某液氫輸液管運行時聯鎖報警條件優化改進

曹建 尚宇 張天(北京航天試驗技術研究所，北京 100074)

1 系統簡介

無論是在實驗室的低溫技術研究時，或是在實際工程應用中，真空絕熱管路均是一種常見設備，其原理是在管路內的夾層中，絕熱空間保持1.0×10-2Pa以下壓強的真空度，這樣就可以消除氣體的對流傳熱和絕大部分殘余氣體導熱，以到達良好的絕熱效果，用于在特定管路部位阻隔熱量傳遞，可用于防止管路內熱量散失，或者防止管內介質被外部熱量影響。某航天單位在某型號裝備研制生產過程中，從國外某公司進口了一根液氫輸液管及其管路附件。該輸液管為不銹鋼材質的真空絕熱管路[1]，真空度優于1.0×10-2Pa，管路通徑為DN25，管路工作壓力小于1.4MPa(表壓)，管路正常工作時溫度區間約為16K～25K，液氫輸液量約為10g/s。液氫是由高純氫氣經過降溫而得到的液體，是一種無色、無味的高能低溫液體燃料，一個大氣壓下的正常氫沸點為20.37K(零下252.78℃)，所以其所用管路工作溫度極低。液氫廣泛應用于航天發射領域和可再生能源系統研究。

2 改造原因

根據該管路的技術規格及使用條件，外方提供了該輸液管內介質壓力及溫度的經驗函數關系式，作為聯鎖報警的限制條件。管路示意圖如圖1所示。

圖1 真空絕熱液氫輸液管示意圖

圖1中，用于低溫環境的壓力傳感器讀數為P1，單位為bar(絕壓)，用于低溫測量的貼壁式溫度變送器讀數為T1，單位為K，外方提供的T1限制條件為：

式中：a、b、c為函數關系式的經驗參數。

由于該函數關系式中a、b、c均為浮點數，且存在冪運算，所以在現場的單片機編程或后續PLC編程中，存在計算不便或計算速度較慢的問題[2-4]，嚴重影響聯鎖報警條件的響應速度。另外，由于壓力傳感器的單位不是國際標準單位，在后續的校準、維修或更換過程中，如果換用常用的國產壓力傳感器，單位為MPa(表壓)，會導致該聯鎖報警條件失效。因此，需要對該聯鎖報警條件進行優化改進。

3 數據處理

根據該真空絕熱管的使用條件，以0.0002MPa為遞增步長，列出了在使用范圍內的壓力數據，并進行單位換算；根據換算后的bar壓力單位數值，代入經驗公式(1)，得到了對應壓力數值下的溫度報警上限(該數據進行了非密化處理)。隨后，分別以MPa單位壓力值為橫坐標、溫度報警上限為縱坐標做出數據圖。

4 數據擬合

經觀察，發現該函數關系的線性較好，因此擬用直線擬合的方法對該數據進行參數估計[5-6]，直線擬合函數形式為(2)式所示：

式中：P為壓力值(MPa，表壓)；Ta為溫度報警上限(K)；α，β為線性擬合參數。

線性參數估計的計算方法如(3)、(4)式所示：

式中：P為壓力值(MPa，表壓)；P為所有壓力數值的平均值(MPa，表壓)；Ta為溫度報警上限(K)；Ta為所有溫度報警上限數值的平均值(K)；N為數據點的個數，在本文中取值為3001；α，β為線性擬合參數。

將實際數值代入(3)、(4)式，經過計算，α，β的取值分別近似為5.2855和25.4296，計算數據及擬合數據作圖如圖2所示。上述壓力數據處理及溫度報警上限擬合過程數據見表1。

經過多次迭代試差，最終確定α，β的取值分別為5.3和25.3，改進后的擬合數據如圖3所示。由圖3可知，改進后的直線擬合數據與溫度報警上限計算數據吻合較好，在管路使用的壓力范圍內，所有擬合數據均不大于計算數據，符合報警上限設定條件；且最大擬合誤差約為0.17K，滿足工業使用的精度要求[7]。

表1 壓力數據處理及溫度報警上限擬合過程數據列表

圖2 壓力值和溫度報警上限初始擬合結果

圖3 壓力值和溫度報警上限改進后的擬合結果

5 結語

經過優化改進，該液氫輸液管的溫度報警上限得到了快速而準確的設定，在現場通過單片機加裝了報警指示燈，同時在PLC控制系統的遠程上位機中設置了聯鎖報警。經過長時間的運行考核，該溫度報警未出現漏報或誤報的現象，有力地支持了型號研制和科研生產工作，取得了良好的效果。后續運行中，壓力傳感器更換為國產品牌，節約了生產成本，縮短了備件的供貨周期。