超流氦低溫系統(tǒng)減壓降溫泵組的設(shè)計(jì)及室溫性能試驗(yàn)研究

王金坤 倪 清 趙乾坤

(1 中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院 上海 201210)

(2 上?？萍即髮W(xué) 上海 201210)

1 引言

超導(dǎo)高頻腔研究和測(cè)試平臺(tái)的建設(shè)重點(diǎn)是垂直測(cè)試站、水平測(cè)試站以及運(yùn)行位置,其中2 K 超流氦冷卻在每個(gè)超導(dǎo)高頻腔的基本測(cè)試內(nèi)容應(yīng)用越來(lái)越廣泛。目前,SHINE 正在建設(shè)的測(cè)試站低溫系統(tǒng),采用了一臺(tái)制冷量級(jí)為1 KW@2 K 低溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,該2 K 低溫系統(tǒng)包括主流的室溫泵減壓降溫的制冷方式以獲得超流氦[1-2]。

實(shí)現(xiàn)飽和態(tài)超流氦的經(jīng)典方法是降低液氦池內(nèi)的壓力,維持對(duì)應(yīng)壓力低于一個(gè)大氣壓,即是說(shuō)飽和態(tài)超流氦循環(huán)是一個(gè)負(fù)壓循環(huán)[3]。超流氦低溫系統(tǒng)在大科學(xué)裝置的使用,最早可以追溯到20 世紀(jì)80 年代,法國(guó)科研人員建造了一套300 W@1.8 K 的超流氦系統(tǒng),聯(lián)合負(fù)壓室溫泵和冷壓縮機(jī)等方式,實(shí)現(xiàn)1.8 K 用于冷卻托卡馬克裝置tore-Supra 磁鐵[4]。杰弗遜實(shí)驗(yàn)室在1991 年所建立的超流氦系統(tǒng),滿足了其正在進(jìn)行的連續(xù)波電子束加速(CEBAF)的要求,最低測(cè)試溫度為1.5 K,其2 K 測(cè)試點(diǎn)制冷量為4.5 kW[5-6]。之后,歐洲核子中心(CERN)的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)也采用負(fù)壓室溫泵和冷壓縮機(jī)的方式,將制冷量提高到20 kW 的量級(jí)[7-8]。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所ADS 注入器低溫系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)已投入運(yùn)行的最大2 K 低溫系統(tǒng),采用了5 組真空泵組成的減壓降溫系統(tǒng)具有10 g/s 的抽氣能力,最大制冷能力可達(dá)200 W@ 2 K[9]。北京大學(xué)2 K 垂直測(cè)試低溫系統(tǒng)是高能所繼2 K 超流氦技術(shù)在ADS注入器I 低溫系統(tǒng)取得突破性進(jìn)展后,進(jìn)一步的深化研究,該系統(tǒng)采用常溫泵減壓降溫模式可穩(wěn)定2 K工作溫區(qū),系統(tǒng)制冷能力與ADS 注入器I 低溫系統(tǒng)相當(dāng)[10]。

減壓降溫泵組作為SHINE 測(cè)試站2 K 超流氦系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備,需要為測(cè)試平臺(tái)的正常運(yùn)行提供穩(wěn)定的飽和蒸氣壓環(huán)境,且泵組對(duì)氦氣的有效抽速?zèng)Q定了低溫系統(tǒng)的負(fù)載能力。因此,本文詳細(xì)介紹系統(tǒng)中減壓降溫泵組的選型設(shè)計(jì),針對(duì)SHINE 測(cè)試站中減壓泵組搭建了模擬試驗(yàn)平臺(tái),并進(jìn)行了性能試驗(yàn)研究,分析減壓降溫泵組對(duì)氦氣抽速特性,以及在不同工況下的系統(tǒng)控制能力,以檢驗(yàn)泵組的選型設(shè)計(jì)是否符合要求。

