Диссертация (Исследование и оптимизация нестационарных процессов гелиевого ожижителя-рефрижератора средней мощности), страница 5

Ввиду низкой температуры(ниже 30 К) потоков газообразного гелия после сжатия в центробежныхкомпрессорах, необходима защита компрессоров и теплообменных аппаратовэкранно-вакуумной изоляцией. Для этого их располагают в отдельномвакуумно-изолированном блоке, либо совмещают с блоком гелиевого30а)б)Рисунок 1.8. Схемы исполнения криогенных систем с «теплыми»субатмосферными насосами без рекуперации (а) и с рекуперацией (б) холодаобратного потокарефрижератора.Совмещенные ожижители/рефрижераторы гелия для получения холодана температурном уровне 2 К не являются в настоящее время стандартнымикоммерчески доступными решениями, поэтому их применение ограниченосистемами высокой производительности со специфическими требованиямик архитектуре криогенных циклов [38]. Большинство криогенных систем,рассчитанных на температурный уровень 2 К, построены с применениемстандартных гелиевых ожижителей для получения жидкого гелия притемпературе 4 K и стандартных субатмосферных насосов для сжатияпаров гелия низкого давления.

Стандартные компоненты таких системпроектируются независимо друг от друга, поэтому оптимизация цепейуправления в таких системах производится, главным образом, во времяпусконаладочных испытаний, ограниченных во времени. В этих условияхинтеграция различных частей криогенных систем для обеспечения их31а)б)Рисунок 1.9. Схемы исполнения криогенных систем с «холодными»компрессорами для сжатия гелия (а) и гибридной системой субатмосферногосжатия (б)оптимальной работы возможна лишь в ограниченном объеме, в томчисле ввиду недостаточности сведений о работе криогенной системы внестационарном режиме.1.2.2. Стандартизация гелиевых криогенных системСогласностатистикеиспользованиягелиевыхожижителей/рефрижераторов «HELIAL» производства Air Liquide Advanced Technologiesв различных областях (Рисунок 1.10 а), режимы работы таких системтакже различны (Рисунок 1.10 б).

В зависимости от рабочего режима(рефрижераторный,ожижительный,смешанный),различныеэлементыгелиевых криогенных систем оказывают различное влияние на общуюэффективность.В рефрижераторном режиме мощность, переданная тормозным ступеням32Камеры имитациикосмосаИсточники холодныхнейтроновВТСПСинхротроныИнжекторынейтрального пучкаРефрижераторыОжижителиСМНЭОжижительныецентрыСмешанный режима)T > 10 Kб)T < 4,5K0% < Запас < 5%5% < Запас < 15%15% < Запас < 30%Запас > 30%T = 4,5Kв)г)Рисунок 1.10. Статистика использования гелиевых криогенных систем«HELIAL» Air Liquide Advanced Technologies по области применения (а),режимам работы (б), температурному уровню тепловой нагрузки (в) и запасухолодопроизводительности (г) [39]в турбодетандерах, расходуется на компенсацию теплопритоков в систему,производства энтропии в результате необратимости процессов и тепловойнагрузки нижнего температурного уровня, более важную роль при этомиграет эффективность теплообменных аппаратов нижних ступеней дляэффективной рекуперации холода обратного потока.

В ожижительном режименагрузка на турбодетандеры выше ввиду необходимости предварительногоохлаждения продукционного потока гелия. Ввиду различных требованийк турбодетандерным агрегатам и теплообменным аппаратам криогенныхсистем, работающих на различных режимах, необходимо конфигурирование33как элементов системы, так и стратегий их управления в зависимостиоттекущегорежимаработы.Общеенаправлениенаунификациюгелиевых криогенных систем снижает их эффективность при работена нерасчетных режимах, требуя перенастройки системы управлениядля получения максимальной производительности в зависимости отконфигурации криогенной системы и текущего режима работы.Статистика по нижнему температурному уровню гелиевых криогенныхсистем (Рисунок 1.10 в) показывает растущую потребность в холоде натемпературном уровне выше 10 К благодаря развитию отраслей, связанныхс использованием высокотемпературных сверхпроводников. Стандартныегелиевые рефрижераторы не адаптированы к работе на температурномуровнетепловойнагрузкивыше10К,чтозначительноснижаетэффективность стандартных ожижителей/рефрижераторов, работающих наданном температурном уровне.С точки зрения систем-потребителей холода на температурном уровнежидкого гелия, стандартизация гелиевых ожижителей/рефрижераторов,ограничивающая выбор холодопроизводительности набором стандартныхожижителей/рефрижераторов,производительностивызываетстандартныхсистем.увеличениеБолее25запаса%погелиевыхожижителей/рефрижераторов «HELIAL» имеют запас по производительностиболее 30 % (Рисунок 1.10 г).

