CN112818610A - 超临界水流动换热实验系统压力与流量的调控方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了超临界水流动换热实验系统压力与流量的调控方法及系统，根据换热实验系统中管道的参数以及主旁路阀门的开度计算管道的特性曲线；获取换热实验系统中泵的特性曲线；根据管道的特性曲线和泵的特性曲线计算换热实验系统的总流量和总压力；计算换热实验系统的主旁路压降；根据总流量和总压力以及主旁路压降计算主旁路流量；根据主旁路流量、总压力、主路阀门开度和旁路阀门开度，拟合得到主路阀门开度和旁路阀门开度与主路流量、旁路流量以及总压力之间的关系；根据主路阀门开度和旁路阀门开度与主路流量、旁路流量以及总压力之间的关系，通过机器学习建立调控模型。本发明能够快速准确的对换热实验系统进行调控进而达到试验参数。

Description

超临界水流动换热实验系统压力与流量的调控方法及系统

技术领域

本发明属于超临界水传热领域，具体涉及超临界水流动换热实验系统压力与流量的调控方法及系统。

背景技术

随着世界经济的发展，人类对电力的需求和消耗与日俱增。但我国多煤、贫油、少气的资源现状决定了我国能源供应中仍然以燃煤发电为主。而化石燃料的燃烧不可避免地带来的环境污染问题。因此如何降低污染物排放，提高化石能源的利用效率成为研究重点。而超(超)临界机组具有效率高、良好的负荷适应性和显著洁净环保等特点，是燃煤发电的必然趋势。而在宽广参数范围内准确掌握超临界水传热特性和规律对机组的安全运行和系统关键部位的设计和优化具有重大意义。迄今为止，许多学者对超临界水传热特性展开了大量的实验研究。由于不同的实验工况参数对超临界水传热特性的影响不同。对于实验工况参数而言，最主要的是由压力P(MPa)和质量流速G(kg·m^-2·s^-1)这两个个关键参数组成。

在实验进行过程中，实验段管路内的压力通过调控背压阀进行升压。流量调控通过调控主路以及旁路阀门进行调控。在实验调控的过程中，流量和压力呈现一种负相关的耦合关系。因为存在这种特殊的耦合关系，难以正确判断流量与压力的关系，所以只能通过操作人员的手动调控逐步将流量以及压力调控到适合的值。这种做法有着以下两种缺点：1.调控的准确性和快速性不够；2.高温高压实验下，操作人员的安全性不够。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了超临界水流动换热实验系统压力与流量的调控方法及系统，能够快速准确的对换热实验系统进行调控进而达到试验参数，完成工况的改变，安全可靠。

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：

一种超临界水流动换热实验系统压力与流量的调控方法，包括：

根据换热实验系统中管道的参数以及主路阀门和旁路阀门的开度计算换热实验系统中管道的特性曲线；其中，所述管道的参数包括管道长度和管道内径；

获取换热实验系统中泵的特性曲线；

根据管道的特性曲线和泵的特性曲线计算换热实验系统的总流量和总压力；

计算换热实验系统的主路压降和旁路压降；

根据换热实验系统的总流量和总压力以及主路压降和旁路压降计算主路流量和旁路流量；

根据主路流量、旁路流量、总压力、主路阀门开度和旁路阀门开度，拟合得到主路阀门开度和旁路阀门开度与主路流量之间的关系、拟合得到主路阀门开度和旁路阀门开度与旁路流量之间的关系以及拟合得到主路阀门开度和旁路阀门开度与总压力之间的关系；

根据主路阀门开度和旁路阀门开度与主路流量之间的关系、主路阀门开度和旁路阀门开度与旁路流量之间的关系以及主路阀门开度和旁路阀门开度与总压力之间的关系，通过机器学习建立调控模型，根据所述调控模型实现换热实验系统压力与流量的调控；所述调控模型以主路阀门开度和旁路阀门开度为输入，以主路流量、旁路流量和总压力为输出。

进一步地，所述根据换热实验系统中管道的参数以及主路阀门和旁路阀门的开度计算换热实验系统中管道的特性曲线，具体计算公式为：

式中：P为管道中的压力；β和m为系数，通过列宾宗公式查询得到；l为管道长度，d为管道内径，Q为管道流量，υ为管道中流体的动力粘度；ΔZ为管道终点和起点之间的高程差。

进一步地，所述获取换热实验系统中泵的特性曲线，具体为：根据换热实验系统中泵的型号查询获取。

进一步地，所述根据管道的特性曲线和泵的特性曲线计算换热实验系统的总流量和总压力，具体方法为：将管道的特性曲线和泵的特性曲线联立求解得到换热实验系统的总流量G和总压力P。

