Диссертация (1025160), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Автоматизация криогенных гелиевых системСовременныесистемыкриогенногообеспеченияускорителейзаряженных частиц и других экспериментальных установок состоят изсистемхолода.гелиевыхожижителей/рефрижераторовСпециализацияэкспериментальныхисистем-потребителейустановок,являющихсяпотребителями холода на температурном уровне жидкого гелия, непозволяет стандартизовать системы их управления и требует созданияуникальных средств автоматизации [8].
Криогенные гелиевые системыпри этом основываются на ограниченном наборе криогенных циклов,истандартизуютсяпроизводителямиврядыустановокразличнойпроизводительности.Современныекоммерческидоступныегелиевыекриогенныесистемы, представленные такими производителями, как «Air Liquide»и«LindeKryotechnikпрограммируемымиAG»,логическимиуправляютсямногофункциональнымиконтроллерами[47–51].Широкаяраспространенность, надежность и простота программирования таких системвызывает постепенное замещение устаревших систем контроля криогенныхсистем современными системами, основанными на программируемыхлогическихконтроллерах[52].Стандартизациясистемуправлениядостигается за счет применения модульного принципа построения сприменением стандартных модулей расширения для обработки данныхс различных контрольно-измерительных приборов криогенных систем(Рисунок 1.14).Данные системы управления включают в себя следующий стандартныйнабор функций:∙ модульная конструкция, расширяемость за счет стандартных модулейразличного функционального назначения;∙ расширяемостьколичествадискретныхианалоговыхсигналов39входа/выхода до нескольких тысяч;∙ возможность перевода части выходных дискретных сигналов вимпульсный режим;∙ возможность передачи данных между различными устройствами полокальной сети;∙ возможность измерения специализированных сигналов: скоростногосчета, измерения частоты или длительности периода, и др.;∙ возможностьПИД-регулированияипозиционированияпропорциональных клапанов.Данныйпозволяетфункционализменятьпрограммируемыхлогикупроцессовлогическихуправленияконтроллеровсуществующихкриогенных систем с использованием интегрированных сред разработкипрограммногообеспечениябезизмененияфизическойконфигурациисистемы.
Существующие решения по автоматизации криогенных системпредоставляют централизованный доступ к логике процессов автоматизации,настройкам цепей управления и архивным данным о работе криогеннойсистеме,автоматизированнособираемыхсконтрольно-измерительныхприборов.1.4. Моделирование криогенных систем с учетом нестационарностирабочих процессовСовременные крупные криогенные системы представляют собойпромышленные объекты, сходные по составу с объектами нефтяной ихимической промышленности. Данные системы имеют в своем составесходные компоненты (теплообменные аппараты, вентили, компрессорныеи расширительные агрегаты, и др.) [53], однако криогенные системыобладают рядом специфических особенностей.
Теплофизические свойстварабочих веществ находятся в сильной зависимости от температуры, поэтому40а)б)Рисунок 1.14. Щит управления системой сжатия и хранения гелиякриогенной системы проекта ARIEL (а), щит управления гелиевыможижителем/рефрижератором криогенной системы проекта ARIEL (б)свойства криоагентов в составе криогенных систем изменяются в широкихдиапазонах. При низких температурах теплофизические параметры какрабочих веществ, так и материалов теплообменных аппаратов описываютсянелинейными зависимостями, поэтому изменение рабочих параметровкриогенных систем во времени не поддается простому аналитическомуописанию [54]. Сложность аналитического описания криогенных системзначительно затрудняет изучение нестационарных процессов.Для решения этих задач необходимо развитие методов проектирования41криогенныхсистемнестационарныхсложнымисприменениемпроцессов.системамиТаккакинструментовданныедифференциальныхмоделированияпроцессыуравненийописываютсявчастныхпроизводных [53], изучение нестационарного поведения криогенных системвозможно только методами численного моделирования.1.4.1.
Средства моделирования криогенных системВпервые задачи моделирования нестационарных рабочих процессовкриогенных систем были сформулированы в 1980-х годах при проектированиикрупнейших криогенных систем для сверхпроводящих комплексов [54, 55].В качестве основных методов решения данной задачи стало развиватьсядва направления моделирования нестационарных процессов: разработкаоригинальных специализированных программ для численного моделированияс применением существующих языков программирования (FORTRAN,C, и др.) [56] и использование существующих универсальных средствмоделирования нестационарных процессов химических систем (SPEEDUP,FLOWTRAN, и др.) [55]. Низкая доступность универсального программногообеспечения обусловила более широкое распространение первого подхода наранних этапах развития вычислительной техники.Изначальные трудности обоих подходов были связаны с ограниченнойдоступностью вычислительных ресурсов, что ограничивало разрабатываемыемодели упрощенными уравнениями состояния, менее строгими описаниямирабочих процессов или возможностью описания только стационарныхрежимов работы.