2 泵組設(shè)計(jì)及選型

2.1 技術(shù)指標(biāo)

SHINE 超導(dǎo)高頻腔研究和測(cè)試平臺(tái)的建設(shè)重點(diǎn)是垂直測(cè)試站、水平測(cè)試站以及運(yùn)行位置。其中,2 K測(cè)試是每個(gè)超導(dǎo)高頻腔的基本測(cè)試內(nèi)容,是各個(gè)測(cè)試站點(diǎn)的必需建設(shè)要求[11-13]。低溫2 K 的實(shí)現(xiàn)依靠的是4 K 液氦的減壓降溫,減壓降溫泵組是2 K 測(cè)試站點(diǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。根據(jù)用戶需求,為進(jìn)一步研究更低溫度對(duì)超導(dǎo)腔性能的影響,滿足垂直腔和水平模組測(cè)試溫度能夠穩(wěn)定在1.5—2 K 間不同溫度點(diǎn),提出減壓降溫泵組的技術(shù)指標(biāo):

(1)采用一定數(shù)量的減壓降溫泵,滿足負(fù)載160 W@2 K、80 W@1.8 K 工況需求,同時(shí)滿足在1.5 K溫度下仍能保持10 W 制冷量能力。

(2)減壓降溫泵組對(duì)所抽點(diǎn)處的抽真空極限壓力小于250 Pa。

(3)在所抽點(diǎn)氦氣壓力500—3 100 Pa 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),泵組所控的壓力穩(wěn)定性可在±10 Pa 范圍內(nèi)。

2.2 泵組系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)外的超流氦系統(tǒng)的調(diào)查分析發(fā)現(xiàn),對(duì)于早期的超流氦系統(tǒng)采用的液環(huán)泵較多,而對(duì)于目前大部分系統(tǒng)都開始采用羅茨泵、旋片泵較多[14-15]。因此,為獲得低于大氣壓的負(fù)壓真空環(huán)境及測(cè)試負(fù)載需求,測(cè)試站超流氦低溫系統(tǒng)核心部件減壓降溫泵組的設(shè)計(jì)采用了模塊化的泵組以及大、小雙旁通閥B1、B2調(diào)節(jié)的形式,如圖1 所示。該減壓降溫系統(tǒng)流程中,低溫飽和溫度的氦氣由遠(yuǎn)端測(cè)試裝置回流經(jīng)分配閥箱換熱器與來(lái)流4 K 超臨界氦換熱,被加熱至約3 K的低溫氦氣,再通過(guò)加熱器裝置加熱成為室溫氦氣進(jìn)入泵組裝置,考慮到今后與制冷機(jī)系統(tǒng)的互聯(lián)互通,因此,泵組排氣將進(jìn)入主壓縮機(jī)。對(duì)于泵組裝置的壓力測(cè)控,在吸氣口設(shè)置了高精度壓力傳感器。另外,由于模塊化設(shè)計(jì)的泵組抽氣能力有限,考慮到今后便于裝置擴(kuò)容,在主路上增加了擴(kuò)容閥門M1、M2。

圖1 減壓降溫系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖Fig.1 Flow diagram of vacuum system

基于上述系統(tǒng)指標(biāo)要求及流程,在裝置管路進(jìn)口處,設(shè)置了高精度真空薄膜規(guī)CTR100 作為泵組的壓力控制點(diǎn)?？紤]到管路、閥門等阻力損失,要求壓力可以穩(wěn)定設(shè)置在2 800 Pa,1 300 Pa 和200 Pa,分別對(duì)應(yīng)遠(yuǎn)端2 K@3 100 Pa、1.8 K@1 600 Pa 和1.5 K@500 Pa。對(duì)于壓力控制點(diǎn)而言,裝置近端壓力能夠穩(wěn)定控制,遠(yuǎn)端的壓力主要影響因素就是管路系統(tǒng)的壓損,因此,留給管路系統(tǒng)的壓損應(yīng)設(shè)計(jì)在300 Pa 以內(nèi)。本次測(cè)試的主要目的即在室溫狀態(tài)下測(cè)試氦泵裝置的控制穩(wěn)定性以及最大抽氣量,以明確氦泵的性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。由于測(cè)試站測(cè)試廳設(shè)置了1.5—2 K溫區(qū)和常溫溫區(qū)的管路系統(tǒng),而低溫測(cè)試將在該測(cè)試廳完成后且測(cè)試裝置需要具備測(cè)試條件,因此,為不被條件所限,特設(shè)計(jì)了一套室溫下的性能測(cè)試平臺(tái)。