进一步地，所述计算换热实验系统中主路压降和旁路压降，具体计算公式为：

h_w1＝∑h_f1+∑h_j1

h_w2＝∑h_f2+∑h_j2

式中：下标1代表主路，下标2代表旁路；h_w为管道内压降；h_f为沿程阻力损失；h_j为局部阻力损失；l为管道长度；d为管道内径；ν为断面平均流速；g为重力加速度；λ和ζ为沿程阻力系数。

进一步地，所述根据换热实验系统的总流量和总压力以及主路压降和旁路压降计算主路流量和旁路流量，具体计算公式为：

G＝G₁+G₂＝ρv₁+ρv₂

G为总流量；G₁为主路流量；G₂为旁路流量；ρ为流体密度；ν₁为主路断面平均流速；ν₂为主路断面平均流速。

一种超临界水流动换热实验系统压力与流量的调控系统，包括：

管道特性曲线计算模块，用于根据换热实验系统中管道的参数以及主路阀门和旁路阀门的开度计算换热实验系统中管道的特性曲线；其中，所述管道的参数包括管道长度和管道内径；

泵特性曲线获取模块，用于获取换热实验系统中泵的特性曲线；

总流量和总压力计算模块，用于根据管道的特性曲线和泵的特性曲线计算换热实验系统的总流量和总压力；

主旁路压降计算模块，用于计算换热实验系统的主路压降和旁路压降；

主旁路流量计算模块，用于根据换热实验系统的总流量和总压力以及主路压降和旁路压降计算主路流量和旁路流量；

拟合模块，用于根据主路流量、旁路流量、总压力、主路阀门开度和旁路阀门开度，拟合得到主路阀门开度和旁路阀门开度与主路流量之间的关系、拟合得到主路阀门开度和旁路阀门开度与旁路流量之间的关系以及拟合得到主路阀门开度和旁路阀门开度与总压力之间的关系；

调控模型建立模块，用于根据主路阀门开度和旁路阀门开度与主路流量之间的关系、主路阀门开度和旁路阀门开度与旁路流量之间的关系以及主路阀门开度和旁路阀门开度与总压力之间的关系，通过机器学习建立调控模型，根据所述调控模型实现换热实验系统压力与流量的调控；所述调控模型以主路阀门开度和旁路阀门开度为输入，以主路流量、旁路流量和总压力为输出。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明所述的超临界水流动换热实验调控方法，与传统的手动调控实验参数相比，调控的准确性和快速性都有了巨大提高，其特点在于建立了管道特性曲线和泵特性曲线的关系，并且通过机器学习，建立了调控模型。这都使调控所需时间更少，准确性更高，同时调控参数的范围更广。其次，本方法采用的曲线分析以及主旁路之间的流量关系分析方法，相比于传统的直接对实验工况进行调控的方法，能更好地反应实验系统中各个参数的相应关系，对实验最后的数据分析提供支持。最后，本方法为其它相似的物理问题提供借鉴意义，诸如其它工质的实验调控(如二氧化碳)或者其它实验参数特性调控(如阻力特性)等提供解决办法。本发明能够快速准确的对换热实验系统进行调控进而达到试验参数，完成工况的改变，安全可靠。

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为本发明一种超临界水流动换热实验系统压力与流量的调控方法的流程图；

图2为管路特性曲线与泵特性曲线联立表示图；

图3为超临界水流动换热实验系统主旁路结构简图。

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。

如图1和图3所示，作为本发明的某一具体实施方式，本发明一种超临界水流动换热实验系统压力与流量的调控方法，包括以下步骤：

步骤1：根据换热实验系统中管道的参数以及主路阀门和旁路阀门的开度计算换热实验系统中管道的特性曲线；其中，所述管道的参数包括管道长度和管道内径，具体计算公式为：

式中：P为管道中的压力；β和m为系数，通过列宾宗公式查询得到；l为管道长度，d为管道内径，Q为管道流量，υ为管道中流体的动力粘度；ΔZ为管道终点和起点之间的高程差。

步骤2：获取换热实验系统中泵的特性曲线，具体为：根据换热实验系统中泵的型号查询获取。

步骤3：根据管道的特性曲线和泵的特性曲线计算换热实验系统的总流量和总压力，具体方法为：将管道的特性曲线和泵的特性曲线联立求解得到换热实验系统的总流量G和总压力P。

