CN112666997B - 一种高温高压系统的升压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温高压系统的升压控制方法，基于气体物性参数特点，考虑升压过程中增压泵的工作特性、稳压过程和储液罐加热过程中的传热现象对温度和压力参数的影响，给出了适用于高温高压系统的升压控制方法，可准确计算增压泵的关闭时间，控制结果精准可靠。本发明的方法可以使高温高压系统内的压力一次性升高至指定压力值，大大改善了设备的运行环境，提高了设备的使用寿命，同时，不存在因为增压泵等设备的启停操作而导致的压力波动问题。所用的参数为压力、温度和时间，均为常规参数，测量装置和实施步骤简单通用，可大大节约测量装置成本和测量时间。

Description

一种高温高压系统的升压控制方法

技术领域

本发明属于流体压力控制领域，具体涉及一种高温高压系统的升压控制方法。

背景技术

针对高温高压系统的升压控制，现有的压力控制方法多为带有负反馈的计算机控制系统与增压泵、截止阀等调压设备的联合控制，根据设定压力值与实际压力值的比对结果来对高温高压系统的压力进行自动调节。该压力控制方法中，需要对增压泵、截止阀等调压设备进行反复的启停操作，设备工作条件较差，尤其是在高温高压工况下，频繁的设备启停操作对设备性能和使用寿命等提出了巨大的挑战。其次，调压设备的频繁启停，会使得高温高压系统内压力存在一定的波动，而不是稳定在某一压力值上。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种高温高压系统的升压控制方法，能够更加精确的对高温高压系统的升压过程进行控制。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种高温高压系统的升压控制方法，包括：

在高温高压系统升压开始之前，获取高温高压系统中的稳压罐体积V_w、储液罐直径D_c、储液罐高度H_c和储液罐内液位高度H_L，并获取储液罐内液态工质欲达到的目标温度T_L以及高温高压系统欲达到的目标压力p_∞；

在高温高压系统升压开始时，获取高温高压系统的升压初始时刻t₀，并获取在升压初始时刻t₀高温高压系统所处的环境温度值T₀和高温高压系统的压力值p₀；

根据T₀、T_L和p_∞求取储液罐内液面以上区域由于液态工质被加热导致的该区域压力升高值Δp_c,up；

根据Δp_c,up、V_w、D_c、H_c和H_L求取高温高压系统的压力升高值Δp_up；

在高温高压系统升压过程中，获取升压过程中的第一时刻t_c1以及在第一时刻t_c1对应的第一压力值p_c1，获取升压过程中的第二时刻t_c2以及在第二时刻t_c2对应的第二压力值p_c2；

根据t₀、p₀、t_c1、p_c1、t_c2和p_c2求取第一系数k、第二系数c和增压泵的输出压力p_zy；

获取当高温高压系统的压力升高至目标压力p_∞时稳压罐的温度T_∞；

根据p_∞和T_∞确定高温高压系统内的气体密度ρ_g；

根据ρ_g和T₀确定高温高压系统在稳压过程中，当稳压罐的温度降低至环境温度值T₀时高温高压系统的压力值p_∞,down；

根据p_∞和p_∞,down求取由于稳压罐的温度降低至环境温度值T₀导致的高温高压系统的压力下降值Δp_down；

根据p_∞、Δp_down和Δp_up求取升压完成时刻高温高压系统内的理论压力p_max；

根据k、c、p_zy和p_max求取增压泵的关闭时刻，在增压泵的关闭时刻关闭增压泵，则高温高压系统升压完成。

进一步地，所述根据T₀、T_L和p_∞求取储液罐内液面以上区域由于液态工质被加热导致的该区域压力升高值Δp_c,up具体为，利用如下公式进行求解：

进一步地，所述根据Δp_c,up、V_w、D_c、H_c和H_L求取高温高压系统的压力升高值Δp_up具体为，利用如下公式进行求解：

进一步地，所述根据t₀、p₀、t_c1、p_c1、t_c2和p_c2求取第一系数k、第二系数c和增压泵的输出压力p_zy具体为，联立下面两个公式进行求解：

p₀＝p_zy-exp(-kt₀-c)

p_c1＝p_zy-exp(-kt_c1-c)

p_c2＝p_zy-exp(-kt_c2-c)。

进一步地，所述根据p_∞和p_∞,down求取由于稳压罐的温度降低至环境温度值T₀导致的高温高压系统的压力下降值Δp_down具体为，利用如下公式进行求解：

Δp_down＝p_∞-p_∞,down。

进一步地，所述根据p_∞、Δp_down和Δp_up求取升压完成时刻高温高压系统内的理论压力p_max具体为，利用如下公式进行求解：

p_max＝p_∞+Δp_down-Δp_up。

进一步地，所述根据k、c、p_zy和p_max求取增压泵的关闭时刻具体为，利用如下公式进行求解：

p＝p_zy-exp(-kt-c)

