一种基于热负荷前馈和相态反馈的多孔金属蒸发器供液控制方法与流程

本发明涉及泵驱两相热控系统的供液控制领域，具体涉及一种针对具有独立进液口、余液出口和蒸气出口的多孔金属蒸发器，采用热负荷前馈与绝对压力修正相态反馈相结合的供液控制方法及控制系统。

背景技术：

1、多孔金属蒸发器通过多孔毛细结构向蒸发界面供液，液态工质吸收热量后相变为蒸气。机械泵提供回路主驱动力，供液流量既要覆盖理论蒸发消耗，也要保留用于维持液体连续性和排出余液的裕量。供液不足可能导致局部蒸发界面退缩、安装面温度上升或蒸气过热；供液过量则会增加泵功和回流量，并可能占用气相排出空间。

2、仅以安装面温度为被控量的反馈控制存在至少三类限制。第一，发热单元、安装界面和蒸发器基座具有热惯性，温度变化通常晚于热负荷变化；第二，工作流体饱和温度随回路绝对压力变化，在不同压力下使用同一绝对温度阈值会混淆正常压力漂移与换热恶化；第三，单个温度信号异常、局部接触热阻变化或传感器脱落也可能表现为温升，单一阈值不能可靠区分干涸风险与传感器故障。

3、普通流量定值控制能够维持泵出口流量，但不能随热负荷和汽化潜热变化自动调整理论蒸发消耗。普通温度比例—积分—微分控制主要依赖反馈误差，也未必利用独立余液出口提供的余液连续性信息。因此，需要一种以热负荷预测蒸发需求、以绝对压力修正温度基准，并结合实际流量、余液状态和蒸气状态识别运行状态的控制方法。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：如何在热负荷变化时先根据能量守恒给出供液前馈量，并在回路压力变化、余液波动和传感器异常条件下利用多参数相态信息对前馈量进行有限幅修正，从而使供液控制不依赖单一固定温度阈值。

2、对于第i个多孔金属蒸发器，理论蒸发质量流量为：，qi为输入第i个蒸发器的有效热负荷，h汽化,i为工作流体在相应压力和状态下的汽化潜热。对于n个蒸发器，目标总供液质量流量可表示为：，α目标为目标供液比。对于采用液路串联的多级系统，目标流量还可根据末级最低供液比和各上游级蒸发消耗逐级反算；对于全并联系统，则可按照各支路理论蒸发量、目标供液比和支路优先级分配。

3、实际供液比可表示为：，当仅控制一个蒸发器时，求和项退化为该蒸发器的理论蒸发质量流量。启动、升载、正常、降载和停机阶段可以采用不同的目标供液比。为减少指令突变，对α目标和m目标设置上下限、斜率限制或一阶滤波。

4、供液控制器380取得蒸气绝对压力输入383，并按照所选工作流体的压力—饱和温度关系得到：，安装面的压力修正温差为：，蒸气过热度为：，使用绝对压力能够把回路压力变化引起的饱和温度移动与安装面相对于饱和状态的温升区分开。物性关系可以存储为查表数据、分段多项式或物性程序接口。正式实施时应统一压力单位和温标，并在超出物性数据范围时禁止外推或进入保守模式。

5、不凝气体可能使局部测得总压力不再等于工作流体分压力。因此，控制器可比较蒸气温度与压力对应饱和温度、不同位置压力、压力变化率以及抽真空或排气状态。当这些信号不一致时，压力修正量被标记为低可信度，不单独用于减小供液。

6、如图2至图4所示，热负荷输入381首先进入蒸发量计算模块。计算得到的目标流量通过泵标定关系转换为泵转速、驱动电压、电流或频率，形成前馈驱动量。泵标定关系可以在不同入口压力、温度或工质黏度区间分别建立。

7、质量流量输入382构成实际流量内环。内环只补偿泵标定偏差和回路阻力变化，其输出受机械泵允许驱动范围和变化率限制。相态反馈位于外层，根据压力修正温差、蒸气过热度、余液状态和温升速率缓慢或分级修正目标供液比。由此避免外层温度噪声直接引起泵高频动作。