2.3 泵組選型校核

超流氦池內(nèi)的壓力穩(wěn)定性,除了取決于節(jié)流閥過(guò)來(lái)的質(zhì)量流量,更主要的是取決于減壓降溫泵的設(shè)計(jì)。綜合用戶需求與實(shí)際工程情況,泵組的研制主要從以下4 個(gè)方面進(jìn)行考慮:

(1)足夠優(yōu)越的泵組單體模塊工作特性,即滿足運(yùn)行可靠性的情況下,可實(shí)現(xiàn)對(duì)氦氣的最大抽速。根據(jù)低溫測(cè)試系統(tǒng)各主要節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)分析,在160 W@2 K、100 W@1.8 K、10 W@1.5 K 的熱負(fù)荷工況下,進(jìn)入到減壓降溫泵站的氦氣質(zhì)量流量約為8 g/s、4 g/s、0.5 g/s,分配閥箱至垂直、水平以測(cè)試站點(diǎn)的DN273 管路最大距離約為30 m,閥箱至電加熱器DN89 管路長(zhǎng)度約為15 m,電加熱器跨廳至泵口DN355 管路距離約為70 m。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算相應(yīng)工作模式下的上述管道總流阻小于200 Pa,同時(shí)加熱器、閥門等部件流阻最大為100 Pa,則減壓降溫泵組的入口壓力分別為2 800 Pa、1 300 Pa、200 Pa,按照泵口溫度為300 K 進(jìn)行計(jì)算,其密度分別為ρ=0.004 4 kg/m3、0.002 1 kg/m3、0.000 32 kg/m3,對(duì)應(yīng)的減壓降溫泵抽速需求為S=m/ρ=6 545 m3/h、6 857 m3/h、5 625 m3/h。

經(jīng)過(guò)調(diào)研選取了如圖2 所示的一款氦泵產(chǎn)品,并將計(jì)算的體積流量與單臺(tái)泵模塊的抽速特性進(jìn)行匹配,且對(duì)氦氣的有效抽速按照常規(guī)抽速的70% 進(jìn)行估算,得到預(yù)計(jì)的氦泵數(shù)量。

圖2 抽速特性曲線Fig.2 Pumping speed characteristic curve

(2)受限于場(chǎng)地的室內(nèi)面積以及單臺(tái)泵的體積較大問(wèn)題,泵組模塊數(shù)量不應(yīng)過(guò)多。該套減壓降溫泵組選擇了由4 臺(tái)羅茨泵與旋片油泵組合的形式,即采用了Leybold 羅茨泵組(WH2500FU+SV750BF/A)組成的模塊作為系統(tǒng)核心部件,其前級(jí)泵采用單級(jí)旋片油泵,泵油與主壓機(jī)泵油一致(BREOX B35),泵組經(jīng)集成裝配后的尺寸為5 975 ×2 200 ×2 370 mm,結(jié)構(gòu)緊湊,滿足現(xiàn)場(chǎng)安裝需求,圖3 所示為泵組模型及實(shí)物圖。