式中，t表示高温高压系统在升压过程中的任一时刻；p表示高温高压系统在升压过程中的时刻t对应的压力值，令p＝p_max。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明提供的一种高温高压系统的升压控制方法，基于气体物性参数特点，考虑高温高压系统升压过程中增压泵的工作特性、稳压过程和储液罐加热过程中的传热现象对温度和压力参数的影响，给出了适用于高温高压系统的升压控制方法，可准确计算增压泵的关闭时间，使得高温高压系统内压力一次性增加至最终目标值，无需二次调节或负反馈调节等操作，控制结果精准可靠。具体的说，首先，考虑到升压过程中增压泵的工作特性，通过对升压起始点及升压过程中任意两个检测点的温度、压力和时间的参数测量，对增压泵工作过程中高温高压系统内的压力随时间的变化函数进行计算，以便增压泵关闭时间进行精确计算。其次，考虑到稳压过程中稳压罐内温度逐渐降低至环境温度以及储液罐加热过程对高温高压系统内的压力有一定的影响，通过对高温高压系统中的稳压罐体积、储液罐直径和储液罐高度参数及温度和压力的测量值，对稳压过程中稳压罐内温度降低至环境温度导致的压降Δp_down和储液罐内液态工质加热过程中导致的高温高压系统气体压升Δp_up精确计算，并结合增压泵工作过程中高温高压系统内的压力随时间的变化函数，精确计算增压泵关闭时间。再次，本发明的方法可以使高温高压系统内的压力一次性升高至指定压力值，不需要增压泵、截止阀等调压设备的反复、频繁的启停操作，尤其是在高温高压工况下，大大改善了设备的运行环境，提高了设备的使用寿命。第四，利用本发明的升压控制方法在实施过程中，高温高压系统的压力曲线变化平缓，不会因为增压泵等设备的启停操作而出现压力波动问题，对于压力有严格要求的高温高压系统更加适合，这进一步的提高了本发明的适用范围。最后，本发明所用的参数为压力、温度和时间，均为常规参数，测量装置和实施步骤简单通用，可大大节约测量装置成本和测量时间。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明高温高压系统升压控制系统示意图；

图2为本发明升压和稳压过程中的压力和温度参数变化示意图。

图中，p、T和t分别表示压力值(MPa)、温度值(℃)和时间(s)；下角标0表示初始状态；下角标max表示高温高压系统注气完成点(此时高温高压系统内压力和温度均达到最高值)；下角标c1和c2分别表示升压过程中的两次压力测量点；下角标∞表示目标压力对应的参数值；

1-系统压力测点；2-稳压罐温度测点；3-稳压罐安全阀；4-稳压罐排气电动阀；5-稳压罐；6-进气气动阀；7-增压泵；8-氩气源电动阀；9-氩气源；10-储水罐；11-翻板式液位计；12-储水罐加热棒；13-储水罐温度测点；14-进水泵；15-进水气动阀；16-排水气动阀；17-排水口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

理论分析可知，对封闭的容器内气体压力影响较大的参数即为温度。也就是说，对于注入一定量气体后进行密闭的封闭系统，与外界不存在传质现象，而受到本身温度与外界温度的影响，传热问题对高温高压系统内压力的影响效果较为显著。对此，若对升压过程及稳压过程中的传热现象对压力的影响进行定量计算，即可采取一定措施来保证一次升压操作完成后高温高压系统的最终压力为设定值，而不需要进行多次频繁的反馈调节等操作。

高温高压系统欲达到的目标压力p_∞，即高温高压系统内的最终压力p_∞主要取决于升压完成时刻的理论压力p_max、稳压过程中由于稳压罐内温度降低导致的压降Δp_down和储液罐内液态工质加热过程中导致的高温高压系统气体压升Δp_up，即p_∞＝p_max-Δp_down+Δp_up。其中，目标压力p_∞为设计压力，为已知量；Δp_down和Δp_up可通过高温高压系统的结构参数和预达到的目标工况参数以及升压过程中温度、压力测量值来计算得到；根据p_∞、Δp_down和Δp_up，可得到高温高压系统升压完成时刻的理论压力p_max并用于精准控制增压泵的关闭时间。本发明对升压完成时刻的理论压力p_max、稳压过程中稳压罐内温度降低导致的压降Δp_down和储液罐内液态工质加热过程中导致的高温高压系统气体压升Δp_up进行了详细准确的说明和计算，包括高温高压系统在升压过程和稳压过程中多次压力和温度参数的测量、计算处理及增压泵关闭时间的计算方法。

