EAST低溫系統(tǒng)氦壓縮機(jī)站建模與故障態(tài)模擬

余 強(qiáng) ，周芷偉 ，胡良兵 ，莊 明 ，陸小飛

（1.中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所，合肥 230031；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230026）

EAST裝置是我國(guó)自主設(shè)計(jì)研制的世界上首臺(tái)全超導(dǎo)托卡馬克核聚變裝置，其配備的2 kW@4.5 K氦低溫系統(tǒng)是重要子系統(tǒng)之一，負(fù)責(zé)超導(dǎo)磁體以及相關(guān)部件的冷卻[1]。EAST低溫系統(tǒng)由壓縮機(jī)站、氦制冷機(jī)和低溫分配系統(tǒng)3部分組成，壓縮機(jī)是制冷系統(tǒng)中重要的動(dòng)力設(shè)備，為氦制冷機(jī)提供高壓高純氦氣，升級(jí)后的EAST低溫系統(tǒng)壓縮機(jī)組由兩套大型螺桿壓縮機(jī)并聯(lián)構(gòu)成，總出口流量達(dá)到370 g/s[2]。

大型壓縮機(jī)站運(yùn)行過程復(fù)雜，直接利用裝置進(jìn)行控制程序調(diào)試成本高，若在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行故障實(shí)驗(yàn)還可能對(duì)設(shè)備造成損傷，因此給故障態(tài)研究造成困難。借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)仿真在解決上述問題時(shí)具有巨大優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外的一些研究機(jī)構(gòu)如歐洲的CERN、日本的NIFS以及國(guó)內(nèi)的哈工大，分別針對(duì)大型物理實(shí)驗(yàn)裝置LHC、LHD和BEPCII的低溫系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬研究[3]，但主要集中在降溫過程模擬、控制程序與流程的優(yōu)化等方面，而對(duì)故障態(tài)的模擬和應(yīng)急控制策略研究較少。

本文利用過程模擬軟件建立EAST低溫系統(tǒng)壓縮機(jī)站及其控制系統(tǒng)模型，進(jìn)行過程與故障動(dòng)態(tài)模擬，研究緊急故障態(tài)下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，基于模型設(shè)計(jì)故障監(jiān)測(cè)與處理模塊并進(jìn)行了模擬驗(yàn)證。

1 EAST低溫系統(tǒng)氦壓縮機(jī)站

壓縮機(jī)站將制冷機(jī)流回的低壓與中壓氦氣壓縮為高壓氦氣送入冷箱，其流程如圖1所示。主壓縮機(jī)組為2臺(tái)壓縮機(jī)并聯(lián)，每臺(tái)壓縮機(jī)由低壓與高壓兩級(jí)串聯(lián)構(gòu)成，兩級(jí)壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)見表1。壓縮機(jī)站最重要的控制目標(biāo)是維持三級(jí)壓力LP、MP和HP的穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)時(shí)三級(jí)壓力的設(shè)定值分別為1.04 bar、5.1 bar、20 bar[4]。壓縮機(jī)站控制系統(tǒng)主要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是各級(jí)壓縮機(jī)的能量滑閥與控制閥門，包括各級(jí)壓力之間的旁通閥、與中壓筒相連的收氣閥和補(bǔ)氣閥等，這些閥門與壓力變送器、控制器構(gòu)成控制回路，執(zhí)行相應(yīng)的控制邏輯。

能量滑閥和旁通閥主要進(jìn)行三級(jí)壓力之間的內(nèi)部調(diào)節(jié)，中壓筒作為儲(chǔ)氣設(shè)備，起到平衡低溫系統(tǒng)內(nèi)氦氣量的作用，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)氦氣量不足時(shí)通過V1810向系統(tǒng)補(bǔ)氣，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)氦氣量過多時(shí)通過V1840和V1842從系統(tǒng)收氣[5]。回收系統(tǒng)主要由懸浮式氣柜和回收壓機(jī)組成，主要起低壓超高保護(hù)作用。壓縮機(jī)高壓級(jí)入口壓力要求在3～4.2 bar之間，在連接制冷機(jī)冷屏與高壓級(jí)入口的管道上需要加入V1772進(jìn)行節(jié)流，從而控制冷箱側(cè)回流的MP跟蹤設(shè)定值5.1 bar，而高壓級(jí)入口壓力則通過高壓級(jí)壓縮機(jī)能量滑閥的增減載進(jìn)行調(diào)節(jié)。