圖3 泵組三維模型及實(shí)物照片F(xiàn)ig.3 3D model of pump set model and real photos

(3)因氦氣物性特征的限制,低溫2 K 氦泵產(chǎn)品一直存在壓縮效率低和泄漏損失大等問(wèn)題,選取了國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上普遍認(rèn)可的品牌廠家,氦泵密封性能等方面進(jìn)行了特殊性改善。所采用羅茨真空泵WH2500FU、旋片泵SV750BF/A,其內(nèi)泄漏率≤1.0 ×10-6Pa·m3/s;旁路閥采用波紋管密封,實(shí)現(xiàn)從外到內(nèi)泄漏率≤1.0 ×10-6Pa·m3/s;每個(gè)泵組模塊進(jìn)、排氣口均安裝有波紋管密封的角閥,且閥門漏率≤1.0 ×10-9Pa·m3/s。以上嚴(yán)格選型使得泵組的密封性能將得到保證。

(4)具有穩(wěn)定的壓力控制能力,在超導(dǎo)腔測(cè)試過(guò)程中,超流氦壓力和壓力穩(wěn)定性由泵組控制調(diào)節(jié),壓力穩(wěn)定性要求在±10 Pa 以內(nèi)。在泵組啟動(dòng)后的初始階段,前級(jí)旋片泵依次啟動(dòng)。當(dāng)氦氣壓力降至5 000 Pa時(shí),羅茨泵啟動(dòng)。圖4 為所采用的減壓降溫泵組系統(tǒng)PID 圖,顯示由4 個(gè)模塊組成的整個(gè)泵系統(tǒng)。當(dāng)氦池壓力達(dá)到超流氦飽和壓力設(shè)定壓力時(shí),泵組開始?jí)毫刂普{(diào)節(jié)。當(dāng)氦池內(nèi)熱負(fù)荷增大時(shí),羅茨泵組變頻隨之增大,泵組獲得更大的抽氣能力。當(dāng)氦池內(nèi)熱負(fù)荷減小時(shí),泵組變頻也減小,泵組抽氣能力減小;當(dāng)負(fù)載減小到只有靜態(tài)漏熱時(shí),泵組在最小工作頻率下工作,若氦池壓力依然減小時(shí),系統(tǒng)啟動(dòng)旁通閥門,用泵組出口流量來(lái)補(bǔ)充一定流量到泵組入口,保證泵組的一個(gè)穩(wěn)定流量,這樣氦池內(nèi)部壓了可維持在設(shè)定壓力下,且在±10 Pa以內(nèi),確保氦池內(nèi)氦氣壓的穩(wěn)定性。

圖4 泵組控制邏輯圖Fig.4 Logic diagram of pump set control

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

該套泵組于2020 年3 月10 日到貨,到貨后一直處于泵組、管路系統(tǒng)及工藝水電氣的安裝階段,至2020 年9 月底基本完成。為盡快完成裝置指標(biāo)性能測(cè)試,提出了一種基于流量法的真空泵測(cè)試系統(tǒng),所采用室溫測(cè)試方案具有高精度、測(cè)量范圍廣,流程圖見圖5。采用氦氣鋼瓶集裝格作為氣源,通過(guò)流量控制器、質(zhì)量流量計(jì)、氦氣緩沖罐(模擬遠(yuǎn)端用戶)、薄膜規(guī)等設(shè)備,提供穩(wěn)定的氦氣流量輸入,以監(jiān)測(cè)緩沖罐壓力穩(wěn)定性,同時(shí)可以測(cè)量氦氣的輸入最大流量。氣體通過(guò)氦泵后,直接排至氣囊存儲(chǔ)。流量測(cè)量模塊采用熱氏質(zhì)量流量計(jì)與科氏流量計(jì)相結(jié)合的方式進(jìn)行測(cè)量。由于氦泵裝置設(shè)計(jì)值的50% 是4 g/s 的氦氣質(zhì)量流量,此時(shí)對(duì)應(yīng)80 W 制冷量,因此,選擇Hasting 熱式質(zhì)量流量控制器,其氦氣流量可控范圍0—5 g/s。為了進(jìn)一步檢驗(yàn)質(zhì)量流量,在現(xiàn)有條件具備的情況下,增加了一套艾默生科式流量計(jì)。薄膜規(guī)測(cè)量范圍0—101 325 Pa,精度0.25%。測(cè)控系統(tǒng)采用西門子PLC et200 搭建,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試平臺(tái)安裝后如圖6。由于Hasting 流量控制器對(duì)于上下游有壓力要求,因此在上游增加穩(wěn)壓閥,在現(xiàn)有條件有限的情況下,下游僅用球閥調(diào)控。測(cè)試前,應(yīng)對(duì)氦泵本體及管路系統(tǒng)抽氦氣置換氦氣,保證系統(tǒng)處于潔凈的氦氣環(huán)境中運(yùn)行。

