基于質量守恒法的氦泄漏監測方法

陸小飛 周芷偉 莊 明 吳克平

(中國科學院等離子體物理研究所低溫工程與技術研究室 合肥 230031)

1 引言

全超導托卡馬克(EAST)氦低溫系統是由中國科學院等離子體物理研究所自主設計研制的，為超導磁體和EAST裝置其它冷質部件提供所需的冷量，是等離子體物理實驗進入超導狀態的保障。EAST裝置運行一次一般數月甚至更長時間，因此需要氦低溫系統能長時間穩定運行［1］。然而，每輪實驗中都會因系統故障存在不同程度的氦氣泄漏。氦泄漏將導致制低溫系統不斷補氣，補進系統中的氦氣因含有雜質而導致制冷機堵塞，因此需要頻繁的更換處理純化器，這將增加運行及人員管理費用。而且在更換處理純化器的過程中也會增加氦氣損耗。同時，氦氣泄漏使得制冷機系統需要更多更大的儲氣設備，導致系統造價的提升［2］。中國氦氣目前主要依賴于美國進口，隨著氦氣價格的不斷攀升，進行系統氦泄漏監測的研究，及時發現或預防氦泄漏對低溫系統的穩定運行和降低運行成本都是非常有必要的。

泄漏監測技術是多學科知識的綜合，監測手段差別很大。根據檢測過程中所使用的測量手段不同，分為基于硬件和軟件的方法。基于硬件的方法主要有人工巡檢法、便攜式儀器儀表、鋪設高聚物電纜、管內檢測器等。基于軟件的方法則是根據計算機數據采集系統實時采集流量、壓力、溫度及其他數據，利用流量或壓力的變化、物料或動量平衡、系統動態模型、壓力梯度等原理，通過軟件計算對泄漏進行檢測［3－4］。本文在分析了低溫系統氦泄漏途徑的基礎上，采用基于質量守恒法的軟件方法進行氦泄漏監測。

2 EAST氦低溫系統

2.1 EAST氦低溫系統介紹

根據EAST裝置的熱負荷分析，制冷系統主要制冷循環要求的設計制冷量約為2 kW/4 K，其基本的設計制冷量為1 050 W/3.5 K+200 W/4.5 K+13 g/sLHe+(13—25)kW/80 K，采用氦作為制冷劑，氦制冷機的設計當量超過2 kW/4 K。EAST氦低溫系統流程如圖1所示，可以分為:壓縮機站(包括除油系統、干燥系統)、制冷機冷箱、分配閥箱、EAST裝置以及氦儲氣系統，共5個部分。4臺低壓機和3臺高壓機能提供超過400 g/s的20×105Pa氦流，氦流經過水冷卻器和四級油分離器，再經過活性炭干燥器和分子篩干燥器，進入制冷機冷箱。氦流在制冷機冷箱內通過液氮預冷、4個活性炭內吸附器，再經過3臺透平膨脹機多級膨脹，然后到分配閥箱內節流生產液氦，分配閥箱內有1 000 L的液氦槽、1 000 L的過冷槽，以及2臺氦循環泵，最后進入EAST裝置，為裝置冷質部件提供充裕的冷量，保證超導磁體能夠進入超導態。低溫系統配備工作壓力20×105Pa儲氣罐共8個，其中6個100 m3的中壓筒，2個50 m3的失超儲氣筒。此外，還有一個100 m3浮筒式氣柜，用于回收氦氣。

圖1 氦低溫系統流程圖Fig.1 Flow chart of helium cryogenic system

2.2 EAST氦低溫系統泄漏現狀

低溫制冷機從建造到運行的各個階段都考慮如何減小和防止氦泄漏的產生。在設計系統選擇設備時，在考慮造價以及滿足使用性能的同時，選擇氦泄漏小的。在制冷機系統的建造安裝時，制定嚴格的檢漏規范，使用氦質譜檢漏儀，對每條焊縫和每個法蘭都需要檢漏，不能發生漏檢。系統安裝結束時，對系統分段打壓，分段檢漏，發現泄漏點逐個解決。最后，將制冷機運轉起來，測定系統總漏率，滿足設計指標。另外，在設備維修時，每次維修結束后，要對維修的地方進行檢漏［5］。通過EAST多年的檢漏實踐，歸納了低溫系統常見氦泄漏發生的途徑，如圖2所示。目前，在系統運行階段的監測手段主要采用定期的人工巡視和中壓筒的壓力統計，不能及時發現泄漏，而且需要工作人員手工計算。

