EAST降温低温系统的计划及操作.docx
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EAST降温低温系统的计划及操作
EAST降温实验低温系统的计划及操作
2006年2月3日
一、总目标:
实现EAST装置降温并磁体通电实验
具体指标:
1.检验透平膨胀机是否能长期稳定运行;
2.检验低温系统杂质去除是否满足长期运行的需要;
3.测试2kW氦制冷机的制冷量;
4.检验制冷量相对于EAST装置的总热负荷是否有富裕;
5.测试氦循环泵的效率和流量;
6.检验3.8K油环泵系统能否正常的工作;
7.检验低温测量的准确性;
8.检验低温控制系统;
9.检验低温系统的是否易于操作;
二、低温系统的组成:
三、降温的条件:
1.完成全部系统的安装:
保证氦系统完全封闭
2.冷箱抽空:
要求各真空<1×10-2Pa
●制冷机冷箱
●分配阀箱
●电流引线箱
●EAST外杜瓦
3.各设备正常、并完成保养;
4.完成上岗人员培训。
●2kW/4K氦制冷机流程图(冷箱部分和压缩机部分)
●透平膨胀机操作规程,控制和保护面板操作规程
●螺杆压缩机组操作规程
●2kW氦制冷机操作规程
●低温分配系统操作规程
●氦制冷机的测量仪表。
该表给出了低温分配系统所以需要测量的参数、其采用的传感器及量程等。
参数越限报警值也在该文件中给出了。
●氦制冷机的阀门统计表及低温分配系统的低温控制阀门统计表
●EAST装置冷却控制杜瓦流程图;
●EAST纵场磁体冷却流程图;
●EAST极向场磁体冷却流程总图;
●EAST超导磁体Busline冷却流程图;
●EAST80K冷屏冷却流程图;
●低温分配系统的测量仪表。
●EAST电流引线冷却流程图;
●真空系统操作规程;
●油分析仪操作规程;
●氦循环泵操作手则;
●低温控制系统操作站操作规程。
5.岗位职责
●压缩机岗位:
负责以下设备的维护及运行操作
1.压缩机站的氦气压缩机系统,包括回收压缩机;
2.螺杆压缩机的除油系统;
3.水冷却系统;
4.贮气系统;
5.空气压缩机和氮气压缩机;
6.8-5车间的纯化器;
7.油环泵;
8.液氮罐。
●制冷机岗位:
负责以下设备的维护及运行操作
1.冷箱抽空系统系统,液氮传输线抽空;
2.氦制冷机冷箱和阀箱;
3.4台透平膨胀机;
4.内吸附器的再生;
5.低温分配阀箱;
6.冷屏、纵场、极向场超导磁体冷却;
7.超导传输线的冷却;
8.氦循环泵;
9.电流引线的冷却
10.制冷机和分配系统的液氮加注
11.10000L液氦杜瓦
●电控岗位:
负责以下设备的维护及运行操作
1.8-5车间配电系统;
2.8-1配电系统;
3.DCS控制系统,工程师站,操作站;
4.服务器管理;
5.温度、压力、流量、液位等传感器和仪表;
6.纯度分析;
7.控制室管理。
低温系统的操作全部在低温控制室由值班长发出并负责完成。
因此各种与低温操作相关的信号必须送到低温控制室,并保证其正确性!