圖5 泵組室溫氦氣循環(huán)裝置流程圖Fig.5 Flow diagram of pump test at room temperature

圖6 測(cè)試平臺(tái)示意圖Fig.6 Schematic diagram of test platform

特別地,上述氦氣緩沖罐為立式固定放置的空腔結(jié)構(gòu),采用下供上回的供氣模式,如圖7 所示,出氣導(dǎo)管位于罐體上部1/3 處,供氣導(dǎo)管位于罐體下部1/3處,進(jìn)氣口方向通過(guò)彎頭設(shè)置向下,從而與底部圓弧部分發(fā)生彈性散射和非彈性散射,使氣體分子自由運(yùn)動(dòng)的速度沿著各個(gè)方向進(jìn)入氦降壓降溫泵組或者被真空薄膜規(guī)檢測(cè),能夠起到準(zhǔn)確替代測(cè)試遠(yuǎn)端的效果。氦氣緩沖罐相當(dāng)于測(cè)試系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的高頻超導(dǎo)腔體,通過(guò)測(cè)量緩沖罐內(nèi)的壓力和罐內(nèi)的氣流量來(lái)評(píng)估待測(cè)泵組的極限壓力、抽速、穩(wěn)定性等性能參數(shù)。因高頻超導(dǎo)腔體與氦泵運(yùn)行管路系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜,管路較長(zhǎng),且泵組的樣本參數(shù)中對(duì)氦氣抽氣特性未見有明確測(cè)試數(shù)據(jù)。為不被條件所限,因此設(shè)計(jì)了氦氣緩沖罐代替超導(dǎo)腔體進(jìn)行測(cè)試,進(jìn)而做相似性評(píng)估。

圖7 氦氣緩沖罐示意圖Fig.7 Schematic diagram of a helium buffer tank

通過(guò)上述的氦減壓降溫泵組室溫性能的測(cè)試平臺(tái),進(jìn)行了泵組室溫下流動(dòng)特性的測(cè)試,該測(cè)試過(guò)程具體包括以下步驟:

步驟S1,提供上述氦減壓降溫泵組室溫性能的測(cè)試系統(tǒng),對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行安全檢查,并抽真空;開啟高純氦氣集裝格,對(duì)氦氣循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)殘余的雜質(zhì)氣體進(jìn)行置換。

步驟S11,保證測(cè)試系統(tǒng)中各部件的接線及接頭絕緣性完好,并保持管路的外壁清潔。

步驟S12,關(guān)閉測(cè)試系統(tǒng)中的所有閥門以使測(cè)試系統(tǒng)與大氣隔絕,使用分子泵機(jī)組將測(cè)試系統(tǒng)的管路真空度抽至1.0 ×10-3Pa 量級(jí)及以下,并開啟氦氣檢漏儀進(jìn)行檢漏,直至各密封接口的總漏率小于等于1.0 ×10-9Pa·m3/s。

步驟S13,通過(guò)抽真空與純凈氣吹掃的方式反復(fù)進(jìn)行置氣,用高純氦氣對(duì)氦氣循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)殘余的雜質(zhì)氣體置換5—6 次。

