基于行程反饋控制的太陽能蒸汽泵性能研究

吳 毅 黃小兵

(攀枝花學(xué)院 智能制造學(xué)院，四川 攀枝花 617000)

0 前 言

傳統(tǒng)往復(fù)泵幾乎都屬于機(jī)動型，在沒有電力供給的情況下無法正常運行[1]。在偏遠(yuǎn)地區(qū)、電力條件受限的野外或山區(qū)，農(nóng)業(yè)灌溉和山林灌溉中往往無法使用傳統(tǒng)往復(fù)泵，工作難度較大。為此，需考慮設(shè)計一種太陽能蒸汽泵，以解決電力不足的問題。

目前在用或在研制的太陽流體活塞泵工作原理，主要是利用高壓蒸汽的膨脹和冷凝過程推動水的運動并使其作功，從而完成吸排液過程[2]。由于其工作容腔在冷熱交替過程中不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致效率低下(一般低于2.5%)，因此，還需改善這種冷熱交替現(xiàn)象，以提高水泵的工作效率。國內(nèi)見于報道的太陽能泵設(shè)計和應(yīng)用創(chuàng)新成果不多。早年間，源興介紹了幾種太陽能水泵的結(jié)構(gòu)和工作原理，為太陽能水泵的研制提供了一定的參考[3]。在張國富翻譯的文獻(xiàn)中，介紹了太陽能泵的工作原理及其結(jié)構(gòu)組成，以及流量隨各時刻日照的變化關(guān)系[4]。在唐季湘摘譯的文獻(xiàn)中，介紹了蘭金循環(huán)式太陽能泵的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及核心部件，指出了其性能優(yōu)勢及局限性[5]。蒸汽泵的液缸活塞和汽缸活塞由活塞桿直接連接，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)控制配汽機(jī)構(gòu)換向使汽缸活塞往復(fù)運動，從而帶動液缸活塞作同步往復(fù)運動，完成吸排液過程[6]。由于汽液介質(zhì)分別在汽缸和液缸中工作，蒸汽泵較好地解決了汽液接觸的冷熱交變現(xiàn)象，可大幅提高泵的工作效率。

本次設(shè)計的太陽能蒸汽泵，是通過行程反饋控制的方式[7]來實現(xiàn)太陽能蒸汽泵的汽缸往復(fù)運動。

1 太陽能蒸汽泵的工作原理及結(jié)構(gòu)組成

太陽能蒸汽泵系統(tǒng)的工作原理是：循環(huán)油液將太陽能集熱器的熱量通過熱交換方式轉(zhuǎn)換，在閃蒸器中將清水轉(zhuǎn)化為高壓蒸汽，以此為動力源推動汽缸作活塞運動(見圖1)。

圖1 太陽能蒸汽泵系統(tǒng)原理圖

太陽能蒸汽泵主要由蒸汽缸、液缸和配汽機(jī)構(gòu)等部分組成(見圖2)，可由自身結(jié)構(gòu)控制換向。其工作過程如下：當(dāng)進(jìn)汽口3接通高壓蒸汽時，活塞向右運動，液缸單向閥打開，左腔吸液、右腔排液；當(dāng)活塞行至右死點時，反饋控制口6打開，高壓流體經(jīng)反饋孔進(jìn)入換向閥右腔，推動換向閥并控制著活塞向左運動換向；當(dāng)進(jìn)汽口8接通高壓蒸汽時，活塞向左運動，液缸單向閥打開，右腔吸液、左腔排液；當(dāng)活塞行至左死點時，反饋控制口7打開，高壓流體經(jīng)反饋孔進(jìn)入換向閥左腔，推動換向閥并控制著活塞向右運動換向。如此反復(fù)交替，蒸汽缸便帶動液缸作同步往復(fù)運動，液缸吸排液室的單向閥交替開啟和關(guān)閉，從而實現(xiàn)吸排液過程。

圖2 太陽能蒸汽泵結(jié)構(gòu)圖

2 太陽能蒸汽泵模型的建立

與機(jī)動往復(fù)泵不同，太陽能蒸汽泵的活塞運動規(guī)律取決于作用在活塞上的瞬時蒸汽壓力、瞬時液體壓力和各項阻力的合力，其活塞運動規(guī)律并不固定[6]?？紤]太陽能蒸汽泵的實際工作情況，在建立數(shù)學(xué)模型時首先作如下假設(shè)：