四、系统纯化
杂质要求:
H2O<5ppm,N2<3ppm,CxHy<1ppm,Oil<10ppb
使用分析仪器:
Linde多组分分析仪
●系统必须完全封闭后才能纯化;
●必须冲刷每根毛细管。
●系统纯化计划需要时间5~10天;
●系统纯化完后将购买液氦进入系统中;
●不带气柜运行。
五、低温系统运行的模式
制冷系统共有10种稳态运行模式和27种过渡转换模式。
制冷机的操作就是如何实现这37种运行模式及各种模式之间的转换
1.停机状态S0:
它是各动力设备停止运行,系统低温部件处于常温或接近常温的一种状态。
2.纯液化模式S1:
它是指制冷机只给贮存杜瓦(10000L液氦杜瓦)生产液氦。
3.预纯化模式S2:
是指给制冷机吹除,确保制冷机的中的纯度。
4.压缩机起动运行模式TM0:
指螺杆压缩机起动运行。
5.降温模式(TM1、TM2、TM6、TM13):
包括制冷机本身降温和制冷机带动托卡马克装置降温模式
6.制冷机给装置回温模式TM10
7.80K待命模式S3:
供给气温度保持在液氮温度左右。
8.80K待命加液化模式S4:
供给气温度保持在液氮温度左右,制冷机同时生产液氦。
9.4.5K待命模式S5:
指超导磁体保持在4.5K温度左右。
10.4.5K待命加液化模式S6:
此时不需开循环泵和油环泵,冷量有富余用来生产液氦。
11.3.8K待命模式S7:
指超导磁体保持在3.8K的工作温度,但还没有励磁。
12.3.8K待命加液化模式S8:
此时不需开循环泵,冷量富余用来生产液氦。
电流引线及Busline都需维持工作温度。
13.3.8K实验运行模式S9:
此模式下磁体已励磁到工作电流,循环泵在运转的模式。
14.给液氦槽充液氦TM17:
当EAST装置降温到4.5K后,制冷机制冷量过省,此时将在液氦槽中有LHe生产出来,直到达到设定的液面。
15.给过冷槽充液氦TM19:
当4.4K的液氦槽储存有一定的液氦时,且过冷槽已降到80K以下,这时可给过冷槽充液氦加快冷却。
当过冷槽液面达到要求的高度后起动油环泵减压制冷,使过滤槽的温度下降到3.5K。
16.3.8K待命转3.8K实验运行TM25:
准备励磁前启动循环泵加强磁体冷却。
17.失超后的保护模式TM28:
在失超后因回气很大,制冷机 需切换到液化模式。
六、各冷质部件的工作温度如下:
冷质部件
工作温度
工作压力
总工作流量
总重量
内冷屏
60~90K
5.2bar
60g/s
25ton
外冷屏
80~90K
5.1bar
每部分不一样
(根据温度控制)
支撑
80K
5.1bar
每个4.5g/s
纵场线圈绕组
3.8~4K
3~4bar
240g/s
(平均每通道2.5g/s)
46ton
纵场线圈盒
4.5~4.8K
3~3.3bar
320g/s
(平均每个20g/s)
50ton
楔块
4.8~5K
3bar
320g/s
(平均每个20g/s)
38ton
极向场线圈
3.8~4K
3~4.5bar
110g/s
35ton
纵场Busline
4.6K
3~3.2bar
4g/s
极向场Busline
4K
3~4bar
每组4g/s,共4组
Cu电流引线
4.5K~300K
1.2bar
<6g/s
高温超导电流引线
4.5~77K
77K~300K
1.2bar
?
液氦槽
4.4K
1.2bar
/
/
过冷槽
3.5K
0.47bar
/
/
液氮槽
78.8K
1.2bar
/
/
降温时的要求(300K~80K):
冷屏:
1.冷屏进口压力在6~7bar,出口压力5.1bar;
2.冷屏的进出口温差维持在30K;
3.计划用8天从300K降到80K,平均每小时降温1.15K。
刚开始时降温速度会低于此值,后来降温速度会慢慢加快;
4.降温时保证冷屏的平均温度比磁体的平均温度低5~10K。
5.降温时控制冷屏上的最大温差<40K;
6.通过各组冷屏入口的阀门来调节降温速度,使得各组之间能基本同速降温;
7.冷屏降温时,分配阀箱中的液氮槽不要加液氮;
8.冷屏降温到100K以下后可以起动透平4降温。
