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保定华仿—军用制氧制氮车虚拟现实仿真系统
2010年8月5日    评论:    分享:

    来源:保定华仿科技有限公司

      0 前言

      军用制氧制氮车是为满足我军航空兵部队新型飞机用氧用氮的需求,以空气为原料,采用分子筛吸附干燥净化、深度冷冻液化和低温精馏分离的方法,制取氧气、氮气,产品质量可满足飞机及机载设备的使用需要。我们以STAR-90仿真支撑系统为基础,对制氧制氮车的实际系统进行简化,开发了军用制氧制氮车训练模拟器。可模拟制氧、制氮工艺过程,真实反映对象故障的现象及处理过程的动态响应。生产人员可在该模拟器进行启停、正常运行和故障处理等培训,尽快全面掌握仿真对象的运行特性。

      1 仿真对象概述

      制氧制氮车主要由空气预冷系统、分子筛纯化系统、空气精馏系统、制冷系统等系统组成。

      其工艺流程如下:制氧制氮车采用螺杆压缩机供气,分子筛吸附水分和二氧化碳,返流气体进透平膨胀机膨胀制冷,低温液体泵内压缩,带辅助氮冷凝蒸发器的单级精馏塔精馏来实现气氧、气氮、液氧、液氮四个工况的工艺流程。其基本工作过程为:环境空气由螺杆压缩机升压后,经过油水分离器、初级油过滤器、空气预冷机组、管路贮气筒、精油过滤器和超精油过滤器,除去空气中的油分、水分,再经分子筛纯化机组除去剩余的水分、二氧化碳等杂质,净化后的空气进入冷箱,经两组板式换热器换热,使加工空气的温度下降,达到饱和状态,最后空气进入分馏塔进行精馏,分离出满足要求的液氧或液氮产品。

      2 训练模拟器的构成

      制氧制氮车训练模拟器包括硬件系统和软件系统。硬件系统包括主计算机、虚拟控制操作站、仿真控制盘、STAR-90 接口系统 ;软件系统包括仿真支撑系统软件、数学模型软件、虚拟控制界面软件等。下面重点对数学模型软件作一介绍。

      3 数学模型介绍

      3.1 STAR-90模块化建模和仿真支撑平台简介

      训练模拟器数学模型的开发是建立在STAR-90模块化建模和仿真支撑平台上的。STAR-90模块化建模方法来源于系统分解的思想。由于实际系统设备众多,连接关系复杂,难以用单一的函数或程序来模拟。根据系统分解的思想,将系统分解为若干个功能独立、可分别调试的模块,各个模块完成一定的功能,由支撑系统完成模块之间的连接。采用这种方法降低了建模的难度,便于模型的查错、调试和修改,而且各种模块所使用的算法可以重复使用,提高了软件的开发效率。模型建立的基础是模型算法库。模型算法是以制氧制氮车中的设备、控制逻辑为对象编制的子程序,具有通用性。这些算法分为设备算法和通用算法两类。设备算法是针对压缩机、分馏塔等设备,根据物质守恒、能量守恒、动量平衡的原理,严格按照物理过程,利用欧拉法对微分方程进行差分而建立的。通用算法完成逻辑运算功能,如逻辑与算法、逻辑非算法等。

      3.2制氧制氮车的仿真模型介绍

      根据制氧制氮车中的流程和仿真机的仿真范围,模型分为空气预冷机组、分子筛纯化系统、分馏塔系统、透平膨胀机系统四部分

      3.2.1 空气预冷机组

      空气预冷机组是根据水的饱和蒸气压力和温度之间的对应关系,利用制冷原理强制冷却压缩空气,使压缩空气中的水蒸气在低温下过饱和,冷凝结露,并分离出水分的压缩空气除水净化设备。其工作过程为:由进气口通入从螺杆压缩机来的热空气,在蒸发器中进行热交换,降低空气温度,析出空气中的大部分水分,以使进分子筛纯化器前的空气温度、含水量降低。空气预冷机组由制冷压缩机提供冷量,用冷凝风扇给蒸发器散热。可根据环境温度高低通过热力旁通阀调节制冷量,从而调节出口温度。该部分在搭建的过程中要分成两部分:压缩空气系统和制冷系统。工质流量的计算利用阀门算法,压力的计算采用温度压力节点算法。压缩机利用专用的压缩机算法根据对象特性曲线进行模拟实现。制冷系统采用换热器的算法实现,该算法能够准确模拟制冷剂流量、温度的变化对空气出口温度的影响。

      3.2.2 分子筛纯化系统

      分子筛纯化器的作用就是清除空气中少量气体杂质如水分、乙炔和二氧化碳,以确保空气分离的正常进行。吸附器组基本工作原理:是当压缩空气通过吸附器的固定吸附床时,利用吸附剂多孔表面可选择吸附某些组分特性,把空气中少量H2O、C2H2、CO2等杂质吸附在吸附剂空穴中,以达到净化空气目的。该部分模型采用分子筛纯化器的算法。该算法能够正确反映氮、氧、水蒸气、二氧化碳的百分比以及它们的蒸气分压的变化,和吸附达到饱和平衡的标志,能够反映进行吸附剂再生的过程。以及再生过程中污氮气体的充入对该纯化器的影响。

      3.2.3 分馏塔系统

      分馏塔系统是该仿真机中最重要的系统,也是数学模型最为复杂的算法。分馏塔是用增长接触时间和增大接触空间的办法来强化气、液间传热与传质过程以实现空气中氧、氮气体分离的设备(如图1所示)。在精馏的过程中:制氧时,冷凝蒸发器中的液空通过节流阀进入分馏塔上部作回流液,液体在塔板上沿一定方向作圆周流动。从冷凝蒸发器逐节上升的蒸气通过塔板上的筛孔与液体充分接触,进行热量和质量的交换,使低沸点的组分(氮)升到上一块塔板,高沸点的组分(氧)流入下一块塔板,继续进行热量和质量的交换,使上升气体中氮的含量越来越高,下行液体中氧的含量越来越高,从而达到氧、氮分离的目的。分馏塔算法在两种物质相互接触换热的过程中利用混和焓的方法,反映出焓的变化,利用汽化率算出液氧和液氮的产量。

      3.2.4 透平膨胀机

      透平膨胀机是利用压缩气体(工质)在机内绝热膨胀,输出外功,产生冷量,获得低温的一种机器。其工作原理:工质在透平膨胀机的流通部分中膨胀获得动能,并由工作轮轴输出外功。透平膨胀机工作原理的实现采用汽机级组算法,能够反映压缩空气经过透平膨胀机做功后,其温度、压力、焓值的变化。

      4 结论

      以STAR-90仿真支撑系统为基础,根据制氧制氮车各部分实际工作机理,依据据质量守恒、能量守恒、相平衡原理,按照工质流程,利用专用算法和通用算法,开发了军用制氧制氮车训练模拟器。该模拟器具有良好的静态精度和动态特性,能够较真实的仿真制氧制氮车的启动、停止、运行调整等正常操作以及各种故障现象。


 

标签:军用制氧制氮真系统
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