为了便于理解，更加详细的说，如图2所示，管道特性曲线是一条凹向上的曲线，泵的特性曲线是一条凹向下的曲线。两条曲线的交点就是实验的工况点，联立两条曲线，得到交点，确定实验工况的水头以及总流量。

步骤4：计算换热实验系统的主路压降和旁路压降；具体计算公式为：

h_w1＝∑h_f1+∑h_j1

h_w2＝∑h_f2+∑h_j2

式中：下标1代表主路，下标2代表旁路；h_w为管道内压降；h_f为沿程阻力损失；h_j为局部阻力损失；l为管道长度；d为管道内径；ν为断面平均流速；g为重力加速度；λ和ζ为沿程阻力系数。

阀门开度主要影响阻力系数的计算，从而计算出对应阀门开度下的管路压降。

步骤5：根据换热实验系统的总流量和总压力以及主路压降和旁路压降计算主路流量和旁路流量，具体计算公式为：

G＝G₁+G₂＝ρv₁+ρv₂

G为总流量；G₁为主路流量；G₂为旁路流量；ρ为流体密度；ν₁为主路断面平均流速；ν₂为主路断面平均流速。

步骤6：根据主路流量、旁路流量、总压力、主路阀门开度和旁路阀门开度，拟合得到主路阀门开度和旁路阀门开度与主路流量之间的关系、拟合得到主路阀门开度和旁路阀门开度与旁路流量之间的关系以及拟合得到主路阀门开度和旁路阀门开度与总压力之间的关系。

步骤7：根据主路阀门开度和旁路阀门开度与主路流量之间的关系、主路阀门开度和旁路阀门开度与旁路流量之间的关系以及主路阀门开度和旁路阀门开度与总压力之间的关系，通过机器学习建立调控模型，根据所述调控模型实现换热实验系统压力与流量的调控；所述调控模型以主路阀门开度和旁路阀门开度为输入，以主路流量、旁路流量和总压力为输出。

对于常规实验调控中，难点在于调控的经验占绝对主导地位。此时引入机器学习建立调控模型对于工况参数调控的准确性和快速性都有所提高。机器学习的侧重点主要在于以下几点：

A)在确定工况时，阀门的开度有着关键性影响。当需要调控工况时，知道确定的工况点，通过管道特性曲线以及管道内压降反推，得出确定的阀门开度。再通过自动控制，快速准确地调控到相应的工况点。

B)对于相应曲线和公式，理想情况与实际情况还是存在一定的差别。于是，通过机器学习，可以对所有的公式和曲线进行修正，提高调控结果的准确性。

本发明一种超临界水流动换热实验系统压力与流量的调控系统，其特征在于，包括：

管道特性曲线计算模块，用于根据换热实验系统中管道的参数以及主路阀门和旁路阀门的开度计算换热实验系统中管道的特性曲线；其中，所述管道的参数包括管道长度和管道内径；

泵特性曲线获取模块，用于获取换热实验系统中泵的特性曲线；

总流量和总压力计算模块，用于根据管道的特性曲线和泵的特性曲线计算换热实验系统的总流量和总压力；

主旁路压降计算模块，用于计算换热实验系统的主路压降和旁路压降；

主旁路流量计算模块，用于根据换热实验系统的总流量和总压力以及主路压降和旁路压降计算主路流量和旁路流量；

拟合模块，用于根据主路流量、旁路流量、总压力、主路阀门开度和旁路阀门开度，拟合得到主路阀门开度和旁路阀门开度与主路流量之间的关系、拟合得到主路阀门开度和旁路阀门开度与旁路流量之间的关系以及拟合得到主路阀门开度和旁路阀门开度与总压力之间的关系；

调控模型建立模块，用于根据主路阀门开度和旁路阀门开度与主路流量之间的关系、主路阀门开度和旁路阀门开度与旁路流量之间的关系以及主路阀门开度和旁路阀门开度与总压力之间的关系，通过机器学习建立调控模型，根据所述调控模型实现换热实验系统压力与流量的调控；所述调控模型以主路阀门开度和旁路阀门开度为输入，以主路流量、旁路流量和总压力为输出。

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 (7)