步驟S2,開啟氦氣減壓閥、穩(wěn)壓閥和手動(dòng)球閥并進(jìn)行調(diào)節(jié),以使管路中各調(diào)壓點(diǎn)至氦氣緩沖罐的進(jìn)口處的壓力為設(shè)定值,壓力設(shè)定值為1.01 ×105Pa。氦氣循環(huán)系統(tǒng)的流量通過(guò)各閥門手動(dòng)調(diào)節(jié),配合數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的精調(diào),能夠快速準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

高純氦氣集裝格流出的氦氣通過(guò)氣體流量控制器控制流量,因而,步驟S3,利用手動(dòng)球閥調(diào)節(jié)氣體流量控制器的背壓至1.8 ×105—3.5 ×105Pa,以調(diào)節(jié)管路中的氦氣的壓力。

步驟S4,調(diào)節(jié)壓力后的氦氣通過(guò)氦氣緩沖罐靜待后,緩慢啟動(dòng)氦減壓降溫泵組,使氦減壓降溫泵組維持在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行(低轉(zhuǎn)速為0—30 Hz),并打開氦氣緩沖罐后的第二角閥,同步調(diào)節(jié)穩(wěn)壓閥和手動(dòng)球閥,使氦減壓降溫泵組充分吸收氦氣,并保持測(cè)試系統(tǒng)的管路的壓強(qiáng)與流量穩(wěn)定。按照泵組的設(shè)計(jì)目標(biāo),試驗(yàn)系統(tǒng)的泵組入口壓強(qiáng)穩(wěn)定在200—3 600 Pa,流量穩(wěn)定在0—5 g/s。

步驟S5,被減壓降溫泵組吸收的氦氣經(jīng)管路匯集至氣體回收袋中。

試驗(yàn)裝置運(yùn)行時(shí),高純氦氣集裝格中的氦氣依靠氣源壓力流入管路,依次經(jīng)過(guò)氦氣減壓閥、穩(wěn)壓閥、氣體流量控制器、科氏質(zhì)量流量計(jì)、氦氣緩沖罐、真空薄膜規(guī),通過(guò)調(diào)節(jié)截止閥、穩(wěn)壓閥以及氣體流量控制器出氣管路上的手動(dòng)球閥,即調(diào)節(jié)管路中的各氣流參數(shù),可使上位機(jī)顯示的流量均值與設(shè)定值相差小于1%,此時(shí)氣流參數(shù)穩(wěn)定,可探究室溫下氦減壓低溫泵組運(yùn)行于不同流量下的設(shè)定值能否穩(wěn)定,并驗(yàn)證最大流量運(yùn)行工況下是否滿足設(shè)計(jì)需求。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

氦氣緩沖罐內(nèi)壓力變化是反映減壓降溫泵組穩(wěn)定性的重要參數(shù),首次測(cè)試時(shí)將泵組入口壓力設(shè)定值設(shè)在2 800 Pa,泵組在額定工作頻率50 Hz 下緩沖罐壓力與流量隨時(shí)間變化的特性曲線如圖8 所示。由圖8 可知,測(cè)試流量近似為4.15 g/s,可以看出緩沖罐壓力為18 204 ±13 Pa 變化,即壓力變化平坦度控制在0.1%以內(nèi),究其原因,由于測(cè)試管路設(shè)置較細(xì),壓損較大,流速快,管路系統(tǒng)中存在湍流現(xiàn)象形成波動(dòng),故壓力變化量相對(duì)較大,若在實(shí)際環(huán)境中,流阻很小,波動(dòng)可以做到± 10 Pa 以內(nèi)。對(duì)于大流量的設(shè)置,由于管路較細(xì),流量過(guò)大排氣壓力上升,接近泵組保護(hù)壓力,因此沒(méi)有再繼續(xù)提升流量,但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,4.15 g/s 流量只開了2 臺(tái)泵模塊,因此可以推斷,4 臺(tái)泵模塊全功率運(yùn)行下,泵組能夠滿足8 g/s 的氦氣流量指標(biāo)。因此,泵組是具備大于160 W@2 K 的制冷量供給能力。上述試驗(yàn)測(cè)試選擇了300 s 的測(cè)試時(shí)間段作為一個(gè)測(cè)量時(shí)間單元,測(cè)試時(shí)間相對(duì)較短,因?yàn)闅饬坑邢?測(cè)試成本較高,而泵組可以很快實(shí)現(xiàn)控制穩(wěn)定,因此,未再進(jìn)一步延長(zhǎng)不同流量的測(cè)試時(shí)長(zhǎng)。

