周期性沖擊對大型超導(dǎo)核聚變低溫系統(tǒng)氦透平膨脹機影響研究

付 豹 張啟勇 莊 明 朱 平 成安義

(中國科學(xué)院等離子體物理研究所 合肥 230031)

1 引言

能源危機隨著全球經(jīng)濟的不斷發(fā)展而日益凸現(xiàn)，化石能源的使用使得地球環(huán)境日益惡化，無污染、能量大、原料豐富的熱核聚變能將有可能成為人類徹底解決能源問題和環(huán)境問題的優(yōu)選方式［1-3］。當(dāng)前，世界上聚變領(lǐng)域最大的國際性合作項目國際熱核聚變實驗堆計劃ITER，要求低溫系統(tǒng)氦制冷機的容量為65 kW/4.5 K+1 300 kW/80 K，將是世界上最大的氦低溫系統(tǒng)之一(其核心設(shè)備是幾臺氦透平膨脹機)。由中國、歐洲、美國、日本、俄羅斯、韓國、印度等七方參與。ITER主要目標(biāo)是建設(shè)一個能量增益大于10、重復(fù)脈沖大于500秒氘氚燃燒的托卡馬克型聚變實驗堆［4］。ITER計劃的成功實施，將全面驗證聚變能源開發(fā)利用的理論可行性和工程可行性，是人類受控?zé)岷司圩冄芯孔呦驅(qū)嵱玫年P(guān)鍵一步。

磁約束是實現(xiàn)核聚變能源工業(yè)化的基本選擇，而低溫超導(dǎo)磁體是大型磁約束核聚變實驗裝置的唯一手段。20世紀(jì)50年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家提出了一種利用磁約束來實現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形裝置，稱為“托卡馬克”裝置。經(jīng)過半個世紀(jì)的努力，在托卡馬克上產(chǎn)生聚變能的科學(xué)可行性已被證實，目前被公認(rèn)為實現(xiàn)受控核聚變最有效的途徑。其工作原理就是上萬安培的電流通過環(huán)形線圈產(chǎn)生強磁場(幾至十幾特斯拉)約束氘氚等離子體，從而達(dá)到可以發(fā)生核聚變的條件。如此高的電流通過磁體，只有運用超導(dǎo)技術(shù)才能避免消耗大量的焦耳熱和避免磁體因焦耳熱而損壞。為了使磁體維持在超導(dǎo)狀態(tài)，建造一個大型的氦低溫系統(tǒng)是必不可少的。國際上主要超導(dǎo)核聚變裝置如表1 所示［5-6］。

表1 國際上主要超導(dǎo)核聚變裝置Table 1 Superconducting Tokamak device in the world

中國科學(xué)院等離子體物理研究所已建成的國家大科學(xué)工程項目EAST(experimental of advance superconducting Tokamak)超導(dǎo)托卡馬克裝置在建成時，是世界上第一個全超導(dǎo)托卡馬克［7］。EAST低溫系統(tǒng)是2005年6月建成，并一次整體聯(lián)合調(diào)試成功。在第二次實驗中成功獲得等離子體。EAST裝置已經(jīng)進(jìn)行8次降溫實驗，7次物理實驗，第1次是整體系統(tǒng)調(diào)試。

2 超導(dǎo)核聚變裝置深低溫系統(tǒng)氦透平膨脹機受周期性沖擊的機理分析

相對于其他氦低溫系統(tǒng)的氦透平膨脹機(標(biāo)準(zhǔn)氦制冷機和氦液化器等擁有穩(wěn)定工況的氦低溫系統(tǒng))，核聚變裝置用氦透平膨脹機的運行面臨更大的挑戰(zhàn)。為了使超導(dǎo)磁體得到迅速有效的冷卻，氦透平膨脹機出口會直接與磁體的容積空間相連，如圖1所示，為此嚴(yán)格保證核聚變裝置磁體的工作環(huán)境低溫需求。然而，核聚變裝置在實驗期間，每“炮”(shot)放電時，會瞬間產(chǎn)生大量的熱量。一方面超導(dǎo)磁體本身亟需氦透平膨脹機提供持續(xù)穩(wěn)定的低溫冷量以確保磁體安全有效工作;另一方面，磁體氦流通道內(nèi)超臨界氦吸熱氣化膨脹，引起低溫系統(tǒng)的回氣量大幅度增加，磁體容積內(nèi)壓力不斷升高，使得與磁體容積相連的氦透平膨脹機出口壓力升高，膨脹比下降，氦透平膨脹機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速急劇變化(30秒內(nèi)急劇降速約10%并在接著的30秒內(nèi)升速約10%)，導(dǎo)致氦透平膨脹機進(jìn)出口溫度升高，使得一段時間內(nèi)(約60秒，裝置每次放電周期約為600秒)低溫系統(tǒng)工況產(chǎn)生較大波動。這樣裝置每放電一次氦透平膨脹機的運行工況就要被迫波動一次，不僅影響了低溫系統(tǒng)的運行效率，而且使得核聚變低溫系統(tǒng)的氦透平膨脹機不得不工作在反復(fù)的周期性擾動工況下，如圖2所示，氦透平膨脹機的運行參數(shù)非常直觀的顯示了這一現(xiàn)象。由于這種“交流損耗”(AC Loss)現(xiàn)象的客觀存在，使得對于核聚變低溫系統(tǒng)的氦透平膨脹機的穩(wěn)定性和變工況性能要求更高。因此，用于超導(dǎo)核聚變裝置的氦透平膨脹機不同于通用型氦透平膨脹機，需要在氦透平膨脹機的抗干擾機械性能，變工況熱力性能方面有更高的要求。

