某液氢输液管运行时联锁报警条件优化改进

曹建 尚宇 张天(北京航天试验技术研究所，北京 100074)

1 系统简介

无论是在实验室的低温技术研究时，或是在实际工程应用中，真空绝热管路均是一种常见设备，其原理是在管路内的夹层中，绝热空间保持1.0×10-2Pa以下压强的真空度，这样就可以消除气体的对流传热和绝大部分残余气体导热，以到达良好的绝热效果，用于在特定管路部位阻隔热量传递，可用于防止管路内热量散失，或者防止管内介质被外部热量影响。某航天单位在某型号装备研制生产过程中，从国外某公司进口了一根液氢输液管及其管路附件。该输液管为不锈钢材质的真空绝热管路[1]，真空度优于1.0×10-2Pa，管路通径为DN25，管路工作压力小于1.4MPa(表压)，管路正常工作时温度区间约为16K～25K，液氢输液量约为10g/s。液氢是由高纯氢气经过降温而得到的液体，是一种无色、无味的高能低温液体燃料，一个大气压下的正常氢沸点为20.37K(零下252.78℃)，所以其所用管路工作温度极低。液氢广泛应用于航天发射领域和可再生能源系统研究。

2 改造原因

根据该管路的技术规格及使用条件，外方提供了该输液管内介质压力及温度的经验函数关系式，作为联锁报警的限制条件。管路示意图如图1所示。

图1 真空绝热液氢输液管示意图

图1中，用于低温环境的压力传感器读数为P1，单位为bar(绝压)，用于低温测量的贴壁式温度变送器读数为T1，单位为K，外方提供的T1限制条件为：

式中：a、b、c为函数关系式的经验参数。

由于该函数关系式中a、b、c均为浮点数，且存在幂运算，所以在现场的单片机编程或后续PLC编程中，存在计算不便或计算速度较慢的问题[2-4]，严重影响联锁报警条件的响应速度。另外，由于压力传感器的单位不是国际标准单位，在后续的校准、维修或更换过程中，如果换用常用的国产压力传感器，单位为MPa(表压)，会导致该联锁报警条件失效。因此，需要对该联锁报警条件进行优化改进。

3 数据处理

根据该真空绝热管的使用条件，以0.0002MPa为递增步长，列出了在使用范围内的压力数据，并进行单位换算；根据换算后的bar压力单位数值，代入经验公式(1)，得到了对应压力数值下的温度报警上限(该数据进行了非密化处理)。随后，分别以MPa单位压力值为横坐标、温度报警上限为纵坐标做出数据图。

4 数据拟合

经观察，发现该函数关系的线性较好，因此拟用直线拟合的方法对该数据进行参数估计[5-6]，直线拟合函数形式为(2)式所示：

式中：P为压力值(MPa，表压)；Ta为温度报警上限(K)；α，β为线性拟合参数。

线性参数估计的计算方法如(3)、(4)式所示：

式中：P为压力值(MPa，表压)；P为所有压力数值的平均值(MPa，表压)；Ta为温度报警上限(K)；Ta为所有温度报警上限数值的平均值(K)；N为数据点的个数，在本文中取值为3001；α，β为线性拟合参数。

将实际数值代入(3)、(4)式，经过计算，α，β的取值分别近似为5.2855和25.4296，计算数据及拟合数据作图如图2所示。上述压力数据处理及温度报警上限拟合过程数据见表1。

经过多次迭代试差，最终确定α，β的取值分别为5.3和25.3，改进后的拟合数据如图3所示。由图3可知，改进后的直线拟合数据与温度报警上限计算数据吻合较好，在管路使用的压力范围内，所有拟合数据均不大于计算数据，符合报警上限设定条件；且最大拟合误差约为0.17K，满足工业使用的精度要求[7]。

表1 压力数据处理及温度报警上限拟合过程数据列表

图2 压力值和温度报警上限初始拟合结果

图3 压力值和温度报警上限改进后的拟合结果

5 结语

经过优化改进，该液氢输液管的温度报警上限得到了快速而准确的设定，在现场通过单片机加装了报警指示灯，同时在PLC控制系统的远程上位机中设置了联锁报警。经过长时间的运行考核，该温度报警未出现漏报或误报的现象，有力地支持了型号研制和科研生产工作，取得了良好的效果。后续运行中，压力传感器更换为国产品牌，节约了生产成本，缩短了备件的供货周期。