李彬彬，徐紀(jì)偉，謝仁和，馬金保，孔 昕

燃料電池動(dòng)力供氧系統(tǒng)仿真操控軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李彬彬1，徐紀(jì)偉1，謝仁和1，馬金保2，孔 昕1

（1. 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇無(wú)錫 214082；2. 寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏銀川 750021）

以燃料電池為動(dòng)力的水下作業(yè)平臺(tái)供氧系統(tǒng)的實(shí)際訓(xùn)練存在一定的局限性和危險(xiǎn)性，并且培訓(xùn)難度大，訓(xùn)練成本高。本文以某型使用燃料電池為動(dòng)力的水下作業(yè)平臺(tái)為對(duì)象，結(jié)合供氧系統(tǒng)的模擬訓(xùn)練需求，以Visual Studio 2015軟件作為集成開(kāi)發(fā)工具，采用C#語(yǔ)言，以GDI+為輔助工具編寫(xiě)仿真儀表和閥件，實(shí)現(xiàn)了水下作業(yè)平臺(tái)燃料電池動(dòng)力供氧系統(tǒng)的軟件操作界面設(shè)計(jì)和功能仿真，并對(duì)設(shè)計(jì)的仿真系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)操作和功能測(cè)試，結(jié)果表明，該仿真操控軟件能基本實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作功能，反應(yīng)供氧系統(tǒng)的工作情況和實(shí)際動(dòng)態(tài)過(guò)程，具有良好的人機(jī)交互界面和實(shí)用性，此外，其對(duì)提高操作人員水下作業(yè)平臺(tái)燃料電池動(dòng)力供氧系統(tǒng)的操作水平有一定的積極作用。

水下作業(yè)平臺(tái) 供氧系統(tǒng) 仿真 操控軟件

0 引言

近年來(lái)，水下作業(yè)裝備得到快速發(fā)展，而燃料電池技術(shù)得益于其能量密度高、接近零排放的良好性能，使之在水下裝備動(dòng)力系統(tǒng)方面成為研究熱點(diǎn)。

燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)供氧分系統(tǒng)，是水下作業(yè)平臺(tái)的重要組成部分。該系統(tǒng)的操作失誤，輕者會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力系統(tǒng)失效，更為嚴(yán)重的會(huì)直接危及水下作業(yè)平臺(tái)和人員安全。因此，對(duì)該系統(tǒng)的操作熟練程度不僅是動(dòng)力系統(tǒng)可靠運(yùn)行的保證，更是有效提高水下作業(yè)平臺(tái)的安全性的重要保障，此外，由于液氧本身具有一定的危險(xiǎn)性，因此，若對(duì)水下燃料電池供氧系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際訓(xùn)練，存在很大的局限性和危險(xiǎn)性，并且培訓(xùn)難度大，訓(xùn)練及維護(hù)成本高。

本文以某型使用燃料電池為動(dòng)力的水下作業(yè)平臺(tái)為對(duì)象，建立供氧系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[1,2]，以Visual Studio 2015軟件作為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，運(yùn)用C#編程語(yǔ)言，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定界面、供氧系統(tǒng)軟件操控界面等，并對(duì)開(kāi)發(fā)的仿真操控軟件進(jìn)行操作及功能測(cè)試。

1 系統(tǒng)組成

以燃料電池為動(dòng)力的水下作業(yè)平臺(tái)供氧系統(tǒng)的主要功能是為燃料電池電堆工作提供其所需的氧氣，供氧系統(tǒng)流程圖如下圖1所示，其主要由液氧罐、液氧汽化器、管路及其它閥件組成[3]。供氧系統(tǒng)工作時(shí)，通過(guò)自增壓的方式對(duì)液氧罐內(nèi)的氧氣壓力進(jìn)行增壓，罐內(nèi)增壓后的氣氧將液氧壓至液氧汽化器之后，通過(guò)液氧汽化器汽化后供燃料電池使用。此外，為了保證整個(gè)系統(tǒng)的用氧安全，供氧系統(tǒng)中還設(shè)置了溢流及超壓排放功能。

圖1 深海作業(yè)平臺(tái)供氧系統(tǒng)原理圖

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 液氧罐模型

水下作業(yè)平臺(tái)采用高真空多層絕熱液氧儲(chǔ)罐，在工作時(shí)，通過(guò)引出少量的液氧進(jìn)行汽化增壓，汽化增壓后的氣氧進(jìn)入液氧罐的氣相空間，在壓差的作用下，為燃料電池提供其所需的氧氣。為了盡可能地降低儲(chǔ)罐中的液氧和氣氧相互影響，對(duì)液氧罐中的液氧和氣氧分別建模。根據(jù)氣氧質(zhì)量守恒方程[4]可得：

