中國散裂中子源低溫系統(tǒng)的氫降溫優(yōu)化研究

何崇超 葉 斌 * 李 娜 王雅瓊 丁美瑩 何 昆

(1 中國科學(xué)院高能物理研究所 北京 100049)

(2 散裂中子源科學(xué)中心 東莞 523803)

1 CSNS 低溫系統(tǒng)介紹

中國散裂中子源(簡稱CSNS)是由1.6Gev 的高能質(zhì)子轟擊鎢靶產(chǎn)生強(qiáng)流中子,并利用中子研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施[1],主要由質(zhì)子加速器、靶站和譜儀等3 大部分組成,其質(zhì)子束流功率為100 kW,有效脈沖中子通量達(dá)2.0 ×1016n/(cm2·s),脈沖重復(fù)頻率為25 Hz[2]。2017 年8 月28 日,CSNS 完成了首次打靶,并成功產(chǎn)生了中子。2018 年5 月,中國散裂中子源通過了國家驗收,開始正式投入運(yùn)行。

CSNS 低溫系統(tǒng)是為靶站的兩個慢化器提供～17 K 的超臨界氫(工作壓力為1.5 MPa,仲氫濃度高于99%),并保證慢化器內(nèi)平均溫度低于20 K,且慢化器進(jìn)出口溫差小于3 K[3]。CSNS 低溫系統(tǒng)主要由氦制冷系統(tǒng)、氫循環(huán)系統(tǒng)以及氫安全系統(tǒng)組成。其中,氦制冷系統(tǒng)通過氦氣的逆布雷頓循環(huán)實現(xiàn)2 200 W@20 K 的冷量,并利用氫-氦換熱器將冷量傳遞給低溫氫,主要設(shè)備包括螺桿壓縮機(jī)、油分離器、制冷機(jī)冷箱及氦氣緩沖罐等[4]。氫循環(huán)系統(tǒng)是一個閉式循環(huán),主要設(shè)備包括氫-氦換熱器、壓力緩沖器、氫循環(huán)泵、正-仲氫轉(zhuǎn)化器以及低溫傳輸管線等。換熱器、加熱器、氫循環(huán)泵和正仲氫轉(zhuǎn)化器(簡稱OPC)都放置于密閉的氫循環(huán)冷箱中,壓力緩沖器為便于維修和更換,單獨(dú)放置在壓力緩沖器冷箱中[5-6]。圖1 為CSNS低溫系統(tǒng)的流程簡圖。

圖1 CSNS 低溫系統(tǒng)流程簡圖Fig.1 Flow chart of CSNS cryogenic system

2 降溫過程中的異常現(xiàn)象分析

CSNS 低溫系統(tǒng)在降溫調(diào)試和后來的每一次運(yùn)行的降溫時,降溫初期制冷機(jī)出口溫度迅速下降(6 小時即從300 K 降溫至20 K),而氫循環(huán)系統(tǒng)僅氫氦換熱器出口溫度TI4101 及兩條低溫管道的入口溫度TI4201,TI4203 能與氦側(cè)溫度保持一致的降溫速度,其余測點(diǎn)的溫度,尤其是正仲氫轉(zhuǎn)換器入口溫度TI4104 和出口溫度TI4105 基本還在290 K 附近。由于氫循環(huán)系統(tǒng)各處的降溫速度嚴(yán)重不均勻,導(dǎo)致?lián)Q熱器出口出現(xiàn)液氫的時候,正仲氫轉(zhuǎn)換器入口和出口溫度還很高,當(dāng)液氫通過循環(huán)到達(dá)慢化器或正仲氫轉(zhuǎn)換器時液氫汽化造成了溫度和壓力的劇烈的波動。因為壓力的劇烈的波動,觸發(fā)了控制保護(hù)邏輯放氣,導(dǎo)致了冷氫氣的釋放,不僅損失了冷量還浪費(fèi)了氫氣,氫循環(huán)的溫度也因此反復(fù)波動,降溫?zé)o法持續(xù)下去。因此,在每一次降溫的時候,為了避免了液氫的過早出現(xiàn),不得不在TI4101 接近35 K 時進(jìn)行手動關(guān)閉制冷機(jī)的非常規(guī)操作。但是手動關(guān)閉制冷機(jī)和再次啟動的時機(jī)需要把握好,否則氫循環(huán)系統(tǒng)因為失去冷源溫度會逐漸升高,時間太久導(dǎo)致壓力的升高而放氣。上述異常現(xiàn)象,不僅出現(xiàn)在氫的三輪降溫調(diào)試實驗中,也出現(xiàn)在2017—2018 年的每一次運(yùn)行開始前的降溫中。圖2 是其中一次運(yùn)行降溫時的降溫曲線圖,可以明顯看到,當(dāng)換熱器出口溫度TI4101 降至34.7 K時,僅TI4201 和TI4203 能夠緊緊跟隨,其他溫度與TI4101 相差比較大,尤其是正仲氫轉(zhuǎn)換器的入口溫度TI4105 為287.1 K,出口溫度TI4105 為283.9 K。而且,TI4201、TI4203、TI4104 和TI4105 降溫時都是急速下降后有反復(fù),每一次的溫度反復(fù)均造成了氫循環(huán)系統(tǒng)壓力PI4141 的較大波動。