9.冷屏入口温度的控制:
V2307和V2308两个阀门调节。
极向场:
1.极向场进口压力在10~12bar,出口压力1.3bar;
2.极向场的进出口温差维持在30K;
3.计划用8~10天从300K降到80K,平均每小时降温约1K。
4.降温时控制极向场磁体的最大温差<50K。
5.通过各组极向场线圈入口的阀门来调节降温速度,使得各组之间能基本同速降温;
6.极向场的流量分配:
CS1~6:
72g/s,每个通道为2.4g/s;
PF13~14:
25.6g/s,每个通道为1.6g/s;
PF7~8:
8g/s,每个通道为2.0g/s;
PF9~10:
52.8g/s,每个通道为2.2g/s;
PF11~12:
36.8g/s,每个通道为1.84g/s;
7.入口温度的控制:
由V3232阀供氦,V5101阀和V5103阀调节;或者由V2307和V2271阀来调节;
纵场绕组和纵场线圈盒:
1.纵场绕组进口压力在10~12bar,出口压力1.3bar;
2.纵场线圈盒进口压力在3~4bar,出口压力2bar;
3.纵场的进出口温差维持在30K;
4.计划用8~10天从300K降到80K,平均每小时降温约1K。
5.降温时控制纵场绕组和线圈盒上的最大温差<50K。
7.通过4组纵场线圈绕组出口的阀门来调节降温速度,使得各组之间能基本同速降温;
8.入口温度的控制:
由V3232阀供氦,V5101阀和V5103阀调节;或者由V2307和V2271阀来调节;
80K~4K的降温:
1.当磁体出口的温度下降到110K后需起动透平T1和透平T2;
2.磁体温度下降过程中要逐渐减小进口冷却的氦气压力;
3.当透平T1和透平T2基本达到工作温度后才起动透平T3
4.磁体温度下降到4K左右后要给分配阀箱中的液氦槽和过冷槽生产液氦;
5.计划用3~4天从80K降到4.5K并生产足够的液氦;
6.电流引线的冷却可以在液氦生产足够后开始;Busline的冷却可以比电流引线的冷却早一些;计划各用8小时冷却到工作温度。
装置冷却流量计的安装位置(共21个):
1
内冷屏总入口
FI5702
2
纵场绕组循环泵出口
FI5010
3
纵场线圈盒循环泵出口
FI5111
4
极向场总流量
FI5050
5
纵场降温总流量
FI5004
6
线圈盒降温的总流量
FI5104
7
去电流引线液氦总流量
FI5110
8
纵场4组线圈
FI5211;FI5221;FI5231;FI5241
9
纵场Busline
FI5250
10
中心螺管总流量
FI5510
11
PF7&PF8
FI5540
12
PF9&PF10
FI5560
13
PF11&PF12
FI5570
14
PF13&PF14
FI5550
15
极向场Busline
FI5519;FI5529;FI5539;FI5549
常导电流引线的使用应注意以下两点:
1.不过载引线优化电流为12kA,在液氦充足情况下容许过载运行到14.5kA(可长时),15kA以上应谨慎(只可短时)
2.引线下端温度应为4.2K,温度过髙,可能引起传输线失超。
容许最高温度由超导传输线确定
下表为引线系统可能出现的故障及应对处置
正常工作条件
可能出现的故障
及原因
应对处置
系统真空度
∽×10-4Pa
低于要求
漏气
检漏﹑处理,使达要求
冷屏温度
低于80K
高于80K
管路阻塞,
供液不足
查阻塞点,排除
增加供液
液氮槽压力
低于0.5公斤表压
高于0.5公斤
供液过猛,回气不畅
调节供液
调节安全阀
查修回气管路
液氮槽液面
由老毕定
液氦罐液面
不低于
不高于
供液量不适当
调节供液
液氦罐压力
低于0.5公斤表压
高于0.5公斤
回气阀未打开,氦管路堵塞
开回气阀
查修管路
引线下端温度
4.2K
高于4.2K,
供液不足,接头温度髙
调节供液
冷却接头,传输线
引线最大电流
12kA
容许负载14.5kA
各引线回气
通畅,平衡
不平衡
调节回气阀,使平衡
要求电流引线和超导传输线的温度、液面进入低温控制室!
