Li/SF_6金属燃料闭式循环动力系统涡轮机变工况调节方法

本发明属于动力系统控制，具体涉及li/sf_6金属燃料闭式循环动力系统涡轮机变工况调节方法。

背景技术：

1、近年来，世界各国之间对潜艇和水面舰艇等海军装备的竞赛十分激烈，不断提高潜艇的航速和航深以及水面舰艇的航速，为了适应未来反潜反舰的作战需求，鱼雷的航深、航程和航速等性能指标急需提高。li/sf_6金属燃料闭式循环动力系统便可满足上述需求，但该系统中的螺旋管蒸发器的出口温度难以调控。为了使涡轮机在动力系统变工况的情况下仍能稳定运行，提高动力系统的可靠性，开发一种针对该动力系统涡轮机的变工况控制调节算法是非常必要的。

2、涡轮机是通过高温高压的水蒸气来驱动转子转动的，因此水蒸气的温度直接影响着涡轮机的转速。在li/sf_6金属燃料闭式循环动力系统中，过冷水流经盘附在锅炉反应器上的螺旋管蒸发器，并吸收反应器中li和sf_6化学反应释放的热量，沸腾蒸发为过热水蒸气直接进入涡轮机做功，该系统中涡轮机的转速极高，可达十几万转每分，又考虑到涡轮机的材料及其结构强度，蒸发器出口处过热水蒸气的温度不可过高或过低，温度过高会使涡轮机叶片发生热变形，温度过低时，蒸发器出口处的水蒸气夹杂着液滴，高速喷射的液滴会直接对叶片造成较大冲击。总之，温度过高或过低都会严重影响涡轮机的使用寿命和安全性能。因此，需要对蒸发器出口处过热水蒸气的温度加以稳定控制。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供li/sf_6金属燃料闭式循环动力系统涡轮机变工况调节方法，能够使蒸发器出口处过热水蒸气的温度稳定变化，保证涡轮机在变工况下稳定运行，还具有响应快的优点。

2、本发明所采用的技术方案是，li/sf_6金属燃料闭式循环动力系统涡轮机变工况调节方法，循环动力系统将锅炉反应器作为热源对螺旋管蒸发器中的水加热成水蒸气通过喷管喷出推动涡轮机转动，具体为：

3、步骤1、分别输入锅炉反应器、蒸发器、涡轮机的设计参数，以及流体参数；

4、步骤2、根据建模参数建立蒸发器三个相区流体计算数学模型，对数学模型进行网格划分，计算蒸发器出口流体的质量流量、压力和温度tend；

5、步骤3、结合涡轮机参数的计算程序，计算涡轮机基础参数；

6、步骤4、引入闭环控制算法，计算当前时刻的蒸发器入口质量流量和蒸发器出口温度，根据当前时刻蒸发器出口温度进行循环控制。

7、本发明的特点还在于：

8、步骤1中锅炉反应器的参数包括热流密度、熔池温度。

9、步骤1中蒸发器的设计参数包括内螺旋管长度、外螺旋管长度、内、外螺旋管道内径、管道高压、初始入口工质质量流量和期望出口工质温度。

10、涡轮机的设计参数包括背压、涡轮计算半径、涡轮转速、叶片截距、涡轮机材料密度，由以下公式计算涡轮机的基本参数：

11、

12、

13、uwl＝ωwlrwl

14、δh＝he-hpg,o

15、

16、η＝2.2uwl/clt

17、

18、kl＝me/ωwl

19、hwl,o＝he-ηδh

20、式中，mwl为涡轮质量估算值，ρwl为涡轮机材料密度，rwl为涡轮计算半径，db为叶片截距，jzh为系统折合转动惯量，uwl为涡轮线速度，ωwl为涡轮角速度，hpg,o为喷管出口比焓，δh为理论可用焓降，clt为喷管出口速度，η为内效率，me为涡轮机输出力矩，kl为负载力矩系数，hwl,o为涡轮机出口比焓。

21、步骤1流体参数包括流体的温度、密度、动力粘度、比焓、比熵、导热系数和普朗特数以及管内流体速度最大值表示为：

22、

23、式中，vmax为管内流体速度最大值(估计值)，为初始入口工质质量流量，ρg,bh为饱和水蒸气的密度，ae为蒸发器的换热面积。

24、步骤2建模参数包括：

25、设置时间步长，计算划分网格最小长度尺寸：

26、l＝2vmaxδt

27、式中，l为网格最小长度尺寸，δt为时间步长，lzf表示蒸发器的长度，由[lzf/l]+1计算总网格数n；

28、计算平均热流密度：

29、

30、式中，为平均热流密度，he为蒸发器出口工质比焓，hi为蒸发器入口工质比焓；

31、已知蒸发器出口压力、质量流量和比焓存在如下关系：

32、

33、式中，k为比例系数；初始蒸发器出口流体的质量流量的公式为式中为蒸发器入口质量流量；

34、在初始化时用系统高压、初始蒸发器入口质量流量初始估计的出口比焓值估算k值。

35、步骤2中具体过程为：首先根据建模参数建立蒸发器的一维模型，该模型的基础假设如下：

36、质在管内为一维流动；

37、忽略压降损失，即不考虑动量方程；

38、忽略动能的改变；

39、工质和换热壁面之间仅存在径向导热，忽略工质和管壁的轴向导热；

40、忽略中立场的影响；

41、相变流体两相之间处于热力学平衡状态；

42、液相饱和焓与气相饱和焓作为边界判断条件进行相区划分，当蒸发器中的流体的焓值小于液相饱和焓时，流体处在液相区；当流体的焓值大于液相饱和焓且小于气相饱和焓时，流体处在两相区；当流体的焓值大于气相饱和焓时，流体处在气相区；