3 降低影響的措施與方法

圖1 氦透平膨脹機反饋控制示意圖Fig.1 Schematic diagram of helium turbine feedback control

圖2 放電期間交流損耗對氦透平膨脹機性能的影響Fig.2 Influence of the AC loss to helium turbine

由于超導(dǎo)核聚變裝置實驗期間會產(chǎn)生交流損耗，磁體產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致磁體內(nèi)因液氦大量蒸發(fā)而壓力升高，與之直接相連的氦透平膨脹機的出口壓力也會隨之升高，氦透平膨脹機的膨脹比會減小，導(dǎo)致氦透平膨脹機轉(zhuǎn)速降低，出口溫度升高，氦透平膨脹機就被沖擊一次，這樣的沖擊每隔10分鐘左右就一次，并貫穿整個實驗過程(約150天左右)。結(jié)合流體潤滑技術(shù)、氣動力學(xué)、高速轉(zhuǎn)子動力學(xué)實現(xiàn)對軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)變工況動態(tài)運轉(zhuǎn)過程的理論描述，深入分析變工況條件下流體潤滑氣體軸承不穩(wěn)定渦動(軸向渦動、周向渦動、圓錐渦動)對低溫氦透平膨脹機軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)機械性能及氦透平膨脹機整機熱力性能的影響，揭示流體潤滑軸承-高速氦低溫透平膨脹機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)復(fù)雜工況不穩(wěn)定渦動的影響因素及作用規(guī)律，掌握氦低溫透平膨脹機變工況穩(wěn)定運轉(zhuǎn)機理及透平變工況性能優(yōu)化設(shè)計方法，從理論研究和技術(shù)開發(fā)兩方面對氦透平膨脹機抗沖擊能力進(jìn)行全面提升和優(yōu)化。

鑒于氦透平膨脹機受周期性沖擊的原因和運行的實際情況，給出了以下幾種措施與方法保障氦透平膨脹機穩(wěn)定運行。

3.1 氦透平膨脹機本身抗干擾能力的優(yōu)化，氣體軸承結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計

主要目標(biāo)是提高氦氣透平膨脹機本身的抗干擾能力，主要是氣體軸承的性能優(yōu)化，流道的分布與加工的均勻性。氣體軸承的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，確定一系列結(jié)構(gòu)近似合理的氦氣體軸承的長徑比(L/D)、供氣孔形式、供氣孔孔徑大小、供氣孔排數(shù)與每排供氣孔個數(shù)等，通過軟件或自編程序模擬一定的結(jié)構(gòu)形式下，不同間隙的軸承剛度與承載力，優(yōu)化氣體軸承的性能;多流道與流道的均勻性也是減少沖擊的一個有效途徑，多流道就是要增加葉片數(shù)(對膨脹輪來說)，這樣會給加工帶來困難，匹配加工與葉輪設(shè)計，加工后的流道檢測等都是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

提高氦透平膨脹機的性能，提高氦透平膨脹機的抗干擾性能;這主要是提高氦透平膨脹機氣體軸承的性能(增加供氣孔排數(shù)，在轉(zhuǎn)速允許的情況下，增加軸徑，改善長徑比等措施)，其次是改善氦透平膨脹機的葉輪與噴嘴的流道，增加流道個數(shù)，流道加工對稱性優(yōu)異，降低膨脹端的氣流分布不均勻引起的非對稱沖擊。

3.2 氦透平膨脹機制動的快速響應(yīng)，與外界干擾匹配的研究

主要目標(biāo)是用反饋控制的手段，匹配周期性沖擊和氦透平膨脹機制動之間的關(guān)系，制動改變的頻率快與沖擊的頻率，使轉(zhuǎn)速保持不變，這樣對氦透平膨脹機的穩(wěn)定性影響就會大大降低。這部分就是在不改變進(jìn)口參數(shù)的情況，改變制動力的大小(改變制動氣壓、油壓、電流等)使制動功率和葉輪的膨脹功率匹配。使氦透平膨脹機運行在一個恒定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，這樣當(dāng)氦透平膨脹機因磁體的交流損耗而導(dǎo)致出口壓力升高時，膨脹比減小，出口溫度略升高，膨脹端膨脹功率減小，此時及時調(diào)整制動功率，使制動功率和膨脹功率匹配。這要求制動的調(diào)節(jié)要及時準(zhǔn)確，制動的一些參數(shù)(壓力、溫度、流量、電流等)測量、采集、傳輸要及時準(zhǔn)確，執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行(主要是閥門)要及時準(zhǔn)確，不能有過大的超調(diào)。

