Способ диагностирования и управления работой детандера в криогенной установке Советский патент 1993 года по МПК F25B49/00 

Изобретение касается контроля и управления детандерами, используемыми в составе криогенных установок, в том числе воздухоразделительных установок, гелиевых и водородных ожижителей.

Целью изобретения является расширение рабочего диапазона детандера и обнаружение и устранение нарушения температурного режима его работы, при котором образуется недопустимое количество жидкости.

На фиг. 1 представлена схема системы автоматического контроля и управления, реализующая предлагаемый способ; на фиг. 2 представлена графическая интерпретация процесса расширения газа в детандере - TS- диаграмма; на фиг. 3 представлен алгоритм . диагностики и управления работой детандера в криогенной воздухоразделительной установке.

Пример осуществления предложенного способа диагностирования и управления работой детандера в криогенной воздухоразделительной установке: воздух после регенераторов 1 поступает на разделение в нижнюю колонну 2, часть воздуха через исполнительный элемент 3 подают на расширение в турбодетандер 4. Другая часть воздуха - петля - возвращается в регенератор 1, затем смешивается с детандерным потоком. После охлаждения в турбодетан- дере 4 воздух поступает на разделение в верхнюю ректификационную колонну 5.

В качестве продуктов разделения из установки отводятся газообразный кислород, газообразный азот и некоторое количество жидкого кислорода.

Система автоматического контроля, диагностики и управления содержит управляющую микроЭВМ 6 типа ТВСО-1 (терминал вычислительной связи с объектом), на входы

00 СЛ

ел

СЛ W

которой подают сигналы от датчиков температуры 7 и 8, датчиков давления 9 и 10, установленных соответственно на входе и выходе детандера 4. Управляющие воздействия от-микроЭВМ б подают на исполнительный элемент 3, установленный на входном патрубке детандера А.

Способ диагностирования и управления работой детандера реализуется следующим образом (см.фиг. 2, 3):

с помощью датчиков 7,8,9,10 измеряют и вводят в микроЭВМ 6 значения температур ТВх, Твых и давлений PDx, Рвых газа на входе и выходе детандера 4. По известной зависимости, для данного давления на выходе Рвых, вычисляют температуру сухого насыщенного пара Тнас f (Рвых).

Измеренную температуру Твых сравнивают с Тнас. при этом, если ТВых Тнзс, т.е. газ находится в состоянии перегретого пара, то управляющее воздействие не формируют и процедура диагностирования нормально завершается. Иначе, если Твых Тнас, то на выходе детандера газ находится в состоянии либо насыщенного пара, либо в состоянии парожидкостной смеси. Для разрешения этой неоднозначности и для определения доли жидкости X в газе недостаточно знать температуру и давление газа на входе, так как изотермы и изобары в области парожидкостной смеси под линией насыщения практически нет пересекаются (см.фиг. 2).

В этом случае для определения истинного состояния газа на выходе детандера необходимо знать его энтальпию вых, которую прямым способом как функцию давления и температуры.в области парожидкостмой смеси определить также невозможно. Поэтому с помощью специальной компьютерной программы н.а фортране определяют теплофизи- ческие свойства газа: энтальпию насыщенного пара (нас 1(Рвых), энтальпию газа на входе lex f(Psx, Тих), энтропию и энтальпию газа при адиабатном расширении 5ад f(Pox, Твх).

Затем, пользуясь преобразованной формулой расчета адиабатного КПД г

I ох

вх

ид

О)

вычисляют расчетную энтальпию газа Вых на выходе детандера:

1 1 вх (1 ох -I АД) (2)

При этом КПД 1} АД задается констан- трй, предварительно определенной в области перегретого пара. Затем рассчитывают разность Д I, полученную между энтальпией газа 1нас в области насыщенного пара

и энтальпией Р Lx- газа на выходе детандера:

Д1

нас

Р вых

(3)

С учетом того., что X f( А I), где X - доля жидкости в газе, сравнивают А I с заданным допустимым значением А |д (соответствующее .допустимой доле жидкости в газе Хд). При этом, если выполняется

условие А А д ,то на выходе детандера газ находится в состоянии с долей жидкости не превышающей допустимую величину Хд. На этом процедура диагностирования нормально завершается.

Если же А А1 д , то на выходе детан-. дера - парожидкостная емкость с недопустимой долей жидкости, о чем выдается предупредительный сигнал оператору. Одновременно, в соответствии с ПИ- законом

регулирования формируют и выдают на вен- тил.ь 3 (см.фиг. 1) величину управляющего воздействия (Al-Д1д),, где д - уставка регулятору (соответствующая допустимом, доле жидкости Хд),

В результате изменяются энтальпия газа на входе Вх и разность энтальпий Al, таким образом, что устанавливается требуемый режим с заданной долей жидкости Хд в газе на выходе детандера.

Эффективность применения предложенного способа управления работой детандера, заключается в предупреждении аварийных ситуаций на детандерах и, как следствие, в увеличении длительности рабочей кампании криогенных установок. Формула изобретения Способ диагностирования и управления. работой детандера в криогенной установке путем контроля входных и выходных температур и давлений рабочего газа, по которым периодически с заданной частотой определяют адиабатный КПД, и вычисления энтальпии газа на входе и выходе детандера, энтропии и энтальпии газа при адиабатном

расширении, отличающийся тем, что, с целью расширения рабочего диапазона детандера и обнаружения и устранения нарушения температурного режима его работы, при котором образуется недопустимое

5 количество жидкости, определяют температуру и энтальпию насыщенного пара, а энтальпию газа на входе и выходе детандера, энтропию и энтальпию газа при адиабатном расширении вычисляют при условии равенства температуры газа на выходе из детандера и температуры насыщенного пара, после чего рассчитывают разность энтальпии насыщенного пара и газа на выходе детандера, сравнивают эту разность с допустимой разностью энтальпии, соответствующей допустимой доле жидкости в газе, причем, если эта разность равна или меньше допустимой разности энтальпий, то процедура диагностирования нормально завершается, а если эта

разность больше допустимой, то выдают предупредительный сигнал о нарушении температурного режима детандера и одновременно воздействуют на величину детан- дерного потока в соответствии с величиной рассогласования, устанавливая энтальпию газа, соответствующей допустимой доле жидкости в газе.

Использование: криогенная техника, в частности контроль и управление детандерами в составе криогенных установок, в том числе установок разделения воздуха, водородных и гелиевых ожижителей. Сущность изобретения: способ позволяет осуществлять диагностику работы детандера. При ди- агностировании сравнивают разность октальпий насыщенного пара и газа на выходе детандера с допустимой разностью энтальпий. Если эта разность энтальпий больше допустимой, то выдают предупредительный сигнал и воздействуют на величину детандерного потока газа, изменяя ее до тех пор, пока не установится требуемое значение энтальпии, соответствующее допустимой доле жидкости в газе. 3 ил.

.2. Изображение процесса расширения газа в детандере н. T-S диаграмме

1

г|ок)

i

f вхцц

JCTAN

I

контроль параметров. PBJC, Твх, Рвых.Твых

обращение к полиному Тнас « f ( Рвых )

ЛI я 1цас.

Фиг.З

цикла

1

эасчет и выдача управ- лящего воздействия на вентиль Зпо ПИ-закону регулирования

& f (4l -Л1Д

где -А 1д-уб1 Шооа