(1)不考慮清水的壓縮性、黏度和溫度的變化。

(2)所有結(jié)構(gòu)部件均視為不變形剛體。

(3)蒸汽流量為恒定值。

(4)不考慮清水的質(zhì)量。

2.1 數(shù)學(xué)模型

2.1.1 液缸活塞的受力平衡方程

以向左運動為例分析活塞受力情況(見圖3)，則液缸活塞的受力平衡方程為：

圖3 活塞受力示意圖

(1)

式中：pq——汽缸進(jìn)汽腔內(nèi)工作蒸汽的壓力，Pa；

Aq——汽缸無桿腔活塞截面積，m2；

py1、py2——抽水液缸吸水腔、排水腔壓力，Pa；

Ay1、Ay2——抽水液缸有桿腔活塞截面積，m2；

m——活塞組件的總質(zhì)量，kg；

f——活塞環(huán)與缸壁，活塞桿與填料密封的摩擦力，取(4%～8%)Fmax，F(xiàn)max為活塞運動中的最大流體壓力，N；

x——活塞的位移，m；

t——活塞的運移時間，s；

λ——阻力損失系數(shù)。

2.1.2 吸排液過程中缸內(nèi)的壓力特性

太陽能蒸汽泵吸排液過程如圖4所示。由伯努利方程推導(dǎo)出液缸吸排液時腔室的壓力方程：

圖4 太陽能蒸汽泵吸排液過程示意圖

(2)

(3)

式中：patm——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，MPa；

pg——測試氣壓，MPa；

hx、hp——吸水、排水高度，m；

u1、u2——吸水腔、排水腔內(nèi)液體瞬時流速，即活塞的瞬時速度，m/s；

hax、hap——吸水管、排水管內(nèi)液體慣性水頭,m；

lx、lp——吸水管、排水管長度，m；

dx、dp——吸水管、排水管直徑，mm；

ux、up——吸水管、排水管內(nèi)液體瞬時流速，m/s；

hλx、hλp——吸水管、排水管沿程壓力損失,m；

λx、λp——吸水管、排水管局部阻力系數(shù)；

∑hζx、∑hζp——吸水管、排水管局部壓力損失，m；

ζx、ζp——吸水管、排水管局部阻力系數(shù)；

g——重力加速度，9.8 m/s2；

ρ——工作介質(zhì)密度，kg/m3。

由式(1)—(3)，可求得活塞的運動速度。

2.1.3 瞬時流量模型

在正常工作狀態(tài)下，太陽能蒸汽泵的瞬時流量可由活塞運動速度和活塞面積來計算：

Qs=A·v

(4)

式中：Qs——瞬時流量，m3/s；

A——液缸活塞的有效面積，m2；

v——液缸活塞的運動速度，m/s。

2.2 AMESim仿真模型

在上述分析的基礎(chǔ)上，建立太陽能蒸汽泵仿真模型(見圖5)。為便于仿真計算，對實際運行情況作如下簡化[7-8]：

圖5 太陽能蒸汽泵的AMESim仿真模型

(1)假定蒸汽輸入源恒定。

(2)不考慮活塞及缸體等部件的彈性變形。

(3)不考慮泵內(nèi)部通道的清水質(zhì)量。

(4)不考慮系統(tǒng)外泄漏。

3 太陽能蒸汽泵仿真結(jié)果分析

3.1 正常工作狀態(tài)下的運動規(guī)律

設(shè)置太陽能蒸汽泵模型參數(shù)，如表1所示。當(dāng)進(jìn)汽壓力為 2 MPa時，汽缸活塞和配汽閥閥芯的位移、速度變化如圖6、圖7所示。

圖6 活塞和閥芯的位移變化

圖7 活塞和閥芯的運動速度變化

表1 太陽能蒸汽泵主要模型參數(shù)

