級(jí)聯(lián)水力學(xué)動(dòng)態(tài)仿真模型研究及應(yīng)用

閆 昊，李維杰

(中核新能核工業(yè)工程有限責(zé)任公司 核工程技術(shù)研究設(shè)計(jì)所，山西 太原 030012)

以往的級(jí)聯(lián)研究和設(shè)計(jì)主要以靜態(tài)分析為主[1-5]，缺少動(dòng)態(tài)驗(yàn)證手段，僅靠靜態(tài)分析無(wú)法解決研究和設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的與級(jí)聯(lián)動(dòng)態(tài)特性有關(guān)的問(wèn)題，因此急需開(kāi)展級(jí)聯(lián)動(dòng)態(tài)水力學(xué)研究。目前對(duì)于級(jí)聯(lián)水力學(xué)的動(dòng)態(tài)分析主要以小型實(shí)驗(yàn)級(jí)聯(lián)為對(duì)象[6-10]，而工程實(shí)際級(jí)聯(lián)系統(tǒng)在設(shè)備、結(jié)構(gòu)及規(guī)模上均與實(shí)驗(yàn)級(jí)聯(lián)存在差別，其流體特性的關(guān)注對(duì)工程實(shí)際級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的安全十分重要。

文獻(xiàn)[11]建立了工程實(shí)際級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)水力學(xué)模型，針對(duì)階梯型級(jí)聯(lián)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)仿真模型，并利用仿真系統(tǒng)模擬了級(jí)聯(lián)的多種操作過(guò)程，仿真結(jié)果變化趨勢(shì)合理，但缺少與實(shí)際數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。文獻(xiàn)[12]針對(duì)層架型級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中出現(xiàn)的分離單元內(nèi)主機(jī)供料孔板堵塞的現(xiàn)象，利用模塊化仿真模型搭建了動(dòng)態(tài)仿真模擬系統(tǒng)，并開(kāi)展了相應(yīng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試，研究了堵塞率對(duì)分離級(jí)壓強(qiáng)等狀態(tài)參數(shù)的影響。

本文在文獻(xiàn)[11-12]的基礎(chǔ)上，針對(duì)層架型級(jí)聯(lián)系統(tǒng)搭建系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)部分模塊的動(dòng)態(tài)仿真模型進(jìn)行研究，并利用研究所得的系統(tǒng)仿真模型對(duì)級(jí)聯(lián)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程開(kāi)展相應(yīng)的模擬研究。

1 級(jí)聯(lián)仿真模型

1.1 分離級(jí)模型

本文所研究的基本仿真單元為分離級(jí)，每個(gè)分離級(jí)內(nèi)含有若干個(gè)分離單元，由多個(gè)分離級(jí)經(jīng)特定形式的組合連接可構(gòu)成級(jí)聯(lián)系統(tǒng)仿真模型，分離級(jí)仿真模型如圖1所示。

根據(jù)組成分離級(jí)的各種主要部件(管道、主機(jī)、閥門、增壓設(shè)備、壓強(qiáng)調(diào)節(jié)器)的結(jié)構(gòu)和工作原理分別建立各自的動(dòng)力學(xué)模型[11,13-15]。

1.2 仿真模型建立

利用1.1節(jié)中各主要部件的動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的組成首先建立了如圖1所示的分離級(jí)仿真模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步搭建了如圖2所示的3層架系統(tǒng)仿真模型，級(jí)聯(lián)分3層架運(yùn)行，級(jí)聯(lián)供料(f)從第1層架和第3層架供入，貧料(w)從第3層架取出，精料(p)從第1層架取出。本文的主要工作為：利用該系統(tǒng)仿真模型對(duì)部分動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，通過(guò)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，最終確定主機(jī)輕餾分流量方程及壓強(qiáng)調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方程的具體形式。

圖1 分離級(jí)模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of separation stage model

圖2 3層架級(jí)聯(lián)示意圖Fig.2 Schematic diagram of three-layer cascade

2 主機(jī)模型輕餾分流量方程的建立

對(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)程中部分分離單元的壓強(qiáng)變化進(jìn)行分析，進(jìn)而確定主機(jī)輕餾分流量方程的具體形式。根據(jù)某工程實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)中的動(dòng)態(tài)過(guò)程，所設(shè)置的仿真模擬過(guò)程如下。

1) 第1層架K分離級(jí)第3分離單元關(guān)閉及打開(kāi)過(guò)程：仿真時(shí)間為600 s，74 s時(shí)關(guān)閉分離單元供、精、貧閥門，437 s時(shí)打開(kāi)分離單元供、精、貧閥門。