EAST氦壓縮機(jī)站是過程復(fù)雜的多輸入多輸出（MIMO）被控系統(tǒng)，具有非線性、時(shí)變、多變量耦合、時(shí)滯的特點(diǎn)，難以建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。其控制系統(tǒng)需要兼顧維持各級(jí)壓力穩(wěn)定、連鎖保護(hù)、故障處理等多個(gè)目標(biāo)，控制回路眾多且相互影響，各子系統(tǒng)相互約束，是典型的多目標(biāo)決策過程。因此，想要進(jìn)行全局優(yōu)化和協(xié)調(diào)控制，需要獲得其動(dòng)態(tài)響應(yīng)，深入地了解系統(tǒng)特性。

圖1 EAST低溫系統(tǒng)壓縮機(jī)站示意Fig.1 Schematic of the compressor station of EAST cryogenic system

表1 壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)Tab.1 Operating parameters of compressors

2 基于EcosimPro的壓縮機(jī)站過程模型

2.1 過程模擬軟件EcosimPro

EcosimPro是針對(duì)連續(xù)和離散系統(tǒng)的建模仿真軟件，通過建立微分-代數(shù)方程（DAE）描述部件與系統(tǒng)模型，集成了控制、電氣、熱能等專業(yè)部件庫，同時(shí)用戶可以基于面向?qū)ο蠓椒ㄗ远x部件[6]。EcosimPro具有2種建模方式，一是運(yùn)用其仿真語言EL，編寫部件和實(shí)驗(yàn)代碼；二是提供了圖形界面工具，通過部件組合連接可以創(chuàng)建多學(xué)科耦合的系統(tǒng)模型[7]。EcosimPro部件代碼的可繼承性與易擴(kuò)展性為用戶提供了便捷的建模方式。

2.2 低溫部件模型

歐洲核子中心（CERN）的低溫研究人員合作開發(fā)出的低溫部件庫CRYOLIB提供了豐富的低溫系統(tǒng)部件，分為容性部件、感性部件、混合性部件三類[8]。容性部件具有恒定的內(nèi)部體積，根據(jù)質(zhì)量守恒與能量守恒方程構(gòu)建熱力學(xué)模型：

式中：M為容積內(nèi)流體質(zhì)量；min為入口質(zhì)量流量；mout為出口質(zhì)量流量；u為流體內(nèi)能；hin為入口焓值；hout為出口焓值；Qi為外界與流體之間不同方式的交換熱。典型的容性部件有管道、氣罐、相分離器等。感性部件沒有內(nèi)部容積，出入口的質(zhì)量流量相等且由出入口的壓差決定，閥門是典型的感性部件，流體通過閥門是一個(gè)絕熱過程，焓值保持不變，式（3）用來計(jì)算等百分比開度類型的調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)：

式中：CVmax是100%開度下的流量系數(shù)；R是閥門開度范圍；v是閥門百分比開度值。通過閥門的質(zhì)量流量由式（4）所示的微分方程計(jì)算：

式中：Y是可膨脹性系數(shù)；ρ為流體密度；ΔP為壓差。

混合性部件由容性與感性部件組合構(gòu)成，壓縮機(jī)是具有混合屬性的拓?fù)浣M件，其進(jìn)出端口為感性部件，同時(shí)具有內(nèi)部體積。CRYOLIB提供的壓縮機(jī)部件Ideal_Compressor具有4個(gè)端口，分別是流體通道入口和出口，執(zhí)行開始命令的布爾變量端口start以及給定能量滑閥位置的模擬量端口CV120。滑閥位置為100%時(shí)流經(jīng)Ideal_Compressor的體積流量為常數(shù)，需要根據(jù)實(shí)際給定，質(zhì)量流量則由式（5）計(jì)算：

式中： fvol為體積流量；CV120，signal［1］是能量滑閥位置百分比信號(hào)。模型忽略壓縮過程的熱損失，滿足能量守恒方程：

式中：Wfluid是壓縮機(jī)所做的機(jī)械功。除此之外，還需要在屬性編輯器中給出直徑、壁厚、初始溫度和壓力等參數(shù)，模型根據(jù)這些參數(shù)和方程計(jì)算壓縮過程中流體的壓力、密度、焓等變量的值。

2.3 壓縮機(jī)站及其控制系統(tǒng)建模

在EcosimPro中建立壓縮機(jī)站模型，首先從CRYOLIB選擇2個(gè)Ideal_Compressor作為低壓級(jí)和高壓級(jí)壓縮機(jī)串聯(lián)構(gòu)成實(shí)際系統(tǒng)中集成為一體的單臺(tái)螺桿壓縮機(jī)模型，Gas_tank代替中壓筒與懸浮式氣柜，Pipe作為管道，Valve作為各調(diào)節(jié)閥門，WorkingFluid定義流體介質(zhì)的類型。

