CN113495590B - 一种模拟加注贮箱小型化设计及其并行加泄动态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟加注贮箱小型化设计及其并行加泄动态控制方法，属于低温推进剂输送技术领域。本发明应用于模拟贮箱并行加泄系统，模拟贮箱并行加泄系统依次包括加注罐、加注泵、加注管道、模拟贮箱及其排气阀、泄回管道和泄回罐，该方法包括如下步骤：使加注罐压力P_加等于泄回罐压力P_泄以构建初始化静态平衡状态；启动加注泵阶跃输入，控制加注罐压力P_加、泄回罐压力P_泄以及模拟贮箱压力P_模，构建动态平衡；当流量达到峰值Q_max时，稳定一段时间，完成相关测试工作；逐步停止流动，组织撤收。本发明解决了现有低温加注系统测试覆盖性不全面的问题，解决了大型低温模拟贮箱在发射塔的空间和重量限制，实现了并行加泄动态过程的稳定控制。

Description

一种模拟加注贮箱小型化设计及其并行加泄动态控制方法

技术领域

本发明属于低温推进剂输送技术领域，具体涉及一种模拟加注贮箱小型化设计及其并行加泄动态控制方法。

背景技术

某滨海发射场建有国内规模最大、技术水平最高的大型复杂低温推进剂加注管网系统，系统在正式任务前要进行一次液氮低温试验，由于缺乏火箭贮箱或者等效模拟贮箱，低温加注系统仅能通过排放方式进行小流量试验，无法模拟大流量条件下的真实加注工况，测试覆盖性不足。

通过在发射塔上增设火箭模拟贮箱，可与现有低温加注系统形成闭合系统，开展真实工况下的低温加注试验。然而，利用大型低温贮罐模拟火箭贮箱的成本高昂、投入过大，且受发射塔空间容量、承重能力、安装运输等条件限制，不具备工程可行性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何提供一种模拟加注贮箱小型化设计及其并行加泄动态控制方法，以解决现有低温加注系统测试覆盖性不全面的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种模拟加注贮箱小型化设计及其并行加泄动态控制方法，该方法应用于模拟贮箱并行加泄系统，模拟贮箱并行加泄系统依次包括加注罐、加注泵、加注管道、模拟贮箱及其排气阀、泄回管道和泄回罐，该方法包括如下步骤：

S1、使加注罐压力P_加等于泄回罐压力P_泄以构建初始化静态平衡状态；

S2、启动加注泵阶跃输入，控制加注罐压力P_加、泄回罐压力P_泄以及模拟贮箱压力P_模，构建动态平衡；

S3、当流量达到峰值Q_max时，稳定一段时间，完成相关测试工作；

S4、逐步停止流动，组织撤收。

进一步地，所述模拟贮箱并行加泄系统利用两条低温液体输送管道，一条对模拟贮箱进行正向流动输入，另一条反向流动输出，使得较小的低温模拟贮箱便可完成大流量加注的试验测试。

进一步地，所述加注罐与所述泄回罐标高相同。

进一步地，所述步骤S1具体包括：控制压力P_加＝P_泄＝ρg(H+h_中)，排气阀开度θ＝100％，则所有蒸发气体全部排出，模拟贮箱压力P_模＝0，加注和泄回管道同时维持H+h_中的液柱高度并保持静态稳定；其中，H为模拟贮箱标高；h_中为贮箱高度的一半，ρ为低温介质密度。

进一步地，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21、启动加注泵阶跃输入Δf，产生泵后压力增加ΔP_泵，形成加注流量增量ΔQ_加；

S22、为确保系统保持动态平衡，首先是降低P_泄，使得ΔP_泄＝-ΔP泵，进而泄回流量ΔQ_泄＝ΔQ_加，Q_泄＝Q_加；

S23、随着流量不断增大，P_泄逐步将至零，进一步增大泄回流量必须提高模拟贮箱压力P_模；此时加注流动的压力增量为ΔP_泵-ΔP_模，泄回流动的压力增量为ΔP_模，为继续保持系统动态平衡，需满足条件ΔP_泵-ΔP_模＝ΔP_模，即ΔP_泵＝2ΔP_模，才能使加注和泄回流量相等；

S24、在并行加泄的动态平衡过程中，由于测量或控制误差，导致模拟贮箱液位漂移至上下限时，只需控制压力满足ΔP_泵+ΔP_泄-ΔP_模＝2Δh，即可将模拟贮箱液位调整至中值h_中；其中，Δh是液位的波动。