2) 第1層架K分離級(jí)第4分離單元關(guān)閉及打開(kāi)過(guò)程：仿真時(shí)間為600 s，47 s時(shí)關(guān)閉分離單元供、精、貧閥門，306 s時(shí)打開(kāi)分離單元供、精、貧閥門。

級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的第1層架K分離級(jí)第3分離單元內(nèi)部存在異常，第4分離單元正常運(yùn)行，它們可分別代表故障和正常分離單元。選擇上述2組動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比可檢驗(yàn)主機(jī)模型在故障工況和正常工況下的準(zhǔn)確性。

2.1 現(xiàn)有方程形式及仿真模擬結(jié)果

在以往的靜態(tài)分析中給出了主機(jī)輕餾分流量方程的經(jīng)驗(yàn)公式，其具體形式為：

Gp=G(Gf，pw)

(1)

其中：Gp為輕餾分流量；Gf為供料流量；pw為重餾分出口壓強(qiáng)。

方程(1)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出的經(jīng)驗(yàn)公式，其適用范圍僅限于實(shí)驗(yàn)工況所覆蓋的流量及壓強(qiáng)區(qū)域。而根據(jù)所設(shè)置的動(dòng)態(tài)過(guò)程，當(dāng)分離單元關(guān)閉后本單元內(nèi)精料端將存在不滿足聲速條件的情況，因此，參照孔板流量計(jì)算公式，對(duì)方程(1)進(jìn)行如下改動(dòng)：

Gp=G(Gf,pw)β(σ)

(2)

其中，β(σ)為與孔板后、孔板前壓強(qiáng)比σ有關(guān)的分段函數(shù)。

將方程(2)加入系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行上述2組動(dòng)態(tài)過(guò)程模擬，在分離單元關(guān)閉及打開(kāi)過(guò)程中本單元內(nèi)的貧料壓強(qiáng)變化如圖3所示。圖3中，Δp為運(yùn)行壓強(qiáng)與初始?jí)簭?qiáng)的差值；pR為單位壓強(qiáng)。

從圖3可看出，采用帶有方程(2)形式的系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行模擬所得到的結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)相比，自分離點(diǎn)后壓強(qiáng)變化速度過(guò)快，這使得分離單元內(nèi)貧料壓強(qiáng)穩(wěn)定時(shí)間大幅提前，與實(shí)際情況存在差異。通過(guò)對(duì)精料孔板前、后壓強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)圖中分離點(diǎn)處于孔板聲速條件附近。

圖4示出了2組動(dòng)態(tài)過(guò)程模擬結(jié)果中分離單元精料流量的變化。從圖4可看出，自分離點(diǎn)后精料流量下降速度明顯加快，結(jié)合壓強(qiáng)變化情況，判斷當(dāng)精料孔板處不滿足聲速條件后，采用方程(2)進(jìn)行計(jì)算所得精料流量偏大，且變化速度過(guò)快。

圖3 現(xiàn)有模型的模擬結(jié)果Fig.3 Simulation result of existing model

圖4 分離單元關(guān)閉及打開(kāi)過(guò)程中本單元內(nèi)精料流量變化Fig.4 Change of light fraction flow in this section during dynamic process

2.2 流量方程形式確定及仿真模擬結(jié)果分析

通過(guò)上述分析可知，當(dāng)主機(jī)精料端不滿足聲速條件后，采用現(xiàn)有流量方程形式計(jì)算得到的精料流量偏大，為解決上述問(wèn)題，參考孔板流量計(jì)算的處理方法，對(duì)主機(jī)模型中的精料流量方程做出了如下修正：

Gp=γ(σ)G(Gf,pw)β(σ)

(3)

其中，γ(σ)=[β(σ)]a，a需根據(jù)不同的機(jī)型確定，針對(duì)本文仿真研究對(duì)象經(jīng)不斷試驗(yàn)得到a=1.5，由此得到的β(σ)和γ(σ)β(σ)的函數(shù)圖像對(duì)比如圖5所示。

利用帶有方程(3)的系統(tǒng)仿真模型對(duì)上述2組動(dòng)態(tài)過(guò)程再次進(jìn)行模擬，所得結(jié)果如圖6所示。

從圖6與圖3的對(duì)比可看出，采用帶有方程(3)形式的系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行模擬，得到的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相符，解決了當(dāng)精料孔板處不滿足聲速條件后壓強(qiáng)變化過(guò)快的情況。