Кроме того, высокие значения коэффициентовзапаса по производительности также обуславливаются нестационарнымхарактером тепловых нагрузок объекта криостатирования.1.3. Нестационарные процессы криогенных системСовременныекрупныекриогенныесистемыхарактеризуютсявысокой долей нестационарных процессов в процессе эксплуатации.Ряд современных систем криостатирования сверхпроводящих установок34проектируется с учетом широкого диапазона тепловых нагрузок [29].Системы криостатирования термоядерных систем имеют пульсирующийхарактер тепловой нагрузки, то есть работают на нестационарном режимев течение всего периода эксплуатации [40]. Крупные криогенные системытакже характеризуются высокой тепловой инертностью протекающихпроцессов. Длительность захолаживания одного из восьми криогенныхсекторов ускорительного кольца Большого Адронного Коллайдера в 2007 годупревысила календарный месяц [41].

Режимы работы подобных системдолжны быть адаптированы к изменяющимся во времени эксплуатационнымпараметрам, что значительно затрудняет процессы проектирования ипредъявляет специфические требования к системам автоматизации иуправления.1.3.1. Источники нестационарности рабочих процессов криогенныхсистемПричинывозникновениянестационарностирабочихпроцессовкриогенных систем, главным образом, связаны с особенностями объектакриостатирования.Поверхностноесопротивлениесверхпроводниковпеременному электрическому току находится в обратной зависимостиоттемпературыпоэтомусогласноэксплуатациятеорииБардина,СВЧ-резонаторовКупера,наШрифферарабочихрежимах[5],сразличной температурой криостатирования характеризуется различнымтепловыделением.

Приемочное тестирование сверхпроводящих ускоряющихэлементов ускорителей заряженных частиц, производимое при различныхтемпературах криостатирования (от 1,8 К до 2,1 К), сопровождаетсяизменением величины тепловой нагрузки от диссипации энергии вматериалеСВЧ-резонаторов.Эксплуатациякриогенныхстендовдляпроведения подобных приемочных испытаний характеризуется высокой35долей нестационарных рабочих процессов [29].Примером одного из наиболее длительных нестационарных рабочихпроцессовкрупныхгелиевыхкриогенныхсистемявляетсяпроцессохлаждения сверхпроводящих магнитов Большого Адронного Коллайдера(Рисунок 1.11). Длительность данного процесса обусловлена ограниченнойдоступной холодопроизводительностью и большой теплоемкой массойкриостатируемых объектов.

Для ограничения температурных напряженийв материале сверхпроводящих структур и других элементов конструкций,обусловленных тепловыми деформациями при их охлаждении до криогенныхтемператур, скорость процесса захолаживания также может быть понижена. Вслучае, если процесс захолаживания занимает существенную долю в общемвремени эксплуатации криогенной системы, работа криогенной системыдолжна быть оптимизирована с точки зрения энергопотребления в том числеи для режима захолаживания объекта криостатирования.300Температура криоагентаСред. температура магнитовСред.

температура сектораТемпература, К25020015010050004812162024Время, дн.2832364044Рисунок 1.11. Процесс охлаждения сверхпроводящих магнитов БольшогоАдронного Коллайдера [42]36Нестационарныймагнитоввозникаетхарактервотепловойвремясрыванагрузкисостояниясверхпроводящихсверхпроводимости(«квенча»), связанного с превышением тока в сверхпроводнике своегокритического значения. Резкое повышение тепловой нагрузки, обусловленноесрывом сверхпроводимости, приводит к выходу системы из стационарногосостояния и скачкообразному изменению температуры и давления в ваннекриостатирования с жидким гелием (Рисунок 1.12). Подобные переходныепроцессы характерны для сверхпроводящих магнитов постоянного тока приих «тренировке» с целью повышения рабочего тока [43].Температура, К / Давление, бар12ТемператураДавление1086420012345678910Время, сРисунок 1.12.

Процесс изменения параметров ванны криостатированиясверхпроводящих магнитов Большого Адронного Коллайдера после срывасостояния сверхпроводимости [44]Источником тепловой нагрузки для систем криостатирования токамаковявляется термоядерный реактор, работающий в пульсирующем режиме.Тепловая нагрузка на системы криостатирования токамаков также имеетпульсирующий характер в течение всего периода эксплуатации. Для37криогеннойсистемыпроектаМеждународногоЭкспериментальногоТермоядерного Реактора «ИТЭР» пиковое значение тепловой нагрузки вдва раза превышает минимальное значение, период колебания величинытепловой нагрузки составляет 0,5 ч (Рисунок 1.13).

Данные особенностирабочихрежимовтокамаковипрочихсверхпроводящихсистемспульсирующим характером тепловой нагрузки обуславливают требованияк системам криостатирования. Данные установки должны проектироватьсяс учетом особенностей работы на нестационарных режимах, при этомодним из основных требований, предъявляемых к системам управления,является экономичное регулирование холодопроизводительности криогеннойсистемы. Для криогенной системы «ИТЭР» показано, что включение однойдополнительной цепи управления в систему сжатия гелия позволяет снизитьпотребляемую электрическую мощность компрессорной станции с 6,5 МВтдо 6,0 МВт [45].60Тепловая нагрузка, кВт504030Катушки тороидального поляСборка катушек тороидального поляЦентральный соленоидКатушки полоидального поляи корректирующие катушкиОбщая тепловая нагрузка2010000,51,0Время, ч1,52,0Рисунок 1.13. Составляющие пульсирующей тепловой нагрузки криогеннойсистемы Международного Экспериментального Термоядерного Реактора«ИТЭР» [46]381.3.2.