圖8 設(shè)定值2 800 Pa,供給流量4.15 g/s,緩沖罐壓力變化Fig.8 Set value 2 800 Pa,supply flow 4.15 g/s,buffer tank pressure change

為了驗(yàn)證泵組是否可以滿足80 W@1.8 K 的工況,泵組入口壓力設(shè)定值設(shè)在1 300 Pa,在額定工作頻率50 Hz 下緩沖罐壓力與流量隨時(shí)間變化的特性曲線如下圖9 所示。由圖可知,3 臺(tái)泵模塊最大頻率運(yùn)行時(shí),測(cè)試流量近似為3.5 g/s,可以看出緩沖罐壓力的波動(dòng)減小,即壓力變化平坦度控制在0.1% 以內(nèi),壓力穩(wěn)定性±8.5 Pa。基于以上測(cè)試判斷,泵組可以快速的穩(wěn)定在使用壓力下,且設(shè)定值在1 300 Pa,4 臺(tái)泵組流量可達(dá)到5 g/s 以上。對(duì)于實(shí)際使用情況,若要保持在遠(yuǎn)端1 600 Pa 的實(shí)際壓力,管路系統(tǒng)要滿足300 Pa 以內(nèi)的壓損設(shè)計(jì)要求。

圖9 設(shè)定值1 300 Pa,供給流量3.5 g/s,緩沖罐壓力變化Fig.9 Set value 1 300 Pa,supply flow 3.5 g/s,buffer tank pressure change

由于設(shè)定值較大的情況下,大流量測(cè)試受限,因此又進(jìn)行了200 Pa 設(shè)定值最大流量1.5 g/s 的測(cè)試。具體測(cè)試結(jié)果如圖10 所示,最大流量在4 臺(tái)羅茨泵接近最大頻率運(yùn)行時(shí),流量可以達(dá)到1.63 g/s,比預(yù)測(cè)值提高8.7%的流量即1.5 K 溫度具備32.6 W 的制冷量,說(shuō)明此情況下的管路及閥件等設(shè)備的總阻力較小,遠(yuǎn)低于理論估算值300 Pa。由此,也可反推出1.8K 可滿足80 W 的制冷量,推出2K 可滿足160 W 的制冷量。圖10 中設(shè)定流量下的緩沖罐壓力,其變化范圍基本保持穩(wěn)定在± 10 Pa 以內(nèi),因此,若能將管路系統(tǒng)壓損減少,穩(wěn)定性可更好的滿足要求。

圖10 設(shè)定值200 Pa,供給流量1.5 g/s,緩沖罐壓力變化Fig.10 Set value 200 Pa,supply flow 0.5 g/s,buffer tank pressure change