结合图1和图2所示，作为本发明的某一具体实施方式，一种高温高压系统的升压控制方法，包括：

在高温高压系统升压开始之前，获取高温高压系统中的稳压罐体积V_w、储液罐直径D_c、储液罐高度H_c和储液罐内液位高度H_L，并获取储液罐10内液态工质欲达到的目标温度T_L以及高温高压系统欲达到的目标压力p_∞。

在高温高压系统升压开始时，获取高温高压系统的升压初始时刻t₀，并获取在升压初始时刻t₀高温高压系统所处的环境温度值T₀和高温高压系统的压力值p₀。

根据T₀、T_L和p_∞求取储液罐内液面以上区域由于液态工质被加热导致的该区域压力升高值Δp_c,up；为防止储液罐10内液态工质加热时稳压罐整体温度升高，要求储液罐10内液位以上高度H_up(H_up＝H_c-H_L)超过1m，此时可认为储液罐10与稳压罐5的接触部位温度可降低至环境温度T₀。为计算储液罐10内液位以上高度H_up范围内的温度，从而计算由于该部分加热升温而导致的高温高压系统内的压力升高情况，假设该部分温度呈线性分布，可得到储液罐10内液位以上区域的平均温度为T₀＝(T_L+T₀)/2。由理想气体状态方程可知，储液罐10内液位以上区域的压升Δp_c,up满足下列公式：

根据储液罐10内液位以上区域的压升Δp_c,up可计算高温高压系统整体气体压升Δp_up为：

其中，V_w为稳压罐体积，

为储液罐10内液位以上区域的体积。至此，储液罐10内液态工质加热过程中导致的容器气体压升Δp_up计算已经完成。

开启进水气动阀15及进水泵14，持续监测储液罐10内的翻板式液位计11的信号值，直至液位升高至设定值H_L，关闭进水气动阀15，关闭进水泵14。

开启氩气源9的氩气源电动阀8，为增压泵7提供气源；开始增压泵7；开始进气气动阀6，开始向系统内进行注气操作。

为了对增压泵的关闭时间进行精确控制，需要对升压过程中系统压力p随时间t的变化函数进行确定。具体的，假定升压过程中增压泵的输出压力p_zy不变，系统压力p随时间t逐渐增大，如附图2所示，则系统压力p的变化率为：

积分后可得到系统压力p随时间t的变化函数为：

p＝p_zy-exp(-kt-c) 式(2)

其中，第一系数k、第一系数c及增压泵输出压力p_zy为未知常数，因此，在升压过程中分别获取高温高压系统的升压初始时刻t₀和升压初始时刻t₀对应的高温高压系统的压力值p₀、检测点1的第一时刻t_c1和第一时刻t_c1对应的第一压力值p_c1及检测点2的第二时刻t_c2和第二时刻t_c2对应的第二压力值p_c2，带入式(1)得到：

p₀＝p_zy-exp(-kt₀-c) 式(3)

p_c1＝p_zy-exp(-kt_c1-c) 式(4)

p_c2＝p_zy-exp(-kt_c2-c) 式(5)

联立式(3)、式(4)、式(5)即可求解第一系数k、第二系数c及增压泵输出压力p_zy，即得到完整的系统压力p随时间t的变化函数式(2)。

获取当高温高压系统的压力升高至目标压力p_∞时稳压罐的温度T_∞，根据p_∞和T_∞确定高温高压系统内的气体密度ρ_g；

根据气体密度ρ_g和升压初始时刻t₀高温高压系统所处的环境温度值T₀计算稳压过程中稳压罐的温度降低至环境温度T₀时高温高压系统所对应的压力p_∞,down；

根据高温高压系统欲达到的目标压力p_∞和稳压罐的温度降低至环境温度时高温高压系统所对应的压力p_∞,down来计算稳压罐内温度降低导致的高温高压系统的压降Δp_down＝p_∞-p_∞,down。

根据高温高压系统内的目标压力p_∞、稳压过程中稳压罐内温度降低导致的高温高压系统的压降Δp_down和储液罐内液态工质加热过程中导致的高温高压系统气体压升Δp_up来确定升压完成时刻的理论压力p_max＝p_∞+Δp_down-Δp_up。

根据升压完成时刻的理论压力p_max和系统压力p随时间t的变化函数，确定增压泵关闭时刻，并在增压泵关闭时刻关闭增压泵7，进气升压过程完成。

升压完成后，到达储液管10的升温时刻t_heat，开启储液罐10内的储液罐加热棒12，采用阶梯式升温方式，最终将储液罐10内的液态工质加热并维持在温度T_L。此时，系统压力参数达到设置压力p_∞。