構(gòu)建控制系統(tǒng)時(shí)，分別以LP，MP及HP過程為被控對(duì)象，將多輸入多輸出壓縮機(jī)站控制系統(tǒng)分解為多輸入單輸出的子系統(tǒng)，進(jìn)一步地為各執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)單回路控制，采用PID控制算法，各控制回路的構(gòu)成見表2。結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)的控制要求，部分控制器需要加入專家規(guī)則，動(dòng)態(tài)調(diào)整PID參數(shù)和設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)順序邏輯和事件調(diào)度控制，滿足壓縮機(jī)站系統(tǒng)在不同狀態(tài)下的自動(dòng)運(yùn)行。

表2 壓縮機(jī)站模型PID控制回路構(gòu)成Tab.2 Composition of PID control loops of the compressor station model

從PLC庫中選擇控制部件，對(duì)于庫中沒有的復(fù)雜控制模塊需要二次開發(fā)。一是基于控制邏輯，利用已有部件組合連接，再封裝成新的部件，包括低壓級(jí)能量滑閥控制器與中壓控制器。低壓級(jí)能量滑閥控制器輸出滑閥開度控制量，具有自動(dòng)和手動(dòng)2種工作模式，自動(dòng)模式下，低壓級(jí)壓縮機(jī)滑閥的增減載受V1775的開度控制，開度小于20%時(shí)控制增載，開度大于80%時(shí)控制減載，增減載的速度可在相應(yīng)的輸入端口給定。中壓控制器控制閥V1117、V1770、V1772的開度，實(shí)現(xiàn)互鎖的逆向分程控制，V1770受PID反作用，V1772受PID正作用，只有當(dāng)其中一個(gè)閥門關(guān)閉時(shí)，另一個(gè)閥門才能啟動(dòng)工作。V1117作為保護(hù)閥，當(dāng)中壓高于上限值時(shí)，控制其打開向低壓路泄壓。二是基于EL語言編輯部件代碼，針對(duì)系統(tǒng)的補(bǔ)氣開發(fā)了補(bǔ)氣控制模塊，實(shí)時(shí)檢測(cè)高壓級(jí)入口壓力與HP判斷系統(tǒng)是否需要補(bǔ)氣，當(dāng)HP小于19.98 bar且高壓級(jí)入口壓力小于3.2 bar時(shí)，提高補(bǔ)氣閥V1810控制器的設(shè)定值為1.06 bar，控制V1810快速打開，通過抬升低壓壓力LP給系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)氣。

確定部件后將相對(duì)應(yīng)的部件端口連接起來，圖2給出了EcosimPro中所建的EAST壓縮機(jī)站模型，然后依據(jù)實(shí)際系統(tǒng)數(shù)據(jù)確定部件參數(shù)，再編譯并選定邊界變量生成數(shù)值計(jì)算模型。

圖2 基于EcosimPro建立的壓縮機(jī)站模型Fig.2 Model of the compressor station in EcosimPro

3 故障模擬與應(yīng)急控制策略設(shè)計(jì)

3.1 故障過程模擬與動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

完成壓縮機(jī)站建模后，基于EL語言設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)程序模擬壓縮機(jī)站的啟動(dòng)和故障停機(jī)過程。100 s時(shí)，C9壓縮機(jī)啟動(dòng)，先控制高壓級(jí)壓縮機(jī)能量滑閥增載，低壓級(jí)壓縮機(jī)能量滑閥控制器處于自動(dòng)模式，跟隨高壓級(jí)而增載，經(jīng)120 s高壓級(jí)壓縮機(jī)滿載。為防止滑閥反復(fù)波動(dòng)，待兩級(jí)壓縮機(jī)均增至滿載，將其低壓級(jí)能量滑閥控制切換為手動(dòng)模式，維持滿載狀態(tài)，而高壓級(jí)能量滑閥開始受PID控制調(diào)節(jié)C9高壓級(jí)入口壓力。1180 s時(shí)啟動(dòng)另一臺(tái)壓縮機(jī)C8，啟動(dòng)方式和C9相同。待系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，2200 s時(shí)模擬C9故障停機(jī)，經(jīng)12 s流經(jīng)C9的流量減為0，3000 s時(shí)模擬結(jié)束，整個(gè)過程流經(jīng)高壓級(jí)壓縮機(jī)的流量如圖3所示。