圖2 氦泄漏途徑Fig.2 Paths of helium leakage

3 氦泄漏監測的設計

3.1 監測原理

整個低溫系統的氦流是一個封閉式的循環系統，系統中的氦氣在各個部分的儲氣量是動態的，但總量是一定的，而且系統運行未利用的儲氣罐的氦氣量也是一定的。因此，本文采用質量守恒法進行氦泄漏監測。

式中:ρ為氦氣或液氦的密度;v為儲氦容器的體積;m為系統管道和EAST裝置中的氦氣質量。

氦氣總質量是一定的，當無泄漏時，M是一定的;當發生泄漏時，變小，ΔM即為泄漏量。該方法原理簡單，易于實現，但它的假設前提是管道處于穩態工況，EAST裝置氣量為常量。

系統進入4.5 K穩態運行階段后，氦氣在整個系統中循環。氦氣遍布在儲氣系統(中壓筒、失超儲氣筒、浮筒式氣柜)、壓縮機站、制冷機冷箱、分配閥箱(液氦槽和過冷槽)、EAST裝置和系統管道中。由于系統在穩態運行階段，壓縮機與制冷機各壓力、溫度點基本維持不變，所以壓縮機和制冷機部分的容氣量基本保持不變，同時系統管道也是穩定的。此時中壓筒氦氣的消耗量主要體現在維持分配閥箱液氦槽液位上。如果裝置熱負荷不增加，即非物理實驗階段，系統處于穩態，不消耗液氦則中壓筒壓力不會下降;一旦放電，磁體熱負荷增加，需要消耗大量液氦，消耗的液氦變為氦回氣收回中壓筒，此時系統為維持液位穩定，壓機會進行補氣控制。所以系統處于一個動態調節的過程。

綜上可得，儲氣系統和分配閥箱中的氦氣總質量是一定的，其中未利用的儲氣筒氦氣質量也是一定的，所以實時監測各個儲氣筒中的氦氣質量和氦氣總質量，一旦發生異常變化時，建議進行泄漏查找。

3.2 氦泄漏監測實現

根據上述分析，為實現氦泄漏的監測，應對各個儲氣筒、液氦槽和過冷槽的氦氣質量進行監測。

3.2.1 各個儲氣筒氦氣質量計算

由于儲氣筒體積是一定的，只需得到氦氣的密度即可計算筒中的氦氣質量。氦氣的密度受氦氣壓力和溫度影響，需監測儲氣筒中的氦氣壓力和溫度，調用Hepak的查詢氦氣密度程序get Density(ByVal Pgas As Double，ByVal Tgas As Double)，求得氦氣密度。浮筒氣柜中的氦氣是處在標準大氣壓下的，通過氣柜的氣位高度可計算氦氣質量。

3.2.2 液氦槽和過冷槽氦氣質量計算

液氦槽和過冷槽中氦氣是以飽和液氦和飽和氦氣的形式共存的，需要分別計算質量。計算飽和液氦和飽和氦氣的質量，需要監測槽內的飽和液氦密度和液氦的體積，密度根據壓力可調用Hepak飽和液氦密度程序getsLDensity(ByVal Pgas As Double)獲取，體積可通過液氦槽中的液位獲取。飽和氦氣的密度根據壓力可調用Hepak飽和氦氣密度程序getsVDensity(ByVal Pgas As Double)獲取，飽和氦氣的體積是整個氦槽體積減去液氦的體積。

根據上述需求分析，列出相關參數測量點需求表，如表1所示。其中，2#—9#儲氣筒處在相同的室外環境中，實際溫度測量時共用一個溫度計。

表1 測量點需求表Table 1 List of measurement points requirement

4 氦泄漏監測的實現

4.1 監測系統整體結構

EAST低溫系統采用的是美國Emerson公司的DeltaV DCS(集散控制系統)，氦泄漏監測程序采用Visual Basic 6.0編程實現，通過OPC(OLE for Process Control)協議，獲取監測信號值，并將數據存儲在DeltaV的歷史數據庫中，可實現遠程監視、數據曲線查看等功能。