圖5 β(σ)和γ(σ)β(σ)函數(shù)圖像對(duì)比Fig.5 Comparison of function images for β(σ) and γ(σ)β(σ)

表1列出了采用方程(2)與方程(3)的主要仿真參數(shù)偏差對(duì)比，從表1可看出，采用帶有方程(3)的系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行模擬，可使分離單元的壓強(qiáng)平衡時(shí)間相對(duì)偏差小于10%，提高了仿真精度，因此可將方程(3)確定為主機(jī)輕餾分流量方程。

圖6 改進(jìn)模型的模擬結(jié)果Fig.6 Simulation result of improved model

指標(biāo)仿真參數(shù)方程(2)相對(duì)偏差3)/%方程(3)相對(duì)偏差/%靜態(tài)特性指標(biāo)(單元關(guān)閉后)第3分離單元壓強(qiáng)相對(duì)偏差0.0450.012第4分離單元壓強(qiáng)相對(duì)偏差0.3240.270動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)(單元關(guān)閉)第3分離單元壓強(qiáng)平衡時(shí)間相對(duì)偏差1)28.572.29第4分離單元壓強(qiáng)平衡時(shí)間相對(duì)偏差28.061.496第3分離單元壓強(qiáng)最大相對(duì)偏差2)1.4891.296第4分離單元壓強(qiáng)最大相對(duì)偏差1.9900.970動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)(單元打開(kāi))第3分離單元壓強(qiáng)最大相對(duì)偏差3.7043.649第4分離單元壓強(qiáng)最大相對(duì)偏差5.5575.472

注：1) 距最終穩(wěn)定值±10 Pa視為平衡

2) 壓強(qiáng)最大相對(duì)偏差為動(dòng)態(tài)過(guò)程中壓強(qiáng)模擬值與實(shí)際值的最大相對(duì)偏差

3) 相對(duì)偏差=(仿真值-實(shí)際值)/實(shí)際值×100%

3 壓強(qiáng)調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方程的建立

壓強(qiáng)調(diào)節(jié)器用于調(diào)節(jié)分離級(jí)重餾分管道壓強(qiáng)，確保級(jí)聯(lián)運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)工況相同，其原理是壓強(qiáng)調(diào)節(jié)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受反饋的壓強(qiáng)信息，之后調(diào)整設(shè)備上的閥板行程，以達(dá)到穩(wěn)定壓強(qiáng)的目的。

壓強(qiáng)調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方程的一般形式為：

TRd(δH)/dt+δH=Kh(pH-pRE)pD,0/pD,0

(4)

其中：TR為調(diào)節(jié)器一階時(shí)間常數(shù)；H為閥板行程；Kh為比例系數(shù)；pH為壓強(qiáng)調(diào)節(jié)器工作腔壓強(qiáng)；pRE為壓強(qiáng)調(diào)節(jié)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)參考?jí)簭?qiáng)；pD,0為調(diào)節(jié)器壓強(qiáng)設(shè)定值。

方程(4)中pRE項(xiàng)的選取及δH項(xiàng)的離散格式均影響壓強(qiáng)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)效果，本文將對(duì)分離級(jí)內(nèi)的壓強(qiáng)變化進(jìn)行分析，分別確定調(diào)節(jié)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)參考?jí)簭?qiáng)及閥板行程離散格式，進(jìn)而確定壓強(qiáng)調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方程的具體形式。

根據(jù)工程實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)中的動(dòng)態(tài)過(guò)程，本文所設(shè)置的仿真模擬過(guò)程如下：第1層架K分離級(jí)第4分離單元關(guān)閉及打開(kāi)，仿真時(shí)間為600 s，47 s時(shí)關(guān)閉分離單元供、精、貧閥門，306 s時(shí)打開(kāi)分離單元供、精、貧閥門。

3.1 調(diào)節(jié)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)參考?jí)簭?qiáng)的確定

在以往的靜態(tài)分析中，壓強(qiáng)調(diào)節(jié)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參考?jí)簭?qiáng)pRE取本級(jí)供料干管壓強(qiáng)pF，同樣在靜態(tài)分析中，對(duì)于方程(4)中的δH項(xiàng)通常采用閥板行程初值H0項(xiàng)進(jìn)行離散，具體離散格式為：δH=(H-H0)/H0。

沿用靜態(tài)分析方法，將pRE=pF及δH=(H-H0)/H0代入方程(4)，則可得到調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方程為：

Hn=H(pF,H0,Hn-1,Δt)

(5)