进一步地，泵后压力P_泵通过传感器测量获得。

进一步地，泵后压力P_泵与泵频率f有经验公式，ΔP_泵直接由Δf求得。

进一步地，通过减小排气阀开度可提高贮箱压力。

进一步地，贮箱压力变化ΔP_模与排气阀开度θ有经验公式，直接由排气阀开度θ求得。

进一步地，所述步骤S4具体包括如下步骤：

S41、先停动力设备，将加注泵频平稳将至零，加注流量逐步减小至零，并改变流向由正向加注变为反向泄回；

S42、在加注泵降频的同时，打开排气阀使模拟贮箱泄压为零；

S43、利用自身重力，将模拟贮箱和加注泄回管道中的低温介质泄空，完成撤收工作。

(三)有益效果

本发明提出一种模拟加注贮箱小型化设计及其并行加泄动态控制方法，本方法提出一种并行加泄技术，在大流量加注试验的同时，利用并行管道系统进行泄回流动，从而在较小的模拟贮箱体积下达到低温加注系统大流量测试的目的，大幅降低模拟贮箱的建设成本，并使之满足发射塔的空间和承重条件。同时提出一种粗调、精调、阈值范围调节相结合的液位控制方法，实现并行加泄动态过程中的液位精确和稳定控制。

本发明解决了现有低温加注系统测试覆盖性不全面的问题，解决了大型低温模拟贮箱在发射塔的空间和重量限制，实现了并行加泄动态过程的稳定控制。

附图说明

图1为本发明小型低温模拟贮箱并行加泄动态控制示意图，图中明确了系统的各主要组成设备、连接关系和主要参数。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明涉及低温推进剂输送技术领域，用于模拟加注贮箱的小型化设计，并提出其液位控制方法。

本发明目的在于提供一种模拟加注贮箱小型化设计及其液位控制方法，实现低温加注系统的测试全覆盖，降低模拟贮箱体积，满足发射塔空间和承重要求，并对并行加泄动态过程中的液位进行精确和稳定控制。

本方法提出一种并行加泄技术，在大流量加注试验的同时，利用并行管道系统进行泄回流动，从而在较小的模拟贮箱体积下达到低温加注系统大流量测试的目的，大幅降低模拟贮箱的建设成本，并使之满足发射塔的空间和承重条件。同时提出一种粗调、精调、阈值范围调节相结合的液位控制方法，实现并行加泄动态过程中的液位精确和稳定控制。

本发明提供一种模拟加注贮箱小型化设计及其并行加泄动态控制方法，该方法利用两条低温液体输送管道，一条对模拟贮箱进行正向流动输入，另一条反向流动输出，使得较小的低温模拟贮箱便可完成大流量加注的试验测试。通过保持输入和输出流量的均衡，并控制排气量的大小，来维持液位的稳定。通过同步控制正向流动的泵频和反向流动的贮箱压力实现液位粗调，通过正反向流动的流量差计算控制参数实现液位偏移量的安全控制。

下面结合附图及具体实施对本发明作进一步详细说明。

模拟贮箱并行加泄系统依次包括加注罐、加注泵、加注管道、模拟贮箱及其排气阀、泄回管道和泄回罐，加注罐与泄回罐标高相同。与并行加泄有关的测量和控制参数有：低温介质密度ρ，加注罐压力P_加，加注泵频率f，加注泵后压力P_泵，加注流量Q_加，模拟贮箱压力P_模，模拟贮箱标高H，模拟贮箱液位h，排气阀开度θ，排气流量q，泄回流量Q_泄，泄回罐压力P_泄。其中，P_加、P_泄、泵频f、开度θ由控制输入，排气量q、模拟贮箱压力P_模是中间控制量，液位h、Q_加、Q_泄是目标控制量。

系统的总体目标是为了测试加注管道及设备在峰值流量Q_max条件下的稳定运行能力。为保持系统稳定平衡，必须确保加注流量Q_加与泄回流量Q_泄相等(单位时间内低温液体的蒸发损失远远小于液体流量，可以忽略)，低温液体的蒸发速率(蒸发速率恒定)和排气量q相等，才可使得模拟贮箱的液位保持稳定。模拟贮箱液位过高会导致液体溢出，液位过低会导致泄回管道夹气，引起气液两相流或水击等不安全工况。

模拟贮箱并行加泄动态控制策略。

S1、使加注罐压力P_加等于泄回罐压力P_泄以构建初始化静态平衡状态。

控制压力P_加＝P_泄＝ρg(H+h_中)，排气阀开度θ＝100％，则所有蒸发气体全部排出，模拟贮箱压力P_模＝0(表压)，加注和泄回管道同时维持H+h_中的液柱高度并保持静态稳定。其中，h_中为贮箱高度的一半。

S2、启动加注泵阶跃输入，控制加注罐压力P_加、泄回罐压力P_泄以及模拟贮箱压力P_模构建动态平衡。

S21、启动加注泵阶跃输入Δf，产生泵后压力增加ΔP_泵，形成加注流量增量ΔQ_加。泵后压力P_泵可以通过传感器测量获得，而实际上泵后压力P_泵与泵频率f有一个经验公式，ΔP_泵可以直接由Δf求得或公开查阅到。

S22、为确保系统保持动态平衡，首先是降低P_泄，使得ΔP_泄＝-ΔP泵，进而泄回流量ΔQ_泄＝ΔQ_加，Q_泄＝Q_加；

S23、随着流量不断增大，P_泄逐步将至零，进一步增大泄回流量必须提高模拟贮箱压力P_模。可以通过减小排气阀开度可提高贮箱压力，贮箱压力变化ΔP_模与排气阀开度θ也有一个经验公式，可以直接由排气阀开度θ求得或可公开查阅到。此时加注流动的压力增量为ΔP_泵-ΔP_模，泄回流动的压力增量为ΔP_模，为继续保持系统动态平衡，需满足条件ΔP_泵-ΔP_模＝ΔP_模，即ΔP_泵＝2ΔP_模，才能使加注和泄回流量相等；