七:
纵场磁体通电的低温条件
1.纵场绕组进出口温度、线圈盒的温度、纵场超导传输线的温度、电流引线的温度冷却到满足要求;
2.分配阀箱中液氦槽和过冷槽中的液面不低于50%;电流引线液氦槽的液面满足要求;
3.线圈绕组和线圈盒冷却的氦循环泵已起动,保证线圈盒的总流量不小于300g/s;线圈绕组的总流量不小于220g/s,且各组之间分配均匀;超导传输线的流量不小于3.5g/s;
4.冷却的流体处于超临界氦状态,即出口压力>=3bar。
极向场磁体通电的低温条件(等离子体放电的条件)
1.极向场进出口温度、极向场超导传输线的温度、电流引线的温度冷却到满足要求;
2.分配阀箱中液氦槽和过冷槽中的液面不低于50%;
3.电流引线液氦槽和液氮槽的液面满足要求;
4.极向场线圈的总流量不小于100g/s,且各组之间分配均衡;超导传输线的流量不小于3.5g/s;
5.冷却的流体处于超临界氦状态,即出口压力>=3bar;
6.值班长判断系统正常。
八、氦循环泵的测试:
在起动氦循环泵后要求对氦循环泵进行测试,时间需要半天。
之后检验纵场磁体和线圈盒的压降和流量的关系。
九、3.8K运行:
希望在4.5K的试验基本完成后做3.8K的实验。
主要是考虑到轴封密封不严而吸空气,影响实验进一步进行。
油环泵停机时要及时关闭V2001阀,以免返油进制冷机冷箱。
并打开油环泵的旁通阀门。
十、EAST装置失超后低温系统的保护措施
超导磁体低温系统的安全保护共有三个不同等级的保护:
第一级:
气动阀。
这一级保护是主动的,由压力开关来控制,它是通过气动阀将超导磁体中的氦泄放至中压罐中。
气动泄放阀的通经为DN32。
压力开关的设置压力为8bar。
经测试,压力开关的动作时间为10ms。
极向场有3个泄放阀。
纵场磁体有5个泄放阀。
线圈盒总出口有一个泄放阀,受DCS控制。
一旦气动阀打开,线圈恢复励磁估计要一天的时间。
第二级:
安全阀。
当气动阀排气还不满足要求时,冷安全阀打开,泄放氦气至中压罐中。
安全阀泄放量按2000kg/h(80K)设计。
设置压力为16bar。
极向场有3个安全阀。
纵场绕组有6个安全阀。
线圈盒总出口有1个安全阀。
第三级:
爆破膜。
这是保护的最后一级,它将导致氦气的丢失。
当气动阀和安全阀均来不及泄放氦气时,磁体内的氦压继续升高,当超过某一设定值时,爆破膜破裂,将氦气放入大厅中。
爆破膜的通经为DN25。
设置有安全阀的地方均有爆破膜。
低温液体将直接泄放到2个100m3的氦中压罐中。
为减少泄放置中压罐中的低压液体量,中压罐中维持3bar压力的氦气。
失超泄放阀受何控制?
1.失超信号,或2。
压力开关信号,还是两者都要?
如何确保安全可靠性,又要减少重新励磁的时间?
纵场是稳态场,且电感较大,储能较大。
纵场采用两级保护,分小失超和大失超,具体方案如下:
1:
大失超需要同时满足两个条件:
纵场电流大于某个门槛,同时发生失超。
此时通过控制打开气动阀将超导磁体中的氦泄放至中压罐中。
2:
小失超时,即纵场电流低于某个门槛时发生失超,考虑到超导磁体的电流比较小,低温系统基本上维持稳定运行,这时候气动阀就无需打开。
当纵场电流大于某个门槛时,(此门槛由低温提出),第一级结点闭合;同时纵场又失超后,
第二级结点也闭合,此时由低温系统控制将气动阀打开。
当纵场电流低于某个门槛时,(此门槛由低温提出),第一级结点打开;纵场失超后,
虽然第二级结点闭合,但此时气动阀不会打开。
极向场是非稳态的,考虑到放电初期,极向场加入时间不会太长,当极向场失超时暂不考虑打开气动泄压阀。
一个极向场线圈失超,必须全部采取失超保护泄能。
失超后如何保护氦循环泵?