圖2 降溫優(yōu)化前的降溫曲線圖(2017 年12 月12 日)Fig.2 Cooling curves of CSNS cryogenic system before cooling optimization

因此,從2018 年暑期開始,一直致力于氫循環(huán)系統(tǒng)降溫優(yōu)化實驗的研究,以控制氫循環(huán)系統(tǒng)的降溫速度,減少降溫過程中的壓力波動和溫度反復(fù),實現(xiàn)降溫過程的穩(wěn)定、可控。

3 低溫系統(tǒng)的氫降溫優(yōu)化過程

低溫系統(tǒng)的降溫優(yōu)化分為兩個階段:第1 個階段,從300 K 至34 K 的降溫優(yōu)化。在這個階段,氫還未進(jìn)入超臨界狀態(tài),沒有出現(xiàn)密度的急劇變化,因此,通過制冷機(jī)控制軟件的升級,控制制冷機(jī)出口溫度來控制氫的降溫速率,比較好地實現(xiàn)了氫循環(huán)的平穩(wěn)降溫。第2 階段,從34 K 至最終運(yùn)行溫度16 K 的降溫優(yōu)化。這個階段,尤其是34 K 降溫至32 K 時,氫會從氣態(tài)向超臨界態(tài)轉(zhuǎn)變,氫的密度會出現(xiàn)急劇的增大,導(dǎo)致降溫過程中出現(xiàn)劇烈的壓力波動和溫度反復(fù),因此需要一套非常好的降溫方法和控制邏輯,才能保障超臨界氫的平穩(wěn)轉(zhuǎn)變,保障降溫過程的平順、穩(wěn)定。

3.1 300 K 至34 K 的降溫優(yōu)化

2018 年夏季檢修,CSNS 低溫系統(tǒng)對制冷機(jī)控制軟件進(jìn)行了升級,升級后制冷機(jī)的控制界面增加了幾個關(guān)鍵變量參數(shù),可以通過設(shè)置透平入口閥Cv3130、換熱器旁通閥Cv3175 及旁通加熱器R3175 等參數(shù),來控制制冷機(jī)出口的氦氣溫度TI3171 和降溫速度,見圖3。如果點(diǎn)擊制冷機(jī)出口溫度的控制TC3171 會打開一個對話框,可以將降溫過程分成cooldown1,cooldown2 和cooldown3 三個階段,每個階段的降溫速率、目標(biāo)溫度及在這個目標(biāo)溫度的維持時間均可自行設(shè)置。這些目標(biāo)的實現(xiàn),需要手動設(shè)置閥門Cv3175和Cv3130 的開度、加熱器R3175 的功率,以避免透平冷卻水的溫度過高(超過85 ℃報警),同時讓透平旁通閥Cv3106,Cv3136 的開度適當(dāng),以保障冷量過?；虿蛔銜r閥門有充足的調(diào)節(jié)余量[7]。

圖3 制冷機(jī)控制軟件升級后的界面圖Fig.3 Interface diagram of upgraded refrigerator control software