液氧質(zhì)量變化方程為：

根據(jù)氣體狀態(tài)方程，液氧儲(chǔ)罐氣相空間的狀態(tài)方程可以表示為[5]：

式中，P、mV、分別為液氧儲(chǔ)罐氣相空間氣氧的壓力、質(zhì)量、體積和溫度；為氧氣的氣體常數(shù)。

2.2 液氧汽化器模型

液氧汽化器本質(zhì)上可以看做一個(gè)換熱器，其主要作用是通過(guò)進(jìn)入液氧汽化器中的循環(huán)水對(duì)進(jìn)入液氧汽化器中的低溫液氧進(jìn)行加熱，使低溫液氧汽化變?yōu)闅鈶B(tài)氧。在本系統(tǒng)中，液氧汽化器主要有增壓作用和動(dòng)力供液汽化作用，雖然用途不同，但其本質(zhì)都是通過(guò)用循環(huán)水對(duì)液氧加熱汽化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，可以通過(guò)液氧汽化器的熱平衡方程，建立其數(shù)學(xué)模型。

在循環(huán)水側(cè)單位時(shí)間內(nèi)蓄熱量的變化=單位時(shí)間內(nèi)循環(huán)水帶來(lái)的熱量-單位時(shí)間內(nèi)循環(huán)水傳給液氧的熱量，其循環(huán)水側(cè)的熱平衡方程[6]如下：

氧側(cè)單位時(shí)間內(nèi)側(cè)蓄熱量的變化=單位時(shí)間內(nèi)循環(huán)水傳給液氧的熱量-單位時(shí)間內(nèi)液氧汽化帶走的熱量，其氧側(cè)的熱平衡方程如下：

式中，T為循環(huán)水出汽化器的溫度；W為循環(huán)水側(cè)的熱容量；m為汽化器中循環(huán)水的質(zhì)量流量；C為循環(huán)水的比熱；T為循環(huán)水進(jìn)汽化器的溫度；T為對(duì)數(shù)平均溫差；為熱阻；T為氣態(tài)氧出汽化器的溫度；W為汽化器氧側(cè)總的熱容量；m為氣態(tài)氧流出汽化器的質(zhì)量流量；為氣態(tài)氧的比熱；T為液氧進(jìn)入汽化器的溫度；m為液氧流入汽化器的質(zhì)量流量；為液氧的比熱。

2.3 管路模型

1)串聯(lián)管路

在液氧系統(tǒng)中有段串聯(lián)管路，其阻力系數(shù)分別為1，2，…n，其壓力損失分別為，，…，總的壓力損失為，則串聯(lián)管路總的壓力損失可由如下方程表示[7]

2)并聯(lián)管路

在液氧系統(tǒng)中有段串聯(lián)管路，其阻力系數(shù)分別為1，2，…m，其壓力損失分別為1，Δ2，…Δ，總的壓力損失為Δ，則并聯(lián)管路總的壓力損失可由如下方程表示

2.4 氣動(dòng)閥模型

在流體管道中，氣動(dòng)閥可以看做一個(gè)節(jié)流元件，根據(jù)流體的連續(xù)性定律可知，氣動(dòng)閥的的流量方程可表示為[8]：

式中：為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體流量；為額定流量系數(shù)；1為閥前絕對(duì)壓力；2為閥后絕對(duì)壓力；氣體平均壓力；為氣體比重，空氣=1。

3 仿真操控軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 操控軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)在整個(gè)軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中不可或缺的一部分。在水下作業(yè)平臺(tái)燃料電池動(dòng)力供氧系統(tǒng)中，由于存在的模型較多，需要操作和顯示的變量較多，因此，為充分降低數(shù)據(jù)存取顯示與數(shù)據(jù)處理、邏輯模型計(jì)算的耦合度，保證開(kāi)發(fā)軟件的可擴(kuò)展性強(qiáng)，本文采用三層架構(gòu)軟件設(shè)計(jì)思想[9]，三層的組成與相互關(guān)系如下圖所示。

