Диссертация (Исследование и оптимизация нестационарных процессов гелиевого ожижителя-рефрижератора средней мощности), страница 8

Модифицировать существующую криогенную систему линейногоускорителя проекта ARIEL и оценить полученный полезный эффект.51ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ2.1. Состав криогенной системыВ рамках проводимого исследования была использована существующаякриогенная система проекта ARIEL в процессе ее приемочных ипусконаладочных испытаний. Криогенная система относится к классусубатмосферныхсистемстемпературойПринципиальнаяпневмо-гидравлическаякриостатированиясхемакриогенной2,0К.системыпредставлена на Рисунке 2.1.Основными элементами криогенной системы являются система сжатия,хранения и очистки гелия; гелиевый ожижитель/рефрижератор; системараспределения жидкого гелия; криогенные модули и система вакуумнойоткачки паров гелия.2.1.1.

Система сжатия, хранения и очистки гелияСистема сжатия гелия включает в себя два винтовых компрессорасреднегодавленияFSD571SFC»(Рисунокоснащен2.2).частотнымОсновнойкомпрессорпреобразователем,«KAESERпозволяющимрегулировать частоту вращения двигателя компрессора в диапазоне частотот 48 Гц до 60 Гц при номинальной частоте 60 Гц. Данный компрессориспользуетсясовместносгелиевыможижителем/рефрижератором.Вспомогательный компрессор «KAESER CSD85» (оснащен частотнымпреобразователем с диапазоном регулирования частот от 22 Гц до 65 Гц приноминальной частоте 65 Гц) используется с целью сбора паров гелия в случаеаварийной остановки основного компрессора, а также для сжатия гелия вовторичном изолированном контуре очистки гелия.

Подбор модели основногои вспомогательного компрессоров осуществлен изготовителем гелиевогоаРВ-5ЗВ-Р01РефрижераторЗВ-Р03гЗВ-К04РВ-К01(ОУ3)ОсновнойкомпрессорДД-К02(ОУ1)РВ-К03РВ-К02ДД-К01(ОУ2)ДД-К03гр. условие по давлению всасыванияДР-К01РВ-Н01Криомодуль №1(нагрузка)РВ-Н03РВ-Н04Емкость длячистого гелия(безпримесей)Емкость длязагрязненногогелия (спримесями)ЗВ-К08РВ-К07ЗВ-К06ЗВ-К05РВ-Н06ПВ-К09ДД-К14ДР-К11ЗВ-К10ДД-К13РВ-К15вДД-К12(ОУ4)РВ-К13РВ-К12ЗВ-К16ДД-К05ЗВ-К14РВ-К11(ОУ6)ВспомогательныйкомпрессорДД-К11(ОУ5)ВакуумныенасосыКриогенныйадсорберДT-Н01(ОУ12)гр. условие по давлениювсасывания вакуум-насосовКриомодуль №2(нагрузка)Граница математической моделигр.

условие по тепловой нагрузкеТепловаянагрузка накриомодулигр. условие по давлению нагнетанияДД-Р01ЗВ-Р02ДьюарРВ-4РВ-Н05РВ – регулирующий вентильЗВ – запорный вентильПВ – предохранительный вентильДД – датчик давленияДР – датчик расходаДТ – датчик температурыОУ – объект управленияДР-К12ЗВ-К18ЗВ-К17условия математической моделиРисунок 2.1. Принципиальная пневмо-гидравлическая схема криогенной системы проекта ARIEL и граничныеДД-К04ДР-К02бДД-Р02ДД-Р03РВ-Р04РВ-Н02РВ-Р055253рефрижератора согласно техническим требованиям к системе сжатия гелия(Таблица 3). Каждый компрессор оснащен системой маслоотделения.Рисунок 2.2. Внешний вид винтовых компрессоров криогенной системыпроекта ARIELДля хранения гелия используется емкость среднего давления объемом115 м3 . Максимально допустимое содержание примесей в основномконтуре криогенной системы, установленное изготовителем гелиевогоожижителя/рефрижератора, составляет 5 ppm (об.) по содержанию кислородаи азота и 3 ppm (об.) по содержанию воды.

Ввиду наличия в криогеннойсистеме субатмосферных трубопроводов, являющихся потенциальнымиисточниками примесей, необходимо постоянное поддержание требуемойчистоты гелия. Для этого гелий из субатмосферной части криогенной системыперед смешением с гелием основного контура сжимается во вспомогательномкомпрессоре и очищается от примесей в выделенном криогенном адсорбере.Система сжатия гелия оснащена приборами измерения давлениявсасывания, давления нагнетания и давления в емкости для хранения газа.Регулирующие вентили установлены в линии перепуска газа (РВ-К01 иРВ-К11), линии отвода газа со стороны нагнетания в емкость для хранения54Таблица 3.Технические параметры винтовых компрессоров в составе криогеннойсистемы проекта ARIELТехнический параметрОсновнойВспомогательныйкомпрессоркомпрессор1,051,051515112,414,730130037857номинальное давлениевсасывания, барноминальное давлениенагнетания, барноминальный расходгелия, г/сноминальная температуравсасывания, Кноминальная мощность, кВт(включая мощностьохлаждающего вентилятора)(РВ-К02 и РВ-К12) и линии подачи газа из емкости для хранения насторону всасывания (РВ-К03 и РВ-К13) для основного и вспомогательногокомпрессоров (Рисунок 2.1).