1.一种超临界水流动换热实验系统压力与流量的调控方法，其特征在于，包括：

根据换热实验系统中管道的参数以及主路阀门和旁路阀门的开度计算换热实验系统中管道的特性曲线；其中，所述管道的参数包括管道长度和管道内径；

获取换热实验系统中泵的特性曲线；

根据管道的特性曲线和泵的特性曲线计算换热实验系统的总流量和总压力；

计算换热实验系统的主路压降和旁路压降；

根据换热实验系统的总流量和总压力以及主路压降和旁路压降计算主路流量和旁路流量；

根据主路流量、旁路流量、总压力、主路阀门开度和旁路阀门开度，拟合得到主路阀门开度和旁路阀门开度与主路流量之间的关系、拟合得到主路阀门开度和旁路阀门开度与旁路流量之间的关系以及拟合得到主路阀门开度和旁路阀门开度与总压力之间的关系；

根据主路阀门开度和旁路阀门开度与主路流量之间的关系、主路阀门开度和旁路阀门开度与旁路流量之间的关系以及主路阀门开度和旁路阀门开度与总压力之间的关系，通过机器学习建立调控模型，根据所述调控模型实现换热实验系统压力与流量的调控；所述调控模型以主路阀门开度和旁路阀门开度为输入，以主路流量、旁路流量和总压力为输出。

2.根据权利要求1所述的一种超临界水流动换热实验系统压力与流量的调控方法，其特征在于，所述根据换热实验系统中管道的参数以及主路阀门和旁路阀门的开度计算换热实验系统中管道的特性曲线，具体计算公式为：

式中：P为管道中的压力；β和m为系数，通过列宾宗公式查询得到；l为管道长度，d为管道内径，Q为管道流量，υ为管道中流体的动力粘度；ΔZ为管道终点和起点之间的高程差。

3.根据权利要求1所述的一种超临界水流动换热实验系统压力与流量的调控方法，其特征在于，所述获取换热实验系统中泵的特性曲线，具体为：根据换热实验系统中泵的型号查询获取。

4.根据权利要求1所述的一种超临界水流动换热实验系统压力与流量的调控方法，其特征在于，所述根据管道的特性曲线和泵的特性曲线计算换热实验系统的总流量和总压力，具体方法为：将管道的特性曲线和泵的特性曲线联立求解得到换热实验系统的总流量G和总压力P。

5.根据权利要求1所述的一种超临界水流动换热实验系统压力与流量的调控方法，其特征在于，所述计算换热实验系统中主路压降和旁路压降，具体计算公式为：

h_w1＝∑h_f1+∑h_j1

h_w2＝∑h_f2+∑h_j2

式中：下标1代表主路，下标2代表旁路；h_w为管道内压降；h_f为沿程阻力损失；h_j为局部阻力损失；l为管道长度；d为管道内径；ν为断面平均流速；g为重力加速度；λ和ζ为沿程阻力系数。

6.根据权利要求4所述的一种超临界水流动换热实验系统压力与流量的调控方法，其特征在于，所述根据换热实验系统的总流量和总压力以及主路压降和旁路压降计算主路流量和旁路流量，具体计算公式为：

G＝G₁+G₂＝ρv₁+ρv₂

G为总流量；G₁为主路流量；G₂为旁路流量；ρ为流体密度；ν₁为主路断面平均流速；ν₂为主路断面平均流速。

7.根据权利要求1所述的一种超临界水流动换热实验系统压力与流量的调控系统，其特征在于，包括：

管道特性曲线计算模块，用于根据换热实验系统中管道的参数以及主路阀门和旁路阀门的开度计算换热实验系统中管道的特性曲线；其中，所述管道的参数包括管道长度和管道内径；

泵特性曲线获取模块，用于获取换热实验系统中泵的特性曲线；

总流量和总压力计算模块，用于根据管道的特性曲线和泵的特性曲线计算换热实验系统的总流量和总压力；

主旁路压降计算模块，用于计算换热实验系统的主路压降和旁路压降；

主旁路流量计算模块，用于根据换热实验系统的总流量和总压力以及主路压降和旁路压降计算主路流量和旁路流量；

拟合模块，用于根据主路流量、旁路流量、总压力、主路阀门开度和旁路阀门开度，拟合得到主路阀门开度和旁路阀门开度与主路流量之间的关系、拟合得到主路阀门开度和旁路阀门开度与旁路流量之间的关系以及拟合得到主路阀门开度和旁路阀门开度与总压力之间的关系；

调控模型建立模块，用于根据主路阀门开度和旁路阀门开度与主路流量之间的关系、主路阀门开度和旁路阀门开度与旁路流量之间的关系以及主路阀门开度和旁路阀门开度与总压力之间的关系，通过机器学习建立调控模型，根据所述调控模型实现换热实验系统压力与流量的调控；所述调控模型以主路阀门开度和旁路阀门开度为输入，以主路流量、旁路流量和总压力为输出。

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