圖2 三層架構(gòu)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

供氧系統(tǒng)三層架構(gòu)各層的職責(zé)分配如下：

人機(jī)界面層：用于接受用戶輸入的數(shù)據(jù)（如閥的操作、參數(shù)設(shè)置等），并將邏輯模型層處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果通過(guò)界面顯示給用戶。

邏輯模型層：根據(jù)相應(yīng)的規(guī)則負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，本系統(tǒng)中的規(guī)則主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，第一方面是系統(tǒng)中各個(gè)主要設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)調(diào)用各個(gè)設(shè)備的數(shù)學(xué)模型庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，另一方面是根據(jù)系統(tǒng)的工作原理形成的動(dòng)作邏輯，來(lái)滿足對(duì)系統(tǒng)工作原理要求和功能要求。

數(shù)據(jù)層：用于實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)保存和讀取操作。在該軟件中定義了一個(gè)DataCenter的數(shù)據(jù)類(lèi)，通過(guò)實(shí)時(shí)刷新模型及邏輯處理后的數(shù)據(jù)，來(lái)更新每個(gè)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)變量。

水下作業(yè)平臺(tái)燃料電池動(dòng)力供氧系統(tǒng)操控軟件的具體架構(gòu)如下圖所示。

圖3 供氧系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3.2 仿真操控軟件設(shè)計(jì)

供氧系統(tǒng)操控軟件一共有3個(gè)界面：分別是系統(tǒng)切換界面、參數(shù)設(shè)置界面以及系統(tǒng)仿真操控界面。本仿真軟件的開(kāi)發(fā)基于Windows環(huán)境下的Visual Studio 2015軟件作為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，以C#為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，從而實(shí)現(xiàn)供氧系統(tǒng)的整個(gè)仿真過(guò)程，其主要設(shè)計(jì)步驟有：基于GDI+專(zhuān)業(yè)控件的開(kāi)發(fā)，設(shè)備數(shù)學(xué)模型的建立和程序化，軟件操控界面設(shè)計(jì)，系統(tǒng)邏輯模型設(shè)計(jì)，編寫(xiě)各個(gè)類(lèi)的屬性、方法以及事件處理程序等[10,11]。

1)系統(tǒng)切換界面

圖1為供氧系統(tǒng)切換界面，在該界面上不僅可以對(duì)參數(shù)設(shè)置界面和系統(tǒng)仿真操控界面進(jìn)行切換，還可以啟動(dòng)、暫停仿真軟件，并對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示，當(dāng)點(diǎn)擊參數(shù)設(shè)置界面按鈕時(shí)，進(jìn)入該界面，點(diǎn)擊Back按鈕，返回至切換界面。

圖4 供氧系統(tǒng)切換界面

2)參數(shù)設(shè)置界面

參數(shù)設(shè)置界面如下圖所示，在本界面可以設(shè)置艙內(nèi)的一些環(huán)境參數(shù)，如艙室溫度、艙室壓力、氧氣濃度等，還可設(shè)置海水深度和海水溫度。

圖5 參數(shù)設(shè)置界面

3)系統(tǒng)仿真操控界面

系統(tǒng)仿真操控界面如下圖所示，本界面為供氧系統(tǒng)仿真操控軟件的核心界面，在本界面上包括了兩個(gè)液氧罐，四個(gè)液氧汽化器，八個(gè)氣動(dòng)閥，八個(gè)氣動(dòng)閥運(yùn)行指示燈，以及系統(tǒng)其它閥件和旋鈕等。在本界面中，實(shí)現(xiàn)了液氧罐的增壓功能、加注功能、供氧功能以及超壓排放功能等，此外，根據(jù)不同的操作位置，分別設(shè)置了手動(dòng)操作模式和自動(dòng)操作模式，并對(duì)系統(tǒng)中的相關(guān)壓力、流量參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

4 仿真操控軟件的操作與測(cè)試

水下作業(yè)平臺(tái)燃料電池動(dòng)力供氧系統(tǒng)操控軟件需要實(shí)現(xiàn)的操控功能有：液氧加注功能、液氧罐自增壓功能，超壓排放功能以及穩(wěn)定供氧功能，其中穩(wěn)定供氧功能有兩種控制模式：分別是手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。由于在穩(wěn)定供氧過(guò)程中涉及了液氧罐自增壓功能以及超壓排放等功能，此外，在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中自動(dòng)供氧模式是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因此，下面主要對(duì)仿真軟件的基于自動(dòng)模式下的穩(wěn)定供氧功能進(jìn)行功能測(cè)試，系統(tǒng)的主要設(shè)置參數(shù)具體如下表1：