為檢驗(yàn)小流量下壓力穩(wěn)定性,同時(shí)也是為了驗(yàn)證上述情況原因分析,特采用設(shè)定0.5 g/s 的小流量做了相關(guān)測(cè)試,測(cè)試情況如圖11 所示。由圖可知,隨著質(zhì)量流量的減小,緩沖罐的壓力波動(dòng)就越小,且緩沖罐壓力可以很好的穩(wěn)定在±10 Pa 以內(nèi)?？梢?在中真空、寬流量范圍的工況下,泵組具備較好的抽氣性能,滿足了不同工況下設(shè)計(jì)的負(fù)載能力且能夠穩(wěn)定運(yùn)行。在實(shí)際流程設(shè)計(jì)當(dāng)中,當(dāng)減壓降溫泵組前后連接的回氣管路及閥門等設(shè)備的流阻小于50 Pa 時(shí),泵組對(duì)所抽站點(diǎn)的極限壓力可以達(dá)到250 Pa 以下。

圖11 設(shè)定值200 Pa,供給流量0.5 g/s,緩沖罐壓力變化Fig.11 Set value 200 Pa,supply flow 0.5 g/s,buffer tank pressure change

在測(cè)試系統(tǒng)中通過(guò)調(diào)節(jié)流量可以得到減壓降溫泵組抽氦氣的特性曲線。如圖12 所示,由圖12a泵組中單套模塊的體積流量與入口壓力特性曲線可以看出:在入口壓力設(shè)定為200—3 600 Pa 范圍內(nèi),體積流量隨著入口壓力的降低而增加,相應(yīng)的泵組獲得了更大的抽氣能力,單套泵組模塊理論抽速為2 500 m3/h,但壓力在200—3 600 Pa 范圍的實(shí)際平均有效抽速為1 672 m3/h,偏差33.12%,這主要是泵本身對(duì)氦氣的抽速能力,以及內(nèi)外部存在沿程損失、摩擦損失、泄露損失等造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)偏低,符合泵組對(duì)氦氣輸送的實(shí)際運(yùn)行特征。質(zhì)量流量可以反應(yīng)泵組對(duì)測(cè)試平臺(tái)提供的負(fù)載能力,由圖12b 看出,在低入口壓力下,相應(yīng)質(zhì)量流量較小,質(zhì)量流量值隨入口壓力的增加呈而增加,相應(yīng)的最大抽吸負(fù)載能力上升,這個(gè)結(jié)果與理論分析的結(jié)果一致。

圖12 泵組流量抽速曲線Fig.12 Flow pumping speed curve of pump set

4 結(jié)論

在大型低溫系統(tǒng)中,為滿足超導(dǎo)腔超低溫、高穩(wěn)定性的要求,完成了1.5—2 K 減壓降溫泵組的設(shè)計(jì)選型及其對(duì)氦氣抽速特性試驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)與研究,減壓降溫泵組的設(shè)計(jì)指標(biāo):160 W@2 K、80 W@1.8 K、10 W@1.5 K,且壓力波動(dòng)在±10 Pa 內(nèi)。根據(jù)設(shè)計(jì)選定的泵組參數(shù)與實(shí)際測(cè)試情況,未來(lái)投入運(yùn)行的減壓降溫泵組預(yù)期可達(dá)到如下性能指標(biāo):

(1)泵組工作頻率50 Hz,試驗(yàn)系統(tǒng)中的泵組近端能夠很好的滿足控制需求,緩沖罐維持壓力穩(wěn)定在±10 Pa 內(nèi),表明在所抽點(diǎn)氦氣壓力500—3 100 Pa 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),泵組所控的壓力穩(wěn)定性可在± 10 Pa 范圍內(nèi)。

(2)泵組裝置最大抽速能夠達(dá)到不同工況下的設(shè)計(jì)需求,在1.5—2 K 能夠?yàn)檫h(yuǎn)端測(cè)試裝置提供所需的制冷量。

(3)管路系統(tǒng)壓損對(duì)于遠(yuǎn)端裝置壓力穩(wěn)定性有較大影響,特別是較大流量下,因此壓損在最大流量下設(shè)計(jì)應(yīng)小于300 Pa,以符合泵組最佳抽速。

(4)泵組的穩(wěn)定性也取決于遠(yuǎn)端供給源,因此應(yīng)保證供給源的穩(wěn)定性。