2018 年8 月29 日,完成了制冷機(jī)控制軟件的升級后,于8 月30 日進(jìn)行了首次降溫。首先設(shè)定了各階段的降溫速率、制冷機(jī)出口溫度、制冷機(jī)旁通閥和加熱器等參數(shù)。日本散裂中子源JSNS 氫循環(huán)系統(tǒng)的降溫調(diào)試時,通過制冷機(jī)的加熱器在50 K 維持6 小時后,再繼續(xù)降溫,從而順利平緩地通過了34 K 的超臨界溫度[7]。因此,CSNS 低溫系統(tǒng)借鑒了其成功經(jīng)驗,設(shè)置cooldown1=50 K 并在50 K 穩(wěn)定2 小時后,再進(jìn)入cooldown2 階段,降溫速率由50 K/h 降低為10 K/h,使氫循環(huán)系統(tǒng)各處的溫度都整體下降,避免出現(xiàn)溫差過大而導(dǎo)致壓力的波動。因為對升級后的新程序還不熟悉,降溫的控制邏輯還在不斷摸索和優(yōu)化,當(dāng)時采取改變cooldown2 的溫度目標(biāo)值的方式,將目標(biāo)值逐漸從34 K 下降到28 K 以下。在降溫至34 K 以下時,流量出現(xiàn)了明顯的下降,在溫度降至31 K附近時,出現(xiàn)了較大的壓力和溫度波動。隨后,氫循環(huán)系統(tǒng)經(jīng)歷了較長的溫度反復(fù)過程,通過手動降頻和開旁通CV4201 的操作避免了壓力的大幅波動和氫氣的大量放氣。在降溫開始48 h 后,制冷機(jī)開始進(jìn)入cooldown3 階段,隨后溫度逐漸下降到目標(biāo)值16 K,同時氫循環(huán)系統(tǒng)各溫度也逐漸下降到20 K附近。圖4 是這次降溫的曲線圖。由圖可見,氫在300 K至34 K 的降溫過程中是非常平穩(wěn)順利的,未出現(xiàn)壓力的波動和溫度的反復(fù),也沒有出現(xiàn)放氣現(xiàn)象。

圖4 升級后首次降溫實驗曲線圖Fig.4 Curves of the first cooling test after upgrade

在2018 年9 月19 日,進(jìn)行了制冷機(jī)控制軟件升級后的第2 次降溫實驗,采用了與第1 次一致的控制邏輯,設(shè)定了一樣的降溫速率、制冷機(jī)出口溫度和制冷機(jī)旁通閥開度等參數(shù),降溫過程和結(jié)果也非常一致。同樣,氫循環(huán)系統(tǒng)在300 K 至34 K 以上的降溫過程非常穩(wěn)定,無明顯壓力波動和溫度反復(fù),也無一次放氣。但是在降溫至34 K 以下,開始出現(xiàn)明顯的壓力波動和溫度反復(fù),只能通過手動降頻和開旁通CV4201 來緩解。圖5 是升級后第2 次降溫實驗的曲線圖。

圖5 升級后第2 次降溫曲線圖Fig.5 Curves of the second cooling test after upgrade

3.2 34 K 至16 K 的降溫優(yōu)化

氦制冷機(jī)控制軟件升級以后,CSNS 低溫系統(tǒng)一共進(jìn)行了5 次降溫,其中前兩次降溫上面已經(jīng)介紹過了,隨后又分別在2019 年11 月、2020 年1 月、2020年2 月進(jìn)行了3 次降溫,5 次降溫在300—34 K 均平穩(wěn)可控,但是降溫至34 K 以下時,都出現(xiàn)了壓力波動和放氣,尤其是2020 年2 月的那次降溫還因為壓力上升太快觸發(fā)了聯(lián)鎖泄壓,導(dǎo)致了降溫失敗。由此可見制冷機(jī)控制軟件升級雖然能夠很好地控制氫循環(huán)的降溫速率,也實現(xiàn)了300 K 至34 K 的平穩(wěn)降溫,但是34 K 至16 K 的降溫優(yōu)化至關(guān)重要,否則將影響整個降溫的穩(wěn)定性乃至順利完成。CSNS 氫循環(huán)系統(tǒng)是國內(nèi)首個超臨界氫的閉式循環(huán)系統(tǒng),降溫過程的控制沒有成熟的經(jīng)驗可以借鑒,而制冷機(jī)出口溫度TI3171、透平入口閥CV3130、制冷機(jī)旁通閥Cv3175及加熱器R3175 等參數(shù)的開放性設(shè)置,也給控制邏輯的設(shè)計帶來很多困難。因此,只能靠不斷的實驗來摸索出最優(yōu)的降溫控制邏輯。

表1 分別對這5 次降溫過程中的控制邏輯、降溫時間、流量及結(jié)果進(jìn)行的總結(jié)。

表1 制冷機(jī)控制軟件升級后的5 次降溫對比Table 1 Comparison of five times of cooling after refrigerator control software upgrade