S24、在并行加泄的动态平衡过程中，由于测量或控制误差，导致模拟贮箱液位漂移至上下限时，只需控制压力满足ΔP_泵+ΔP_泄-ΔP_模＝2Δh，即可将模拟贮箱液位调整至中值h_中。其中，Δh是液位的波动。由于系统惯性的存在，以及一些前提假设的误差，这个液位漂移至上下限时触发反馈控制。

S3、当流量达到峰值Q_max时，稳定一段时间，完成相关测试工作。

S4、逐步停止流动，组织撤收。

S41、先停动力设备，将加注泵频平稳将至零，加注流量逐步减小至零，并改变流向由正向加注变为反向泄回；

S42、在加注泵降频的同时，打开排气阀使模拟贮箱泄压为零；

S43、利用自身重力，将模拟贮箱和加注泄回管道中的低温介质泄空，完成撤收工作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种模拟加注贮箱小型化设计及其并行加泄动态控制方法，其特征在于，该方法应用于模拟贮箱并行加泄系统，模拟贮箱并行加泄系统依次包括加注罐、加注泵、加注管道、模拟贮箱及其排气阀、泄回管道和泄回罐，该方法包括如下步骤：

S1、使加注罐压力P_加等于泄回罐压力P_泄以构建初始化静态平衡状态；

S2、启动加注泵阶跃输入，控制加注罐压力P_加、泄回罐压力P_泄以及模拟贮箱压力P_模，构建动态平衡；

S3、当流量达到峰值Q_max时，稳定一段时间，完成相关测试工作；

S4、逐步停止流动，组织撤收；

其中，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21、启动加注泵阶跃输入Δf，产生泵后压力增加ΔP_泵，形成加注流量增量ΔQ_加；

S22、为确保系统保持动态平衡，首先是降低P_泄，使得ΔP_泄＝-ΔP泵，进而泄回流量ΔQ_泄＝ΔQ_加，Q_泄＝Q_加；

S23、随着流量不断增大，P_泄逐步将至零，进一步增大泄回流量必须提高模拟贮箱压力P_模；此时加注流动的压力增量为ΔP_泵-ΔP_模，泄回流动的压力增量为ΔP_模，为继续保持系统动态平衡，需满足条件ΔP_泵-ΔP_模＝ΔP_模，即ΔP_泵＝2ΔP_模，才能使加注和泄回流量相等；

S24、在并行加泄的动态平衡过程中，由于测量或控制误差，导致模拟贮箱液位漂移至上下限时，只需控制压力满足ΔP_泵+ΔP_泄-ΔP_模＝2Δh，即可将模拟贮箱液位调整至中值h_中；其中，Δh是液位的波动。

2.如权利要求1所述的模拟加注贮箱小型化设计及其并行加泄动态控制方法，其特征在于，所述模拟贮箱并行加泄系统利用两条低温液体输送管道，一条对模拟贮箱进行正向流动输入，另一条反向流动输出，使得较小的低温模拟贮箱便可完成大流量加注的试验测试。

3.如权利要求1所述的模拟加注贮箱小型化设计及其并行加泄动态控制方法，其特征在于，所述加注罐与所述泄回罐标高相同。

4.如权利要求1所述的模拟加注贮箱小型化设计及其并行加泄动态控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：控制压力P_加＝P_泄＝ρg(H+h_中)，排气阀开度θ＝100％，则所有蒸发气体全部排出，模拟贮箱压力P_模＝0，加注和泄回管道同时维持H+h_中的液柱高度并保持静态稳定；其中，H为模拟贮箱标高；h_中为贮箱高度的一半，ρ为低温介质密度。

5.如权利要求1所述的模拟加注贮箱小型化设计及其并行加泄动态控制方法，其特征在于，泵后压力P_泵通过传感器测量获得。

6.如权利要求1所述的模拟加注贮箱小型化设计及其并行加泄动态控制方法，其特征在于，泵后压力P_泵与泵频率f有经验公式，ΔP_泵直接由Δf求得。

7.如权利要求1所述的模拟加注贮箱小型化设计及其并行加泄动态控制方法，其特征在于，通过减小排气阀开度可提高贮箱压力。

8.如权利要求7所述的模拟加注贮箱小型化设计及其并行加泄动态控制方法，其特征在于，贮箱压力变化ΔP_模与排气阀开度θ有经验公式，直接由排气阀开度θ求得。

9.如权利要求1所述的模拟加注贮箱小型化设计及其并行加泄动态控制方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括如下步骤：

S41、先停动力设备，将加注泵频平稳将至零，加注流量逐步减小至零，并改变流向由正向加注变为反向泄回；

S42、在加注泵降频的同时，打开排气阀使模拟贮箱泄压为零；

S43、利用自身重力，将模拟贮箱和加注泄回管道中的低温介质泄空，完成撤收工作。

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