Таким модели не могли использоваться для оптимизациистратегий управления и ограничивались решением базовых вопросовприменимости различных методов регулирования [54].Резкое повышение доступных вычислительных ресурсов за последнеедесятилетие,развитиеспециализированныхпакетовдлятехнических42вычислений (MATLAB, Simulink и др.) и инструментов анализа химическихсистем (Aspen Plus, Hysys, EcosimPro, и др.) повысило доступностьинструментов моделирования криогенных систем и значительно упростилопроцесс создания математических моделей [57–59].
Усложнение архитектурыкрупных криогенных систем, повышение их энергоемкости и необходимостьв соответствующем усложнении систем управления требует освоения данныхинструментов все более широким кругом инженерных и эксплуатационныхгрупп.1.4.2. Области применения математических моделейКругзадач,решаемыхметодамисимуляциинестационарныхпроцессов криогенных систем, включает в себя как исследования методовсовершенствования существующих криогенных систем, так и изучениемоделей на этапе их проектирования.К важнейшими задачами относятся следующие:∙ Сокращение времени захолаживания криогенной системы в условияхограниченной холодопроизводительности.
Данная задача являетсяактуальнойпрактическидлявсех(каксуществующих,такивновь проектируемых) криогенных систем. Режимы захолаживанияи отогрева криогенных систем не несут полезного эффекта спозиции эксплуатации объекта криостатирования. Сокращение временипроцессов захолаживания и отогрева является целесообразным какс точки зрения повышения доступности криогенного обеспечения,так и для снижения энергопотребления.
При этом длительностьпроцессов захолаживания крупных сверхпроводящих установок такжесвязана с максимально допустимыми термическими напряжениями,ипоэтомуневсегдаоптимальнахолодопроизводительности.сточкизрениядоступной43∙ Сокращение времени переходных процессов для систем, работающихв широких диапазонах рабочих характеристик. Целесообразностьрешенияданнойзадачианалогичнапредыдущей:снижениенедоступности криогенного обеспечения в переходный период ипонижение энергопотребления в состоянии, при котором криогеннаясистема не выполняет своего функционального назначения.∙ Проектированиеинестационарныхэксплуатациярежимахработысистем,вработающихтечениевсегонапериодаэксплуатации. К системам подобного рода относятся экспериментальныетермоядерные реакторы, работающие при пульсирующей тепловойнагрузке.
Время восстановления параметров криогенной системынапрямую влияет на общую эффективность эксплуатации термоядерныхреакторов, поэтому его сокращения является важнейшей задачей,решаемой при проектировании и эксплуатации таких систем [60].∙ Разработка стратегий реакции системы управления на нештатныеи аварийные ситуации для сокращения сопутствующих затрат.К подобным затратам относятся: потеря или загрязнение гелияатмосферными примесями, загрязнение контуров криогенной системы,выход из строя компрессорных и расширительных машин. Наиболеераспространеннымимоделированиянестационарныхкомпрессора [54],квенча[61],событиямиотказа,исследуемымипроцессов,являются:резкое повышение тепловойнарушениевакуумаметодамиостановканагрузки ввидуэкранно-вакуумнойизоляцииразличных компонентов [56], аварийная остановка турбодетандера [62] идр.
Неправильная реакция системы управления на внешние возмущениятакже может привести к нарушению работы криогенной системы [62].∙ Настройка и оптимизации системы управления. В настоящее времяданнаязадачапредставленаширокимспектромисследований,производимых в области математического моделирования криогенных44систем [53, 58, 63].Интерес к данного рода исследованиямвызван ростом сложности криогенных циклов и соответствующейнеобходимостью усложнения систем управления.∙ Обучение операторов и обслуживающего персонала [9]. Ввиду высокойстоимости эксплуатации крупных криогенных систем, их использованиев обучающих целях нецелесообразно. Доступность криогенногообеспечения крупных сверхпроводящих установок является одним изважнейших условий их работоспособности, поэтому обучение работе скриогенной системой при редко возникающих режимах эксплуатацииявляется затруднительным.
Наличие численной математической моделипозволяет избежать дорогостоящих сеансов обучения, исключая приэтом потенциально опасные ситуации при ошибках операторов [64].∙ Для крупных сверхпроводящих магнитных систем моделированиенестационарныхтермогидравлическихпроцессовнеобходимонаранних этапах проектирования для определения таких параметров,как характеристики процессов перехода сверхпроводящих кабелейиз сверхпроводящего в нормально проводящее состояние [10],механические напряжения в процессе захолаживания, параметрыкриостатирования протяженных сверхпроводящих систем [11].Ввидувысокойсложностикриогенныхсистембольшойпроизводительности, математические модели таких систем включают до3 000 дифференциально-алгебраических уравнений [53].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