开启排水气动阀16，将达到设定要求的高温高压水经由排水口17排放，供后续其他实验使用。

待储液罐10温度降至室温T₀时，开启稳压罐排气电动阀4，缓慢向外排出氩气(为减缓排气速率，可在稳压罐排气电动阀后安装限流孔，使得氩气更加安全地进行排放)；系统压力达到1.0MPa时关闭稳压罐排气电动阀4，开启排水气动阀16，对系统内剩余液体和气体进行排放。清理实验现场，确认所有电源、水源、气源全部关闭，即可认为实验完成。

综上所述，本发明提出的一种高温高压系统的升压控制方法，基于气体物性参数特点，考虑升压过程中增压泵的工作特性、稳压过程和储液罐加热过程中的传热现象对温度和压力参数的影响，给出了适用于高温高压系统的升压控制方法，可准确计算增压泵的关闭时间，控制结果精准可靠。本发明的方法可以使高温高压系统内的压力一次性升高至指定压力值，大大改善了设备的运行环境，提高了设备的使用寿命，同时，不存在因为增压泵等设备的启停操作而导致的压力波动问题。所用的参数为压力、温度和时间，均为常规参数，测量装置和实施步骤简单通用，可大大节约测量装置成本和测量时间。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种高温高压系统的升压控制方法，其特征在于，包括：

在高温高压系统升压开始之前，获取高温高压系统中的稳压罐体积V_w、储液罐直径D_c、储液罐高度H_c和储液罐内液位高度H_L，并获取储液罐内液态工质欲达到的目标温度T_L以及高温高压系统欲达到的目标压力p_∞；

在高温高压系统升压开始时，获取高温高压系统的升压初始时刻t₀，并获取在升压初始时刻t₀高温高压系统所处的环境温度值T₀和高温高压系统的压力值p₀；

根据T₀、T_L和p_∞求取储液罐内液面以上区域由于液态工质被加热导致的该区域压力升高值Δp_c,up；

根据Δp_c,up、V_w、D_c、H_c和H_L求取高温高压系统的压力升高值Δp_up；

在高温高压系统升压过程中，获取升压过程中的第一时刻t_c1以及在第一时刻t_c1对应的第一压力值p_c1，获取升压过程中的第二时刻t_c2以及在第二时刻t_c2对应的第二压力值p_c2；

根据t₀、p₀、t_c1、p_c1、t_c2和p_c2求取第一系数k、第二系数c和增压泵的输出压力p_zy，具体为，联立下面两个公式进行求解：

p₀＝p_zy-exp(-kt₀-c)

p_c1＝p_zy-exp(-kt_c1-c)

p_c2＝p_zy-exp(-kt_c2-c)；

获取当高温高压系统的压力升高至目标压力p_∞时稳压罐的温度T_∞；

根据p_∞和T_∞确定高温高压系统内的气体密度ρ_g；

根据ρ_g和T₀确定高温高压系统在稳压过程中，当稳压罐的温度降低至环境温度值T₀时高温高压系统的压力值p_∞,down；

根据p_∞和p_∞,down求取由于稳压罐的温度降低至环境温度值T₀导致的高温高压系统的压力下降值Δp_down；

根据p_∞、Δp_down和Δp_up求取升压完成时刻高温高压系统内的理论压力p_max；

根据k、c、p_zy和p_max求取增压泵的关闭时刻，在增压泵的关闭时刻关闭增压泵，则高温高压系统升压完成；

所述根据k、c、p_zy和p_max求取增压泵的关闭时刻具体为，利用如下公式进行求解：

p＝p_zy-exp(-kt-c)

式中，t表示高温高压系统在升压过程中的任一时刻；p表示高温高压系统在升压过程中的时刻t对应的压力值，令p＝p_max。

2.根据权利要求1所述的一种高温高压系统的升压控制方法，其特征在于，所述根据T₀、T_L和p_∞求取储液罐内液面以上区域由于液态工质被加热导致的该区域压力升高值Δp_c,up具体为，利用如下公式进行求解：

3.根据权利要求1所述的一种高温高压系统的升压控制方法，其特征在于，所述根据Δp_c,up、V_w、D_c、H_c和H_L求取高温高压系统的压力升高值Δp_up具体为，利用如下公式进行求解：

4.根据权利要求1所述的一种高温高压系统的升压控制方法，其特征在于，所述根据p_∞和p_∞,down求取由于稳压罐的温度降低至环境温度值T₀导致的高温高压系统的压力下降值Δp_down具体为，利用如下公式进行求解：

Δp_down＝p_∞-p_∞,down。

5.根据权利要求1所述的一种高温高压系统的升压控制方法，其特征在于，所述根据p_∞、Δp_down和Δp_up求取升压完成时刻高温高压系统内的理论压力p_max具体为，利用如下公式进行求解：

p_max＝p_∞+Δp_down-Δp_up。

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