十一、故障态及安全保护:
1
控制系统UPS的供电电源断电
低温系统只能维持30min;
要求纵场和极向场磁体慢速退磁(人)
2
低温控制系统UPS故障断电
低温系统全部停机;
要求纵场和极向场磁体快速退磁(人)
3
纵场绕组氦循环泵突然停机
纵场绕组没有氦流;
要求纵场磁体快速退磁(DCS)
4
纵场线圈盒氦循环泵突然停机
要求纵场磁体慢速退磁(DCS)
5
透平T1、T2、T3三台透平任一停机
要求极向场磁体退磁;要求纵场磁体慢速退磁(人)
6
压缩机故障停机
要求极向场磁体退磁;要求纵场磁体慢速退磁(人)
7
若低温系统制冷机真空破坏
要求纵场磁体慢速退磁;要求极向场磁体退磁(人)
8
若制冷机堵塞
要求纵场磁体慢速退磁;要求极向场磁体退磁(人)
制冷机开始重新吹除;
9
若低温控制阀门发生故障
判断决定磁体是否退磁(人)
10
若分配阀箱真空、电流引线箱真空、外杜瓦真空破坏
要求磁体退磁,并停低温系统
11
若发生管道泄漏氦气
要求退磁和低温系统停机
12
低压压力高于1.5bar(绝压)
打开回气柜的控制阀。
确保电流引线和10000L液氦杜瓦的安全。
●压缩机系统
1.单台低压机保护停机条件:
TI1L03>100℃(低压机排气温度超高位)或TI1L41>70℃(低压机油温超高位)或PI1L02>7bar(低压机排气压力超高位)或PI1L41<3.6bar(低压机油压超低位)。
这里L=1、2、3、6。
2.单台高压机保护停机条件:
TI1H03>130℃(高压机排气温度超高位)或TI1H41>70℃(高压机油温超高位)或PI1H02>23.5bar(高压机排气压力超高位)或PI1H41<4bar(高压机油压超低位)。
这里H=4、5、7。
3.冷却水压力超低位保护:
PI1000<1.5bar时强停所有压机;1.5bar 4.气柜保护: LI7400>14且PI1100<1.5bar关闭V7401。 5.低压压力保护: 当低压压缩机进口PI1100>1.5bar时,阀门V1100打开。 ●透平膨胀机的联锁保护: (SI2224orSI2234)超高高位或(PI2512orPI2522)或压力(MH14orMH20)超低低位则关闭Turbine1的进气电磁阀V2221D; SI2244超高高位或压力PI2532或MH27超低低位则关闭Turbine3的进气电磁阀V2241D; SI2324超高高位或压力PI2542或MH7超低低位则关闭Turbine4的进气电磁阀V2321D; ●10000L液氦杜瓦的保护 与10000L液氦杜瓦相连的自动控制阀门有V3212,V3133,V3136,V4115,V4116五个阀门。 1.V3231: 当10000L液氦杜瓦内压力PICA4101>1.5bar(绝压)时,V3231须全关。 若本来是关的,则不允许打开。 2.V3133: 制冷机低压压力PI2101>1.5bar(绝压)时,V3133须全关。 若本来是关的,则不允许打开。 3.V3136: 当压力PI2173>1.5bar(绝压)时,V3136须全关。 若本来是关的,则不允许打开。 4.V4115: 当分配阀箱液氦槽内压力PI5100>1.5bar(绝压)时,V4115须全关。 若本来是关的,则不允许打开。 5.V4116: 当阀门V3133和V3136同时关的时候,V4116须全开。 其它情况下关闭。 ●液氦槽内的压力PICA4101>1.5bar(绝压)时要高位报警。 若超压可人为打开阀门V4110。 液氦槽内的液面LI4101>95%时要高位报警,低于10%要低位报警。 液氮槽液位LI2431>90%时高位报警,关闭液氮进口阀V2430至10%,保证氮路是通的。 若超压可人为打开阀门V2414。 油环泵停机时要求及时关V2005阀,确保油不返回进入冷箱。 十一、装置回温 按降温的逆过程进行,用2kW制冷机给磁体供热氦气回温。
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