейв качестве объекта регулирования новой цепи управления параметра,характеризующеготекущуюхолодопроизводительностьустановкипоотношению к номинальной. Таким параметром может быть:∙ частота вращения турбодетандеров;∙ давление на входе в детандерную ступень после регулирующего вентиляРВ-1;8016А70БВ146012501040830620Уровень жидкого гелияОткрытие вентиля РВ-1Открытие вентиля РВ-41000123456Время, чЧастота вращения ТДДавление входа в ТДДавление нагнетания78910Давление, барУровень дьюара, вентилей, частота ТД, %∙ степень открытия регулирующего вентиля РВ-1.42011Рисунок 4.7.
Регулирование холодопроизводительности гелиевогоожижителя/рефрижератора методом изменения давления нагнетания(А: изменение уставки уровня жидкого гелия, Б: начало регулированиядавлением нагнетания, В: повышение тепловой нагрузки)Изменение давления нагнетания установки изменяет номинальныемаксимальные значения как частоты вращения турбодетандеров, так идавления на входе в детандерную ступень.
Максимальная величина степениоткрытия регулирующего вентиля РВ-1 при этом остается неизменной, что141позволяет использовать данный параметр в качестве объекта регулированияновой цепи управления. Проверка возможности введения данной цепиуправления произведена с использованием контроллера, работающего постандартному алгоритму ПИД-регулирования.Результаты моделирования показывают возможность использованиястандартного алгоритма ПИД-регулирования в цепи управления давлениемнагнетания (Рисунок 4.7). Показана возможность использования степениоткрытия регулирующего вентиля РВ-1 в качестве объекта регулированияпри переменной тепловой нагрузке установки.
Выбранные значениякоэффициентов ПИД-регулятора показывают возможность совместной работыс цепью управления давлением нагнетания. Отклик цепи управлениядавлением нагнетания на изменение уставки давления смоделирован сприменением инерционного звена второго порядка.142ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИВ результате проведенных исследований можно сделать следующиевыводы:1.
Исследованы методы построения математических моделей криогенныхсистем с учетом нестационарности рабочих процессов, доказанаприменимость метода сосредоточенных параметров для моделированияэлементов криогенных систем.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 ускорителячастиц.4. Исследованаэффективностьметодовоптимизациипроцессазахолаживания гелиевого ожижителя/рефрижератора для программыуправления перепускным вентилем нижней ступени и программыуправлениядавлениемвсборникежидкогогелия.Данныематематической модели хорошо согласуются с экспериментальнополученными результатами с расхождением результатов менее 10 %.5. Исследована возможность введения новой цепи управления давлениемнагнетания для регулирования холодопроизводительностью криогеннойсистемы.Прииспользованииданногометодарегулированияобеспечивается более экономичная работа установки на режимахработы с пониженной тепловой нагрузкой. Показана возможностьнастройки данной цепи управления с использованием регулирующего143вентиля детандерного потока в качестве уставки ПИД-регулятора.6.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