監測系統的總體框架如圖3所示，包括現場的壓力、溫度和液位等檢測儀表、控制柜I/O卡件、DCS歷史數據庫計算機和泄漏監測計算機。

圖3 監測系統體結構Fig.3 Structure of inspection system

I/O Card是DCS現場儀表與裝置控制層之間的橋梁。壓力和液位傳感器輸出4—20 mA的電流信號，直接接入控制柜模擬量輸入(AI)卡;溫度傳感器采用 Pt100，輸出電阻信號，接入電阻式溫度輸入(RTD)卡，再利用擬合公式計算溫度值。

4.2 監測系統界面

氦泄漏監測界面如圖4所示，界面給出了低溫系統氦循環的流程簡圖，可以顯示了氦儲氣罐中的氦氣壓力、液位、溫度等信號，并計算出每個部分的質量和氦氣總質量。在EAST裝置4.5 K穩定運行期間，因ESAT裝置熱負荷變化，氦氣總質量處于一個動態平衡狀態中，未利用的中壓筒、失超儲氣筒和氣柜氦氣質量保持不變。

圖4 氦泄漏監測界面Fig.4 Interface of helium leakage inspection

5 氦泄漏監測的運行

本輪實驗從2月7號正式開始，進入穩定狀態后各部分運行良好，氦氣總質量處于動態平衡中。動態平衡中的M上下值，取決于每天的放電次數和每次的放電時間，放電次數越多、每次放電時間越長，波動越大。根據近4個多月的運行情況來看，正常放電期間，波動峰值差在30—50 kg之間。根據實際系統中的故障發生和泄漏監測運行情況，取出2月28號到3月9號共10天的氦氣總質量的運行數據進行分析。

在3月3號09:15出現真空嚴重故障，低溫系統立即自動回收氦氣，監測的氦氣總質量迅速上升，如圖5的A點所示。在10:18左右達到最高值745 kg，遠超出了故障前正常的氦氣質量波動范圍。

故障發生后氦氣總質量的平均值，約為691 kg，明顯低于故障前的平均值，約為708 kg。如圖5的B點所示，表明系統存在氦氣泄漏問題，換算成標準大氣壓下的體積約為106 m3。經工作人員檢查，發現1#壓縮機的安全閥焊縫震裂，導致氦氣泄漏。及時發現了故障，避免了更大的氦泄漏。

6 總結

氦泄漏監測系統能實時監測系統各個儲氣罐的氦氣質量和氦氣的總質量，幫助發現故障導致的氦氣泄漏，及時提醒工作人員進行氦氣檢漏，減少了因人工監測不利造成的長時間氦氣泄漏，具有較好的實際應用價值。但目前的氦泄露監測程序僅適用于低溫系統的4.5 K穩態運行階段，對于降溫階段，由于壓縮機、制冷機各部分壓力、溫度點都在變化，各部分儲氣量無法確定，因此無法適用。下一步工作將利用系統各部分已有壓力監測點，監測壓力的變化率，結合系統運行狀態，研究泄漏點的定位。

圖5 氦氣總質量曲線圖Fig.5 Curve of helium summation mass

1 白紅宇.HT－7U超導托卡馬克氦制冷機系統熱力分析及設計研究［D］.合肥:中國科學院等離子體物理研究所，2002.

2 吳克平.EAST裝置低溫系統氦泄漏研究［J］.低溫與超導，2010，9(39):30－32.

3 張新年.天然氣管道泄漏檢測技術綜述［J］.內蒙古石油化工，2009，22:106－107.

4 毛海杰.天然氣長輸管道泄漏點的檢測與定位方法研究［D］.蘭州:蘭州理工大學，2004.

5 吳克平.EAST 2kW/4W氦制冷機檢漏及真空系統運行情況［J］.低溫與超導，2010，38(1):6－8.