通過以上5 次降溫過程的摸索和對比后,對34 K 以下的控制邏輯進(jìn)行了改變,不再以制冷機(jī)出口溫度為控制目標(biāo),而是以氫循環(huán)系統(tǒng)的補(bǔ)氣速率為控制目標(biāo)。降溫速率設(shè)定1 K/h,TI3171 先設(shè)定34 K 不變,控制每小時補(bǔ)氣速率8—10 次。主要包括:(1)降溫開始即將氫循環(huán)的旁通閥CV4201 打開2%?？梢栽龃髿溲h(huán)主路的流量,減緩兩條低溫管線的降溫速率,縮小氫循環(huán)的整體溫差。(2)通過制冷機(jī)旁通閥CV3175、加熱器R3175 和制冷機(jī)出口溫度TI3171的設(shè)置來維持氫循環(huán)的補(bǔ)氣頻率。具體設(shè)置如下:當(dāng)補(bǔ)氣間隔時間變長時,首先通過減小R3175(幅度1%) 來維持補(bǔ)氣頻率,待R3175 關(guān)至0 后再關(guān)Cv3175 至0(幅度1%)。TI3171 設(shè)計值跟隨實際值進(jìn)行調(diào)低,保持設(shè)計值與實際值的差值在0.5 K 以內(nèi)。(3)透平入口閥逐漸從60% 提高到66% 后,根據(jù)透平水溫情況再提高,幅度1%。2020 年2 月25日進(jìn)行了控制邏輯改變后的第1 輪的降溫,采用新的控制邏輯后,降溫過程平穩(wěn)可控,氫循環(huán)系統(tǒng)各處的溫度整體保持一致,在很長的一段時間內(nèi)均維持在34—36 K,為整體通過超臨界溫度打下了牢固的基礎(chǔ)。進(jìn)入34 K 以下溫度后,氫循環(huán)系統(tǒng)沒有出現(xiàn)任何的壓力波動和溫度反復(fù),沒有一次放氣,用時34 小時即降溫成功,圖6 是這次降溫的曲線圖,可以看到整個降溫過程中,壓力都是平穩(wěn)無波動的。

圖6 34—16 K 控制邏輯改變后的第1 次降溫曲線Fig.6 The first cooling curves after changing 34-16 K control logic

2020 年6 月16 日和9 月22 日采用一樣的控制邏輯再進(jìn)行了兩次降溫,獲得了與第1 次一致的結(jié)果。這兩次降溫均是過程平緩且順利,無壓力波動和溫度反復(fù),無緊急操作,無放氣,最終分別耗時33 小時和43 小時(避免夜班,維持40 K 無操作12 小時)降溫成功。這表明,使用這套34—16 K的控制邏輯進(jìn)行降溫能夠獲得一致的過程和結(jié)果,控制邏輯的優(yōu)化是完全成功的?？上驳氖?最后一次降溫因為正仲氫轉(zhuǎn)換器的改造成功,大大提高了氫循環(huán)的流量,最終氫循環(huán)流量在250 Hz 下為1.32 L/s,超過了設(shè)計指標(biāo)1 L/s。圖7 是控制邏輯改變后第3 次降溫的曲線圖(9 月22 日)。

圖7 34—16 K 控制邏輯改變后的第3 次降溫曲線Fig.7 The third cooling curves after changing 34-16 K control logic

4 結(jié)論

CSNS 低溫系統(tǒng)的氫降溫調(diào)試雖然成功了,但在制冷機(jī)控制軟件升級前,降溫屬于完全不可控的狀態(tài)。這個階段降溫速率不能控制,氫循環(huán)的溫度和壓力波動大,需要進(jìn)行降頻和開旁通的緊急操作,甚至手動關(guān)閉制冷機(jī)才能順利完成降溫。制冷機(jī)控制軟件升級后,可以通過制冷機(jī)旁通閥的開度和加熱器功率,控制氫氦換熱器的氦氣溫度和流量,使氫循環(huán)的溫度和壓力波動明顯減緩,不需要再中途關(guān)閉制冷機(jī),在300 K 至34 K 的降溫過程實現(xiàn)了可控。2019年暑期后,重點(diǎn)優(yōu)化了34 K 至16 K 的降溫過程,采用新的控制策略,使氫平穩(wěn)地進(jìn)入超臨界態(tài),全程無壓力波動和溫度反復(fù),無一次放氣,實現(xiàn)了整個降溫過程的完全平穩(wěn)、可控。之后,CSNS 低溫系統(tǒng)采用一樣的控制邏輯又進(jìn)行了多次降溫,每次降溫的過程都是可控的,結(jié)果都是一致的,沒有再出現(xiàn)壓力波動和放氣的現(xiàn)象,說明CSNS 低溫系統(tǒng)的氫降溫優(yōu)化研究非常成功的。