南极发电舱热特性及其控制研究

发布时间：2020-04-02 12:02

【摘要】：Dome A地区位于南极高原的最高点,其海拔高度约4100m,年平均温度约-60℃,全年气温波动明显,面对如此恶劣的极端台址环境,研制可靠高效的天文科考支撑平台就成为了在该地区开展天文观测研究的首要保障。南极发电舱作为天文科考支撑平台的能源供应系统,其热特性直接关系到整个天文科考支撑平台的可靠运行。由于南极柴油机热平衡特性受到低压空气影响,且柴油机工作需要引入大量的舱外新鲜空气,外界低温空气的进入又会对舱内热平衡产生干扰;另外,发电舱为一多热源耦合传热的能量供应系统,系统内存在复杂的热量交换关系,当舱外温度全年动态变化时,发电舱内部可能出现过热或过冷的情况。因此,如何保证发电舱内部工作温度稳定且处于安全范围内是科考平台研制面临的重要挑战,也是研究系统失效机理的前提和基础。此外,现有的发电舱热平衡计算还是基于稳态极端低温环境展开,对于南极极端环境下发电舱全年热动态过程研究则相当缺乏。为此,本文通过低压环境模拟平台对柴油机在低压环境中热特性及发电性能进行了实验研究,在此基础上,运用集总参数法建立了南极发电舱的热动态模型,研究了发电舱在全年温度变化及不同策略下的热特性,并将状态空间原理及经典控制理论运用到发电舱热控制中,对发电舱温度控制及能量管理进行了研究。本文的主要工作及结论如下:(1)搭建了低压环境柴油机性能测试系统,通过实验研究了柴油机在低压环境中热平衡特性及发电性能的变化情况。实验研究表明:在南极气压下,柴油机热平衡特性将发生较大变化,低压下柴油机燃烧效率明显下降,柴油机热负荷增加,排烟温度及整机温度水平升高,柴油机发电功率、散热量及排烟损失量随转速的增加逐渐增大,但增长速度逐渐变缓。低压下柴油机排烟损失更大,散热损失更小,南极气压下柴油机散热量与发电功率的比值较正常气压下高。对比不同工况下的实验数据发现,柴油机不同气压下存在使得燃油消耗率最小的最佳转速,且最佳转速一般位于柴油机的中等转速区间,对于南极低气压,柴油机在低转速下发电效率下降不明显,而在高转速下降低幅度较大,考虑到发电的经济性与可靠性,在南极低气压下,建议的柴油机转速为2200r·min~(-1)。(2)建立了南极发电舱的热动态模型,以Dome A地区的全年温度为边界条件,研究了发电舱的全年热动态过程,并分析了通风量变化及柴油机间歇运行对舱内空气温度的影响。研究结果表明:在无主动排风的情况下,发电舱温度严重超过正常水平,为了保证舱内空气温度在合理的范围,发电舱必须设置一定大小的排风量。当柴油发电机正常运行时,通过变通风量策略可以将舱内空气温度维持在0~30℃的范围内。在间歇运行模式下,舱内空气温度及底层燃油温度下降明显,为防止底层燃油冻结,在柴油发电机组停机的空隙期间需要开启舱内的电加热器辅以加热。在柴油发电机组启动过程中,舱内各组成部分热惯性大小差异明显,随着时间的推移,底层燃油与舱内空气之间的温差逐渐增大,因此需要采取相应的均温措施以提高底层燃油的温度水平。(3)改进了发电舱换热结构,并将控制理论运用到发电舱的温度动态控制上,建立了发电舱的热控制模型,对发电舱的温度控制及能量管理进行了研究。研究结果表明:在外界温度全年动态变化的干扰下,通过控制发电舱排风及底层燃油暖风,可将舱内空气温度稳定在10~40℃,将底层燃油温度稳定在-5~5℃,并可以减小发电舱上下部分的温差。在控制过程中,舱内空气温度受外界扰动的影响较为明显,为保证舱内空气温度稳定,排风机全年需频繁动作,而底层燃油具有较大的热惯性,油温控制风机全年变化幅度小。此外,综合考虑当控制器动作步长为30min时,温度控制稳定性及经济性综合效果最好。本文研究工作为掌握南极发电舱的热特性提供热工数据,将为发展中国南极天文台独立能源支撑控制系统提供重要的技术支撑。
【图文】：

地理位置,南极,天文科

图 1-1 DomeA 地区地理位置图omeA(东经 74°，南纬 71°，，海拔 4100m)位于南极高原贡献，并联合国际方面于第 24 次南极科考时在 Dom得了历史性突破[3-5]。为掌握南极天文科考的主动权，研发了中国第一代南极天文科考支撑平台，并随第

示意图,柴油机性能,测试系统,舱体

16图 2-1(a) 柴油机性能测试系统示意图支撑架；2.环境模拟舱体；3.阀门；4.涡街流量计；5.舱体进气管道；6机；9.换热盘管；10.浮子流量计；11.恒温水浴；12.真空泵；13.功率表；仪；16.舱体控制机柜
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P111

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