由于進(jìn)汽壓力較高，配汽閥閥芯的運動行程較短，其換向時的運動速度較大，換向動作極快，故其位移曲線呈方波形，速度呈脈沖狀。太陽能蒸汽泵剛開始啟動時，進(jìn)汽腔側(cè)有高壓蒸汽，而排汽腔側(cè)無壓力蒸汽；于是，速度急劇增加，活塞運動周期略小于穩(wěn)定運行的周期。當(dāng)運行狀態(tài)平穩(wěn)之后，在配汽閥閥芯完成換向的瞬間，汽缸中的高壓蒸汽由進(jìn)汽腔接入排汽腔，使得活塞立即減速至停止，然后在行程終點立刻反向運動，其位移曲線呈三角波形。由于活塞行至行程終點時，進(jìn)汽腔中蒸汽需排放減壓，使得汽缸活塞受力大于液缸吸液阻力才可反向回程，因此活塞的換向周期大于閥芯的換向周期。此時，進(jìn)汽腔中乏汽但仍有壓力，故活塞運動較剛啟動時的增速更平穩(wěn)。

由式(4)可知，泵的瞬時流量隨著活塞運動速度的變化而變化。根據(jù)其運動規(guī)律，剛啟動時因增速加快，使得輸出流量和壓力急劇增大；而運行穩(wěn)定之后，輸出流量和壓力則變得平穩(wěn)。但在活塞行至行程終點時行程換向出現(xiàn)停頓，這將導(dǎo)致瞬時輸出流量和輸出壓力不穩(wěn)定。彈簧剛度和進(jìn)汽壓力會對太陽能蒸汽泵的流量和壓力特性產(chǎn)生一定影響。

3.2.1 彈簧剛度的影響

當(dāng)彈簧剛度不同時，太陽能蒸汽泵在正常工作狀態(tài)下的瞬時出口流量、瞬時出口壓力變化如圖8、圖9所示。當(dāng)彈簧剛度增大時，活塞運動阻力隨之變大，其運動增速平緩，且速度逐漸下降；于是，瞬時流量、瞬時壓力的增長亦變得平緩，泵的瞬時流量和瞬時壓力均逐漸降低，活塞運動周期略微延長。同時，彈簧剛度增大，活塞在行程終點處停頓的時間有所縮短，瞬時流量和瞬時壓力的平穩(wěn)性有所增強。在同等輸出流量的條件下，增大彈簧剛度，必然要增加進(jìn)汽量以提高活塞的運動速度。因此，在實際應(yīng)用中需根據(jù)泵的性能要求合理選擇彈簧剛度的值。

圖8 不同彈簧剛度下的瞬時出口流量變化

圖9 不同彈簧剛度下的瞬時出口壓力變化

3.2.2 進(jìn)汽壓力的影響

當(dāng)輸入蒸汽的壓力不同時，太陽能蒸汽泵在正常工作狀態(tài)下的瞬時出口流量、瞬時出口壓力變化如圖10、圖11所示。進(jìn)汽壓力增大，會導(dǎo)致活塞運動方向所受合力增大，速度也迅速加快；因此，在啟動和穩(wěn)定運行狀態(tài)下，瞬時流量和瞬時壓力均逐漸增大，而活塞運動周期明顯縮短。但是，提高進(jìn)汽壓力對瞬時出口流量和瞬時出口壓力的穩(wěn)定性影響并不大。

圖10 不同進(jìn)汽壓力下的瞬時出口流量變化

圖11 不同進(jìn)汽壓力下的瞬時出口壓力變化

4 結(jié) 語

本次設(shè)計的太陽能蒸汽泵，是以行程反饋控制的方式來實現(xiàn)往復(fù)運動。在此，根據(jù)太陽能蒸汽泵的結(jié)構(gòu)組成，搭建了AMESim仿真模型，分析了其正常工作狀態(tài)下的運動規(guī)律，以及彈簧剛度、進(jìn)汽壓力對蒸汽泵出口流量和出口壓力的影響。分析結(jié)果表明，進(jìn)汽壓力、彈簧剛度的變化對輸出流量壓力特性具有顯著影響。泵的瞬時出口流量和瞬時出口壓力均隨著彈簧剛度的增大逐漸降低，因此，加大彈簧剛度可改善壓力和流量的穩(wěn)定性。提高進(jìn)汽壓力，可使泵的瞬時流量和瞬時壓力增大，但對其穩(wěn)定性并無顯著影響。