Цепи управления давлением всасыванияи давлением нагнетания компрессоров (Таблица 5), характерные длястандартных систем сжатия в составе гелиевых ожижителей/рефрижераторов,позволяют поддерживать постоянными давление всасывания и нагнетания,при этом система управления предусматривает изменения уставок данныхцепей управления оператором.Расход газа через систему сжатия определяется потребным расходомгелиевогоожижителя/рефрижератора.Винтовыекомпрессора,являясьмашинами объемного принципа действия, имеют расходную характеристику,зависящую только от частоты вращения вала компрессора при постоянных55значения давления всасывания, давления нагнетания, температуры всасыванияи рода газа.

При повышении или понижении потребного расхода газагелиевогоожижителя/рефрижераторасистемауправлениядавлениемвсасывания и нагнетания определяет положение регулирующих вентилей,соответствующее потребному расходу. Цепь управления величиной открытияперепускного клапана путем изменения частоты вращения электродвигателяподдерживает малое (от 10% до 20%) открытие перепускного вентилядля сокращения затрат электрической мощности на привод компрессоров(Таблица 5).2.1.2.

Гелиевый ожижитель/рефрижератор и система распределенияжидкого гелияОсновным элементом криогенной системы является стандартныйкоммерческийгелиевыйожижитель/рефрижератор«HELIALLL»производства «Air Liquide Advanced Technologies» (Рисунок 2.3). Гелиевыйожижитель/рефрижератор построен на базе модифицированного циклаКлода с параллельным включением двух турбодетандеров, последовательносоединенных друг с другом. Рабочие процессы ожижителя/рефрижератораавтоматизированы системой контроля на базе программируемых логическихконтроллеров. Интерфейс системы контроля представлен на Рисунке 2.4.Производительностьожижителя/рефрижератораподтвержденавходеприемочных испытаний (Таблица 4).Система распределения жидкого гелия оснащена экранно-вакуумнойкриогенной изоляцией с дополнительными экранами, охлаждаемыми жидкимазотом.

Распределение жидкого гелия по потребителям контролируетсякриогенными пропорциональными клапанами.56Рисунок 2.3. Внешний вид гелиевого ожижителя/рефрижератора«HELIAL LL» и дьюара для жидкого гелия2.1.3. Криогенные модули и система вакуумной откачки паров гелияКриогенные модули представляют собой аппараты для криостатированияСВЧ-резонаторов. Требуемая рабочая температура СВЧ-резонаторов (2,0 К)достигается за счет непрерывной откачки паров гелия над зеркаломжидкости. Подача гелия в буферную емкость криомодулей осуществляетсяиз дьюара при температуре 4,3 К и давлении 1,1 бар. Подача гелия врезервуар с СВЧ-резонаторами производится из буферной емкости черезгидравлическое сопротивление в виде криогенного пропорциональногоклапана.

Для рекуперации холода откачиваемых паров гелия низкого давленияиспользуется пластинчато-ребристый теплообменник, охлаждающий прямойпоток жидкого гелия перед дросселированием. Криомодули оснащеныэкранно-вакуумной изоляцией с дополнительным экраном, охлаждаемымжидким азотом. Принципиальная пневмо-гидравлическая схема криомодуляпредставлена на Рисунке 2.5.Система вакуумной откачки из резервуара с СВЧ-резонаторамиРисунок 2.4. Интерфейс системы контроля гелиевого ожижителя/рефрижератора «HELIAL LL»5758Таблица 4.Технические параметры гелиевого ожижителя/рефрижератора «HELIAL LL»в составе криогенной системы проекта ARIELТехнический параметрГарантированное Измеренноезначениезначение288 л/ч370 л/ч600 Вт835 Втпроизводительность в130 Вт,134 Вт,смешанном режиме242 л/ч363 л/чпроизводительность вожижительном режимепроизводительность врефрижераторном режимеРисунок 2.5.

Принципиальная пневмо-гидравлическая схема криомодуляпредставляет собой четыре параллельно включенных двухступенчатых насосамодели «Busch Combi DS3010-He». В первой ступени используется вакуумныйнасос Рутса «Busch Panda WZ2000», во второй — винтовой вакуумный насос59«Busch COBRA NS-0600 B». Вакуумные насосы выполнены в безмасляномисполнении, поэтому не требуют наличия отдельной системы маслоотделения.2.2. Система автоматизации и управленияСистема автоматизации и управления криогенной системой построенанамодульномпринципесиспользованиемразличногоаппаратногои программного обеспечения.