[发明专利]一种低温液体膨胀机全工况优化设计方法

说明书

本发明公开了一种低温液体膨胀机全工况优化设计方法，包括以下步骤：依次进行液体膨胀机整机多工况性能数值预测、叶轮几何参数化表达及敏感参数提取、全工况代表点侦测及全工况优化目标函数构建、全工况设计优化问题的高效自适应求解，该方法能够实现低温液体膨胀机的全工况高效运行，为空分变负荷安全运行提供支撑。

技术领域

本发明属于低温空分领域，涉及一种低温液体膨胀机全工况优化设计方法。

背景技术

低温液体膨胀机是大型空分装置的关键节能设备，用以代替节流阀来实现余压能量回收、降低汽化率及提高空分产品提取率。空分系统由于大气吸入条件随环境条件(如夏季和冬季温度)的变化而发生变化，或其配套的石油化工、钢铁冶炼等工业流程的变负荷需求，时常需要对其运行参数进行调节。

作为空分系统主流程关键节能设备，低温液体膨胀机的效率和制冷量不但影响空分系统的产气量和产气质量，也关乎整套系统的运行安全。空分系统运行参数的变化使得低温液体膨胀机进出口压力、温度、流量等运行参数，在实际运行过程中会偏离原有设计点，造成其性能恶化、制冷量无法满足空分系统要求。为满足空分系统的调节需求，低温液体膨胀机不仅在设计点拥有较高的性能，还需具备宽工况变工况(即变压力、变温度、变流量等)运行能力。

常规膨胀机(包括气体膨胀机和低温液体膨胀机)的设计大多在单一设计点开展，即单点设计方法。例如：专利201610822298.3“一种径-轴流式透平膨胀机叶轮叶片三维型线的设计方法”公开了一种气体透平膨胀机叶轮叶片三维型线的设计方法，可根据已知设计点参数，获得子午面午面控制线和叶片三维型线。201110439235.7径流式液力透平优化设计方法”提供了一种径流式液力透平通流部件整机优化设计方法，通过给定进出口的压力、温度，流量等设计点参数，实施一元热力优化设计、通流部件三维造型，以及整机性能优化。

虽有部分文献，如专利201710003433.6“一种液力透平叶轮多工况多目标优化设计方法”，使用多目标遗传算法，以3个不同流量点的效率、径向力和轴向力最优为目标，进行设计寻优；专利201710799643.0“一种轴流泵多工况智能设计与优化方法”将Isight优化软件与CFturbo叶轮设计软件及仿真软件PumpLinx相集成，完成3个流量工况点效率的优化。但上述公开的多工况优化设计资料，通常仅涉及到不同流量点等单一运行参数。对于低温液体膨胀机变压力、变温度、变流量的复杂变工况运行需求，传统单点及多点设计优化方法均无法实现。特别对于低温液体膨胀机，其设计理论资料有限、低温热效应难以捕捉、多工况性能预测依赖于耗时数值计算等诸多原因，使其全工况优化设计难以实现。就国内外文献看，针对低温液体膨胀机，尚未有以提升其宽工况变工况运行能力为目标的全工况设计方法公开。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种低温液体膨胀机全工况优化设计方法，该方法能够实现低温液体膨胀机的全工况高效运行，为空分变负荷安全运行提供支撑。

为达到上述目的，本发明所述的低温液体膨胀机全工况优化设计方法，包括以下步骤：依次进行液体膨胀机整机多工况性能数值预测、叶轮几何参数化表达及敏感参数提取、全工况代表点侦测及全工况优化目标函数的构建、全工况设计优化问题的高效自适应求解。

液体膨胀机整机多工况性能数值预测的具体过程为：

在考虑蜗壳、喷嘴、叶轮及扩压管流道的整机环境下进行流动数值模拟；考虑低温液态工质的低温热力学效应，将介质密度、粘性、热导率以及比热容作为温度及压力的函数，并结合总能方程进行求解，得到液体膨胀机整机多工况性能数值预测结果。

通过对叶轮三维几何形状进行调节，以匹配膨胀机在不同工况点的流动特性，获得满足宽工况变工况运行要求的最优三维叶轮几何；

其中，叶轮几何参数化表达方式为：叶轮几何由子午面型线和三维扭曲叶片共同定义，使用贝塞尔曲线分别对午面型线、叶顶及叶根叶型中弧线进行参数化描述，通过调节曲线控制点坐标实现叶轮午面型线及三维叶片的协同变化。