圖3 壓縮機(jī)流量變化Fig.3 Mass flow rate within the compressors

圖4 曲線顯示了三級(jí)壓力的變化，由于緊急停機(jī)，C9流量迅速減小至0，而負(fù)載回氣經(jīng)過冷箱，具有較長(zhǎng)的延遲，低壓路與中壓路流量不能很快降低，因此會(huì)造成LP與MP升高。而高壓路為負(fù)載供氣流量隨C9停機(jī)迅速減小，同時(shí)由于LP和MP上升，一是造成C8兩級(jí)入口壓力增大使C8出口流量增加，二是高壓路至低壓路與中壓路的旁通閥會(huì)迅速關(guān)閉，造成高壓路流量累積使HP短暫上升。經(jīng)調(diào)節(jié)，三級(jí)壓力均能重新跟蹤設(shè)定值。表3給出了控制系統(tǒng)在啟動(dòng)過程的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)、故障過程的抗干擾性能指標(biāo)以及穩(wěn)態(tài)誤差，其快速性與抗干擾性能均滿足實(shí)際系統(tǒng)的要求。

圖4 三級(jí)壓力模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of three stages pressure

表3 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)Tab.3 Performance index of the control system

3.2 應(yīng)急控制策略設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證

實(shí)際系統(tǒng)停機(jī)時(shí)會(huì)造成壓縮機(jī)高壓級(jí)入口壓力升高，這與圖5所示的模擬結(jié)果相符，通過分析響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，是因?yàn)镃9緊急停機(jī)造成MP升高，而V1772作為MP的調(diào)節(jié)閥會(huì)增大開度，中壓路流入壓縮機(jī)高壓級(jí)入口的流量增大，而此時(shí)C9由于停機(jī)使得氦氣在高壓級(jí)入口處累積造成壓力升高。對(duì)于C8，如果故障造成MP過高而C8高壓級(jí)增載滯后或已經(jīng)滿載，有可能使高壓級(jí)入口壓力超過7 bar保護(hù)值，這種情況下C8保護(hù)停機(jī)，進(jìn)而給系統(tǒng)造成更大的影響。另外，壓縮機(jī)的保護(hù)停機(jī)由程序執(zhí)行，停機(jī)同時(shí)自動(dòng)關(guān)閉油泵，高壓級(jí)入口處的高壓氦氣進(jìn)入腔內(nèi)推動(dòng)轉(zhuǎn)子干磨給機(jī)械部件造成損傷。

根據(jù)分析響應(yīng)設(shè)計(jì)應(yīng)急控制策略，在中壓控制器加入故障監(jiān)測(cè)與處理模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)高壓級(jí)入口壓力及其變化率，只要其中一個(gè)變量超過上限值則判斷發(fā)生停機(jī)故障，此時(shí)立即關(guān)閉V1770與V1772，并降低V1117的設(shè)定值使其迅速增大開度進(jìn)行泄壓，將MP與壓縮機(jī)入口處壓力都控制在合理范圍內(nèi)，圖6為改進(jìn)的中壓控制器。故障發(fā)生時(shí)應(yīng)急控制策略對(duì)于高壓級(jí)入口壓力調(diào)節(jié)的模擬結(jié)果如圖7所示，C9高壓級(jí)入口壓力維持在6 bar以內(nèi)，C8高壓級(jí)入口壓力經(jīng)較小波動(dòng)后恢復(fù)正常。圖8給出了V1117、V1770、V1772的開度變化曲線，表明故障發(fā)生時(shí)受到控制器調(diào)節(jié)能夠快速響應(yīng)，有效避免了壓力進(jìn)一步升高。

圖5 故障停機(jī)造成高壓級(jí)入口壓力升高Fig.5 Fault make the suction pressure of HP stage rise

圖7 應(yīng)急控制策略模擬結(jié)果Fig.7 Simulation results of the emergency control strategies

圖8 MP_Controller控制的閥門開度變化Fig.8 Opening of the valves controlled by MP_Controller

4 結(jié)語

利用過程模擬軟件EcosimPro建立的EAST低溫系統(tǒng)壓縮機(jī)站模型能夠模擬實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并取得了良好的控制效果。通過模擬緊急停機(jī)故障并分析由此造成壓縮機(jī)高壓級(jí)入口壓力升高的原因，基于模型設(shè)計(jì)了應(yīng)急控制策略，仿真結(jié)果表明該策略調(diào)節(jié)有效，起到了壓力超限保護(hù)作用，將應(yīng)用于EAST低溫系統(tǒng)DCS控制程序的優(yōu)化。

圖6 改進(jìn)的中壓控制器Fig.6 Improved MP_Controller

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