其中：Hn為調(diào)節(jié)器閥板當(dāng)前時(shí)間步的行程值；Hn-1為調(diào)節(jié)器閥板前一時(shí)間步的行程值；Δt為計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)。

采用帶有方程(5)的系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行模擬，式中H0=D/8，D為調(diào)節(jié)器閥門直徑。在分離單元關(guān)閉及打開(kāi)過(guò)程中部分分離級(jí)的貧料壓強(qiáng)變化如圖7所示。

圖7分別選取了擾動(dòng)所在分離級(jí)及該層架中貧料端某分離級(jí)的貧料壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化，其他各分離級(jí)的貧料壓強(qiáng)變化與這兩分離級(jí)相類似，從模擬結(jié)果中各分離級(jí)的貧料壓強(qiáng)變化情況可得到，自擾動(dòng)插入點(diǎn)至精料端各分離級(jí)，其壓強(qiáng)變化趨勢(shì)與實(shí)際數(shù)據(jù)相一致，但自擾動(dòng)插入點(diǎn)至貧料端各分離級(jí)，其壓強(qiáng)變化與實(shí)際工況存在較大差異，模擬結(jié)果存在一定程度的壓強(qiáng)振蕩現(xiàn)象，且越向該層架貧料端，壓強(qiáng)振蕩越嚴(yán)重，這與實(shí)際情況不符。

經(jīng)分析，這可能是由于采用靜態(tài)分析方法中pRE=pF所造成的，因?yàn)樵趯?shí)際設(shè)備中其執(zhí)行機(jī)構(gòu)與本級(jí)供料干管之間還接有一段取壓管及零位腔，在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)能起到一定的緩沖作用。

基于上述分析，在靜態(tài)分析方法的基礎(chǔ)上增加了取壓管及零位腔節(jié)點(diǎn)，壓強(qiáng)調(diào)節(jié)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參考?jí)簭?qiáng)pRE取本級(jí)零位腔節(jié)點(diǎn)壓強(qiáng)pZ，即pRE=pZ，將該式及離散格式δH=(H-H0)/H0代入方程(4)，可得到新的壓強(qiáng)調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方程為：

Hn=H(pZ,H0,Hn-1,Δt)

(6)

采用帶有方程(6)的系統(tǒng)仿真模型重新進(jìn)行模擬，所得結(jié)果如圖8所示。從圖8可看出，

圖7 參考?jí)簭?qiáng)為pF時(shí)的模擬結(jié)果Fig.7 Simulation result at reference pressure of pF

圖8 參考?jí)簭?qiáng)為pZ時(shí)的模擬結(jié)果Fig.8 Simulation result at reference pressure of pZ

采用方程(6)可使第1層架各分離級(jí)壓強(qiáng)變化趨勢(shì)與實(shí)際工況基本保持一致，貧料壓強(qiáng)振蕩現(xiàn)象得以消除。由此可得出，在動(dòng)態(tài)分析中壓強(qiáng)調(diào)節(jié)器的取壓管及零位腔節(jié)點(diǎn)不可忽略，從而確定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)參考?jí)簭?qiáng)與零位腔壓強(qiáng)相等，即pRE=pZ。

3.2 調(diào)節(jié)器閥板行程離散格式的確定

在靜態(tài)分析方法中，壓強(qiáng)調(diào)節(jié)器的閥板行程變化量δH的離散格式為δH=(H-H0)/H0，沿用此方法得到了方程(6)。在采用帶有方程(6)的系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)，方程(6)中的閥板行程初值H0會(huì)對(duì)最終模擬結(jié)果產(chǎn)生影響，本文分別選取H0=D/8和H0=D/16進(jìn)行模擬對(duì)比，在分離單元關(guān)閉及打開(kāi)過(guò)程中部分分離級(jí)的貧料壓強(qiáng)變化如圖9所示。

圖9分別選取了擾動(dòng)所在分離級(jí)及該層架中精料端某分離級(jí)的貧料壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化，其他各分離級(jí)的貧料壓強(qiáng)變化與這兩分離級(jí)相類似，從模擬結(jié)果中各分離級(jí)的貧料壓強(qiáng)變化情況可得到，自擾動(dòng)插入點(diǎn)至貧料端各分離級(jí)，其壓強(qiáng)變化趨勢(shì)基本一致，閥板行程初值H0對(duì)其壓強(qiáng)變化影響較小，但自擾動(dòng)插入點(diǎn)至精料端各分離級(jí)，當(dāng)分離單元關(guān)閉后，其貧料壓強(qiáng)變化幅度均不同程度增大，說(shuō)明不同的閥板行程初值會(huì)對(duì)精料端各分離級(jí)的壓強(qiáng)調(diào)節(jié)產(chǎn)生影響，壓強(qiáng)調(diào)節(jié)器無(wú)積分調(diào)節(jié)作用，最終壓強(qiáng)穩(wěn)定值會(huì)存在殘差。