8、控制器至少识别以下五类状态：1）正常状态：实际供液流量在目标范围内，余液连续或符合设定状态，压力修正温差及蒸气过热度处于对应热负荷的允许区间。2）过量供液状态：余液流量或液位持续高于上限，且压力修正温差和蒸气过热度未显示供液不足。3）局部干涸风险状态：压力修正温差、蒸气过热度或安装面局部温度离散度增加，同时余液减小、实际供液比偏低或蒸气压力波动中的至少一部分共同满足条件。4）传感器异常状态：信号超量程、变化率不合理、冗余传感器不一致或与能量守恒关系明显矛盾。5）支路异常状态：多个蒸发器中的一个支路在相同控制指令下表现出持续的流量、压力、温度或余液偏差。

9、状态判定采用持续性条件、滞回和风险等级，避免信号瞬时越限导致频繁切换。阈值可按工质、蒸发器结构、热负荷区间和传感器不确定度设置；本发明不要求采用固定的响应时间。

10、局部干涸风险较低时，可小幅提高目标供液比；风险继续增加时，提高泵驱动上限内的供液并降低对应热源负荷；风险达到隔离等级或支路压降异常时，隔离异常支路并对系统进行降额。

11、过量供液状态下，以受限速率降低目标供液比。若压力信号无效而余液信号仍有效，可以保持偏保守的供液。若流量传感器无效，可暂时根据泵标定值和余液状态运行；若温度或压力传感器无替代信号，则禁止向减少供液方向快速动作，并可降低热负荷。

12、有益效果

13、热负荷前馈在发热单元功率变化时直接改变理论蒸发需求，减少等待安装面温度产生明显偏差后再调节供液的依赖。

14、绝对压力对应的饱和温度作为动态基准，使同一相态风险量能够适应回路压力变化，降低固定温度阈值把压力漂移误认为换热状态变化的可能性。

15、余液状态提供蒸发消耗之外的供液裕量信息，与压力修正温差、蒸气过热度和实际供液比组合后，能够区分过量供液、供液不足和部分传感器异常。

16、传感器有效性检查、保守模式、热源卸载和支路隔离构成分层处置路径，使控制系统不把提高泵流量作为所有异常的唯一动作。

1.一种基于热负荷前馈和相态反馈的多孔金属蒸发器供液控制方法，应用于包括机械泵和至少一个多孔金属蒸发器的泵驱两相流体回路，所述多孔金属蒸发器具有进液口、余液出口和蒸气出口，其特征在于，包括：获取第i个多孔金属蒸发器的热负荷qi，并确定工作流体在第i个多孔金属蒸发器运行状态下的汽化潜热h汽化,i；按照m汽,i＝qi／h汽化,i计算第i个多孔金属蒸发器的理论蒸发质量流量m汽,i；根据一个或多个多孔金属蒸发器的理论蒸发质量流量以及目标供液比α目标确定目标供液质量流量m目标；根据所述机械泵的驱动量与供液质量流量之间的标定关系，确定对应于所述目标供液质量流量的前馈驱动量；采集实际供液质量流量、蒸气绝对压力、蒸气温度或安装面温度以及余液流量或余液液位状态；根据所述蒸气绝对压力和工作流体的饱和物性关系确定饱和温度，并根据所述饱和温度与所述安装面温度形成压力修正温差，或者根据所述饱和温度与所述蒸气温度形成蒸气过热度；根据所述实际供液质量流量、所述压力修正温差或所述蒸气过热度以及所述余液流量或余液液位状态，识别正常状态、过量供液状态、局部干涸风险状态、传感器异常状态或支路异常状态；以及根据识别的状态对所述前馈驱动量进行有限幅反馈修正，并在局部干涸风险状态或支路异常状态下执行增大供液质量流量、降低对应热负荷和隔离异常支路中的至少一种动作。