43、将蒸发器沿轴线一维展开，根据液相区两相区和气相区三个相区划分成n个网格，每个网格作为一个控制体；

44、在对网格中心点坐标的循环计算过程中添加上述判断条件，即可得到液相区长度ll和两相区长度le，气相区长度lg＝lzf-ll-le；循环计算过程如下：第一个网格中心点坐标为(1,0.5l),则第二个网格中心点坐标为(1,l+0.5l)，以此类推，第j个网格中心点坐标为(1,(j-1)l+0.5l)，其中，j的最大值为n；

45、液相和气相区的nu数由以下公式计算：

46、nu＝0.023ctre0.8pr0.4cr

47、式中，nu为努塞特数，re为雷诺数，pr为普朗特数，ct为温差修正系数，对于液体，对于气体，其中，μf为流体动力粘度，μw为近壁面流体动力粘度，tw为近壁面流体温度，tf为流体温度，cr为蒸发器修正系数，对于液体，对于气体，其中，d为螺旋管蒸发器内径，r为螺旋半径；

48、换热系数由以下公式计算：

49、α＝nuλ/d

50、式中，α为换热系数，λ为导热系数；

51、两相区的换热系数由以下公式计算：

52、

53、

54、式中，kf为pierre沸腾因子，hg,bh为气相饱和焓，hl,bh为液相饱和焓，g为重力加速度；

55、相区的换热量由以下公式计算：

56、q＝αae(tw-tf)

57、式中，q为管壁与流体的换热量；

58、对上述公式进行离散化处理，利用for循环程序进行计算：循环次数为n，依次计算液相区、两相区和气相区的参数，每个相区均用一个for循环，在相邻两相区间增加上述相区判定条件，即计算得到整个蒸发器每个网格中各个参数；设定仿真时间t，时间步长δt，则循环次数为t/δt，将以上3个for循环程序嵌套于另一个for循环中，则计算得到每个网格中各个参数在不同时间节点的值；

59、以下公式为单个控制体内相变流体的能量守恒关系：

60、

61、式中，mzf,f为控制体的质量，分别代表控制体的入口和出口的质量流量，hzf,i、hzf,o分别代表控制体的入口和出口的比焓，qzf,w,i为管壁吸收的热量，将上式离散可得单位时间内某个控制体内的比焓增量dh，则该控制体下一时刻的比焓值为hi+1＝hi+dh·δt，式中，i为时刻，则该控制体下一时刻的出口温度可根据hi+1和系统高压p，调用nist物性函数库求得，最后一个控制体的出口温度即为蒸发器的初始出口温度tend；

62、对于单个控制体，蒸发器内相变流体的质量守恒关系为：

63、

64、计算第i时刻蒸发器出口压力pi，公式如下：

65、

66、步骤3具体过程为：

67、利用步骤2中算得的螺旋管蒸发器出口工质比焓和出口压力，调用nist物性函数库求得喷管入口比熵；由于涡轮机做功可视作等熵过程，有喷管入口比熵等于喷管出口比熵，利用蒸发器出口压力和喷管入口比熵，调用nist物性函数库求得喷管出口比焓；利用涡轮机的基础参数计算公式计算涡轮机的基础参数δh、clt、uwl、η和hwl,o。

68、步骤4具体过程为：

69、步骤4.1、对步骤2的数学模型的蒸发器三个相区之前添加增量式pi控制，在给定涡轮机一个初始的转速到t1时刻加入扰动，扰动持续至t2时刻；计算在t1～t2范围内的第i+1时刻蒸发器出口质量流量

70、

71、

72、

73、式中，ρg,bh为饱和气体密度，ρe为蒸发器出口工质密度，以上两个参数均可调用nist物性函数库求得，aend为蒸发器外螺旋管换热面积；tend表示水蒸气经过气相区所需的时间；

74、步骤4.2、设定蒸发器出口温度的期望值tset，控制量为蒸发器出口温度tend，增量式pi的离散公式如下：

75、δu(i)＝u(i)-u(i-1)＝kp{e(i)-e(i-1)}+kie(i)

76、e(i)＝tend-tset

77、式中，δu(i)为蒸发器入口工质的质量流量，kp为比例系数，ki为积分系数，e(i)为偏差；

78、则当前时刻的蒸发器入口质量流量u(i)：

79、u(i)＝u(i-1)+δu(i)

80、步骤4.3、结合涡轮机基础参数计算涡轮机转速：

81、

82、ωwl(i+1)＝ωwl(i)+δωwl(i)·th；

83、式中，δωwl为单位时间内涡轮机转速增量，ωwl为涡轮机转速；

84、步骤4.4、根据当前时刻的蒸发器入口质量流量u(i)计算该时刻的蒸发器出口温度tend(i)，判断该时刻的蒸发器出口温度tend(i)是否达到设定蒸发器出口温度的期望值tset，若达到，完成涡轮机变工况调节，若未达到，返回步骤3。

85、本发明的有益效果是：

86、本发明li/sf_6金属燃料闭式循环动力系统涡轮机变工况调节方法，根据实际工程需要进行仿真计算得到螺旋管蒸发器和涡轮机的参数，并在之后对加入扰动后的系统进行了增量式pi控制，使蒸发器出口温度维持在允许的波动范围内，从而实现涡轮机的转速变工况调节控制，适用于li/sf_6金属燃料闭式循环动力系统涡轮机的变工况调节控制，为此类系统中涡轮机转速的调控提供了一种控制策略，并可以根据工程需要调节控制参数。