3.3 通過反饋控制，調(diào)節(jié)氦透平膨脹機出口壓力

主要內(nèi)容是通過反饋控制策略研究，在不易改變透平膨脹機制動功率時，可以通過在透平膨脹機后增加旁通閥門如圖2是氦透平膨脹機正常運行(增加虛線框部分)，在交流損耗使氦透平膨脹機出口壓力升高時，通過開旁通閥門使氦透平膨脹機的壓力泄到其他管道活容器，始終保持氦透平膨脹機后的壓力保持不變，達(dá)到氦透平膨脹機運行穩(wěn)定的目的。這部分難點是反饋控制的策略研究，控制策略的響應(yīng)和執(zhí)行機構(gòu)之間的匹配問題研究。

圖1是氦透平膨脹機正常運行(不帶虛線框)，反饋控制示意圖。正常運行時，氦氣(狀態(tài)0:P0，T0)經(jīng)過氦透平膨脹機膨脹后(狀態(tài)1:P1，T1)，一部分低溫氦氣經(jīng)過節(jié)流閥門V1進(jìn)入分配閥箱液氦槽，節(jié)流會產(chǎn)液氦，未液化的低溫氦氣經(jīng)分配閥箱上端管道閥門V3(一般全開)回低壓(經(jīng)制冷機后回壓縮機入口);另一部分低溫氦氣經(jīng)過分配閥箱的盤管換熱器后(狀態(tài)2:P2，T2)直接給磁體供給磁體，經(jīng)過磁體后吸熱氣液兩相(狀態(tài)3:P3，T3)回到分配閥箱，未汽化的液氦繼續(xù)存在液氦槽內(nèi)，汽化部分通過V3回低壓。

當(dāng)實驗期間，由于存在交流損耗，磁體內(nèi)通道壓力增加導(dǎo)致進(jìn)出口的壓力(P2和P3)都升高，進(jìn)口壓力(P2)升高直接導(dǎo)致氦透平膨脹機出口壓力(P1)升高，出口壓力(P3)升高導(dǎo)致直接進(jìn)入分配閥箱液氦槽內(nèi)的氦氣壓力高，直接導(dǎo)致分配閥箱液氦槽壓力P4升高，節(jié)流閥門V1壓差變小，流量減小，導(dǎo)致V1前壓力(即氦透平膨脹機后壓力P1)增加，因此，所有現(xiàn)象都導(dǎo)致氦透平膨脹機后的壓力升高(P1，1.0×102kPa以上)。若采用反饋控制思想，以氦透平膨脹機出口壓力P2為控制變量，使之在一個合適的范圍內(nèi)。一般情況下，氦透平膨脹機運行期間出口壓力是不會減小的，磁體放電時交流損耗會使其升高。在氦透平膨脹出口管道上增加一個自動控制的旁通調(diào)節(jié)閥門，在磁體放電期間，當(dāng)控制系統(tǒng)監(jiān)測到分配閥箱內(nèi)液氦槽內(nèi)的壓力P4升高而迫使氦透平膨脹機出口壓力P1也升高時，打開旁通閥門V2把氦透平膨脹機出口氦氣旁通到低壓，始終維持P1在一個合適的范圍內(nèi);在放電結(jié)束時，當(dāng)控制系統(tǒng)監(jiān)測到分配閥箱內(nèi)液氦槽內(nèi)的壓力P4降低而導(dǎo)致氦透平膨脹機出口壓力P1也降低時，關(guān)小旁通閥門V2直至旁通閥門V2全部關(guān)閉，恢復(fù)到放電初時階段，這樣就是一個完整的控制周期。同樣，這要求旁通閥門的調(diào)節(jié)要及時準(zhǔn)確，分配閥箱液氦槽內(nèi)的壓力P4與氦透平膨脹機出口壓力P1測量、采集、傳輸要及時準(zhǔn)確，執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行(主要是旁通閥門V2)要及時準(zhǔn)確，響應(yīng)時間快，不能有過大的超調(diào)。

4 結(jié)論

詳細(xì)敘述了超導(dǎo)核聚變裝置氦低溫系統(tǒng)氦透平膨脹機受周期沖擊的危害以及受沖擊的原因，通過改善氦透平膨脹機本身的性能，調(diào)節(jié)氦透平膨脹機制動功率和調(diào)節(jié)氦透平膨脹出口壓力等方式，給出了一些提高氦透平膨脹機運行穩(wěn)定性，降低周期性沖擊可能的方法與控制策略。核聚變這樣大的裝置，是一個系統(tǒng)工程，這些調(diào)節(jié)方法是否實用還有待進(jìn)一步應(yīng)用與實踐檢驗。

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