2.根据权利要求1所述的供液控制方法，其特征在于，所述热负荷qi由加热器电功率、发热单元运行功率、热流传感器测量值、上位机任务指令或基于发热单元工作状态的热负荷模型中的至少一种获得；所述汽化潜热h汽化,i根据工作流体种类、蒸气绝对压力以及物性数据库、物性关联式或查表数据中的至少一种确定。

3.根据权利要求1所述的供液控制方法，其特征在于，所述目标供液比α目标按照启动阶段、正常阶段、热负荷上升阶段、热负荷下降阶段和停机排液阶段中的至少两个阶段设置不同取值；对所述目标供液比α目标或所述目标供液质量流量m目标施加上限、下限以及单位时间变化量限制，并使所述下限不小于保持预设余液连续性的设计供液比。

4.根据权利要求1所述的供液控制方法，其特征在于，所述标定关系包括泵转速、泵驱动电压、泵驱动电流或泵行程频率与供液质量流量之间的至少一种对应关系；将根据所述标定关系得到的前馈驱动量输入机械泵，并根据实际供液质量流量与目标供液质量流量之间的偏差形成流量内环修正量，所述流量内环修正量受所述机械泵的驱动上下限和变化速率限制。

5.根据权利要求1所述的供液控制方法，其特征在于，在根据蒸气绝对压力确定饱和温度之前，比较蒸气绝对压力测量值与回路其他压力测量值、压力变化率或蒸气温度中的至少一种；当所述比较结果不满足预设一致性条件时，将对应压力信号标记为无效或者识别为不凝气体积聚风险，并禁止仅依据该压力信号降低供液质量流量。

6.根据权利要求1所述的供液控制方法，其特征在于，当余液流量或余液液位持续高于对应于目标供液比的上限，并且压力修正温差和蒸气过热度均未指示局部干涸风险时，识别为过量供液状态；在所述过量供液状态下，以受限变化速率降低目标供液比或前馈驱动量，直至余液状态返回预设区间。

7.根据权利要求1所述的供液控制方法，其特征在于，所述局部干涸风险状态由以下参数中的至少三个共同确定：压力修正温差、压力修正温差的变化率、蒸气过热度、安装面多点温度的离散程度、余液流量或余液液位、实际供液比以及蒸气压力波动；仅在满足信号有效性条件和持续性条件时提高干涸风险等级。

8.根据权利要求1所述的供液控制方法，其特征在于，当实际供液质量流量、蒸气绝对压力、蒸气温度、安装面温度或余液状态中的任一传感器信号被识别为异常时，采用冗余传感器、相邻蒸发器信号或由其他有效信号计算的替代值中的至少一种；在不存在可用替代值时，保持上一次有效控制量、将目标供液比调整至保守值或者降低对应热负荷，并限制机械泵驱动量向减小供液的方向变化。

9.根据权利要求1所述的供液控制方法，其特征在于，当泵驱两相流体回路包括多个多孔金属蒸发器时，分别计算各多孔金属蒸发器的理论蒸发质量流量和相态风险量，根据各多孔金属蒸发器的热负荷、优先级和风险等级分配总供液流量；在一个蒸发器支路异常时隔离该支路并将可用供液能力或可用热负荷额度重新分配给其余蒸发器支路。

10.一种多孔金属蒸发器供液控制系统，其特征在于，包括：热负荷输入接口；质量流量传感器、蒸气绝对压力传感器、蒸气温度传感器或安装面温度传感器以及余液流量传感器或余液液位传感器；与机械泵连接的泵驱动接口；与发热单元连接的热源卸载接口和与蒸发器支路隔离件连接的支路隔离接口中的至少一种；以及供液控制器，所述供液控制器包括处理器和存储器，所述存储器中存储有泵驱动量与供液质量流量的标定关系以及工作流体的压力—饱和温度关系，所述处理器被配置为：根据热负荷和汽化潜热计算理论蒸发质量流量，根据目标供液比生成目标供液质量流量和前馈驱动量，根据蒸气绝对压力形成压力修正温差或蒸气过热度，结合实际供液质量流量和余液状态识别运行状态，并输出受限的泵驱动信号、热源卸载信号或支路隔离信号。