實(shí)際運(yùn)行時(shí)，級(jí)聯(lián)各分離級(jí)壓強(qiáng)調(diào)節(jié)過(guò)程應(yīng)不受閥板行程初值的影響。為此，在動(dòng)態(tài)分析中，本文選取了另外一種離散格式，目的在于消除方程(6)中的H0項(xiàng)，同時(shí)增加積分項(xiàng)。具體方式為將δH項(xiàng)的離散方式修改為δH=(Hn-Hn-1)/Hn-1，則可得到新的調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方程為：

Hn=H(pZ,Hn-1,Hn-2,Δt)

(7)

其中，Hn-2為調(diào)節(jié)器閥板前兩個(gè)時(shí)間步的行程值。

采用帶有方程(7)的系統(tǒng)仿真模型重新進(jìn)行模擬，所得結(jié)果如圖10所示。從圖10可看出，采用新的離散格式可消除調(diào)節(jié)器閥板行程初值對(duì)仿真結(jié)果的影響。

圖9 不同H0對(duì)模擬結(jié)果的影響Fig.9 Effect of different H0 on simulation result

圖10 改進(jìn)離散格式后的模擬結(jié)果Fig.10 Simulation result of improved discrete format

表2列出了仿真模擬結(jié)果中各分離級(jí)貧料壓強(qiáng)與實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)值的相對(duì)偏差。從表2可看出，采用帶有方程(7)的系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行模擬，可使分離級(jí)靜態(tài)參數(shù)偏差小于2%，動(dòng)態(tài)參數(shù)偏差小于10%，具有較高的仿真精度。由此可得出，在動(dòng)態(tài)分析中閥板行程離散格式為δH=(Hn-Hn-1)/Hn-1，由此得到的方程(7)的形式可確定為壓強(qiáng)調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方程。

表2 仿真參數(shù)相對(duì)偏差Table 2 Relative deviation of simulation parameter

4 分離單元貧料閥門故障及仿真驗(yàn)證

前文確定了主機(jī)輕餾分流量方程及壓強(qiáng)調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方程的具體形式，由此得到了較為完善的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)仿真模型，并利用該系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行了模擬驗(yàn)證。通過(guò)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用所建立的系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行模擬，能較好模擬級(jí)聯(lián)動(dòng)態(tài)過(guò)程，所取得仿真結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相符，可利用所建立的系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證性工作。

4.1 閥門故障現(xiàn)象

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)中的動(dòng)態(tài)過(guò)程，所設(shè)置的仿真模擬條件如下。

1) 第1層架K分離級(jí)第1分離單元關(guān)閉及打開(kāi)過(guò)程：仿真時(shí)間為600 s，72 s時(shí)完全關(guān)閉分離單元供、精、貧閥門(所有閥門開(kāi)度由1變化至0)，352 s時(shí)打開(kāi)分離單元供、精、貧閥門(所有閥門開(kāi)度由0變化至1)。

2) 第1層架K分離級(jí)第2分離單元關(guān)閉及打開(kāi)過(guò)程：仿真時(shí)間為600 s，79 s時(shí)完全關(guān)閉分離單元供、精、貧閥門(所有閥門開(kāi)度由1變化至0)，395 s時(shí)打開(kāi)分離單元供、精、貧閥門(所有閥門開(kāi)度由0變化至1)。

利用搭建好的級(jí)聯(lián)仿真模型，進(jìn)行上述2組動(dòng)態(tài)過(guò)程模擬，在分離單元關(guān)閉及打開(kāi)過(guò)程中本單元內(nèi)的貧料壓強(qiáng)變化如圖11所示。

從圖11可看出，由仿真模擬所得到的第1、2分離單元貧料壓強(qiáng)變化與2.2節(jié)中第3、4分離單元的壓強(qiáng)變化趨勢(shì)一致，但與實(shí)際數(shù)據(jù)差別較大。在實(shí)際工況中，當(dāng)分離級(jí)1、2單元閥門關(guān)閉后，本單元內(nèi)貧料壓強(qiáng)均出現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，采用所給的仿真條件無(wú)法得到與實(shí)際工況相符的模擬結(jié)果。