表1 系統(tǒng)設(shè)置相關(guān)參數(shù)

供氧系統(tǒng)要保證穩(wěn)定供氧，液氧罐的壓力控制策略就顯得尤其重要，整個(gè)液氧罐的壓力控制流程如下圖所示，當(dāng)罐內(nèi)氣氧壓力低于正常工作壓力范圍，增壓氣動(dòng)閥VG2自動(dòng)開(kāi)啟，當(dāng)罐內(nèi)氣氧壓力在正常工作范圍內(nèi)時(shí)，增壓氣動(dòng)閥VG2關(guān)閉，供液氣動(dòng)閥VG4開(kāi)啟，當(dāng)罐內(nèi)氣氧壓力高于正常工作壓力范圍內(nèi)時(shí)，增壓氣動(dòng)閥VG2保持關(guān)閉，供液氣動(dòng)閥VG4保持開(kāi)啟，當(dāng)罐內(nèi)氣氧壓力超過(guò)高壓報(bào)警值時(shí)，超壓排放單向閥自動(dòng)打開(kāi)。

下面對(duì)系統(tǒng)具體的仿真操控測(cè)試進(jìn)行說(shuō)明，首先進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面，對(duì)左右艙的相關(guān)環(huán)境參數(shù)和海水深度、溫度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，然后，進(jìn)入系統(tǒng)仿真操控界面，點(diǎn)擊界面右上角的啟動(dòng)按鈕，將面板上的“手動(dòng)/自動(dòng)旋鈕”旋至自動(dòng)模式，“自動(dòng)運(yùn)行”指示燈亮，并且面板上有VG1至VG8氣動(dòng)閥的運(yùn)行指示燈，當(dāng)某一個(gè)或某幾個(gè)氣動(dòng)閥運(yùn)行時(shí)，其相應(yīng)的運(yùn)行指示燈變亮。此時(shí)，表示供氧系統(tǒng)不能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的手動(dòng)閥進(jìn)行操作，只能根據(jù)系統(tǒng)中設(shè)定的壓力控制策略對(duì)VG1至VG8進(jìn)行自動(dòng)控制，因此，此時(shí)V1至V10這些手動(dòng)閥處于打開(kāi)的狀態(tài)，水浴汽化器的循環(huán)水進(jìn)出口閥也處于開(kāi)啟狀態(tài)，系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)液氧罐氣相空間的氣氧壓力狀態(tài)，并結(jié)合液氧罐的壓力控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的自動(dòng)模式下的穩(wěn)定供氧功能，并且通過(guò)不同的操作，對(duì)供氧系統(tǒng)中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，系統(tǒng)運(yùn)行后的仿真操控界面如下圖所示。

圖7 液氧罐的壓力控制流程

圖8 運(yùn)行后系統(tǒng)仿真操控界面

5 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)某型使用燃料電池為動(dòng)力的水下作業(yè)平臺(tái)的供氧系統(tǒng)仿真操控軟件的設(shè)計(jì)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)相關(guān)操作人員的操控培訓(xùn)訓(xùn)練，還有效避免了氧系統(tǒng)培訓(xùn)中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2）本仿真操控軟件不僅實(shí)現(xiàn)了整個(gè)供氧系統(tǒng)的相關(guān)功能，還通過(guò)GDI為輔助工具編寫(xiě)了系統(tǒng)中所需的專(zhuān)業(yè)仿真儀表和閥件，使得該軟件能夠較好的反應(yīng)供氧系統(tǒng)的工作情況和實(shí)際動(dòng)態(tài)過(guò)程。

3）本文為液氧與燃料電池在深海的匹配應(yīng)用及以燃料電池AIP為動(dòng)力系統(tǒng)的深海裝備相關(guān)的供氧系統(tǒng)可視化監(jiān)控、壓力控制策略具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

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Design and Implementation of Simulation Control of Fuel Cell Oxygen Subsystem

Li Binbin1, Xu Jiwei1, Xie Renhe1, Ma Jinbao2, Kong Xin1

(1. China Ship Scientific Research Center, Wuxi 21408, Jiangsu, China；2. Ningxia Vocational Technical College of Industry And Commerce, Yinchuan 750021, Ningxia, China）

TM911.3

A

1003-4862（2021）08-0025-05

2021-03-03

李彬彬（1989-），男，工程師。研究方向：載人潛器動(dòng)力及電力系統(tǒng)。E-mail: 18261550010@163.com