根據(jù)分離單元貧料壓強(qiáng)變化曲線，推測(cè)1、2分離單元內(nèi)貧料閥門可能存在無(wú)法完全關(guān)閉 的故障情況，這樣當(dāng)分離單元貧料閥門關(guān)閉時(shí)會(huì)保持一定的開(kāi)度，使該分離單元貧料壓強(qiáng)逐漸下降，當(dāng)?shù)陀诒痉蛛x級(jí)貧料干管壓強(qiáng)時(shí)，會(huì)有部分物料從貧料干管逆流回分離單元，當(dāng)逆流流量大于由本分離單元貧料端流至精料端的流量時(shí)，會(huì)導(dǎo)致單元內(nèi)貧料壓強(qiáng)又逐漸上升。為驗(yàn)證這一推測(cè)，將通過(guò)改變仿真條件加以對(duì)比說(shuō)明。

圖11 現(xiàn)有仿真條件下的模擬結(jié)果Fig.11 Simulation result of existing simulation condition

4.2 仿真驗(yàn)證

根據(jù)推測(cè)，經(jīng)不斷試驗(yàn)，得到新的仿真模擬條件如下。

1) 第1層架K分離級(jí)第1分離單元關(guān)閉及打開(kāi)過(guò)程：仿真時(shí)間為600 s，72 s時(shí)關(guān)閉分離單元供、精、貧閥門(供、精閥門開(kāi)度由1變化至0，貧料閥門開(kāi)度由1變化至0.076)，352 s時(shí)打開(kāi)分離單元供、精、貧閥門(所有閥門開(kāi)度變化至1)。

2) 第1層架K分離級(jí)第2分離單元關(guān)閉及打開(kāi)過(guò)程：仿真時(shí)間為600 s，79 s時(shí)關(guān)閉分離單元供、精、貧閥門(供、精閥門開(kāi)度由1變化至0，貧料閥門開(kāi)度由1變化至0.13)，395 s時(shí)打開(kāi)分離單元供、精、貧閥門(所有閥門開(kāi)度變化至1)。

利用更新后的仿真條件進(jìn)行模擬，所得結(jié)果如圖12所示。從圖12可看出，采用更新后的仿真條件進(jìn)行模擬所得到的結(jié)果與實(shí)際工況趨勢(shì)相符。由此可判斷，在實(shí)際級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中，第1層架K分離級(jí)的第1、2分離單元貧料閥門存在無(wú)法完全關(guān)閉的故障情況。由于建模過(guò)程中并未得到分離單元貧料閥門的特性，本文采用平方阻力閥加以模擬，因此得到的閥門最小開(kāi)度值與實(shí)際可能存在偏差，只能定性分析該閥門所存在的問(wèn)題。

圖12 改進(jìn)仿真條件后的模擬結(jié)果Fig.12 Simulation result of improved simulation condition

從仿真模擬結(jié)果與實(shí)際工況的差異出發(fā)，假設(shè)實(shí)際系統(tǒng)中可能存在的問(wèn)題，并通過(guò)改變仿真條件再次進(jìn)行仿真模擬，所得結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致，從而驗(yàn)證了分離單元貧料閥門無(wú)法完全關(guān)閉的假設(shè)。

5 結(jié)論

針對(duì)實(shí)際級(jí)聯(lián)系統(tǒng)建立了仿真模型，并確定了主機(jī)輕餾分流量方程及壓強(qiáng)調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方程的具體形式，利用完善后的系統(tǒng)仿真模型對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了模擬驗(yàn)證，通過(guò)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比得到以下結(jié)論。

1) 靜態(tài)特性指標(biāo)：分離單元及分離級(jí)各測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)仿真值與實(shí)際系統(tǒng)相應(yīng)的參數(shù)值偏差均小于2%。

2) 動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)：在相同的運(yùn)行工況和操作情況下，仿真結(jié)果和實(shí)際系統(tǒng)的壓強(qiáng)動(dòng)態(tài)特性曲線相比，變化趨勢(shì)一致，并且壓強(qiáng)的最大偏差及系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性時(shí)間參數(shù)偏差均小于10%。

3) 建立的系統(tǒng)仿真模型具有較高的仿真精度，可用于其他級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的仿真研究。

4) 通過(guò)仿真模擬驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，實(shí)際級(jí)聯(lián)系統(tǒng)第1層架K級(jí)的第1、2分離單元貧料閥門存在無(wú)法完全關(guān)閉的故障情況。