中國散裂中子源低溫系統的氫降溫優化研究

何崇超 葉 斌 * 李 娜 王雅瓊 丁美瑩 何 昆

(1 中國科學院高能物理研究所 北京 100049)

(2 散裂中子源科學中心 東莞 523803)

1 CSNS 低溫系統介紹

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

CSNS 低溫系統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%),并保證慢化器內平均溫度低于20 K,且慢化器進出口溫差小于3 K[3]。CSNS 低溫系統主要由氦制冷系統、氫循環系統以及氫安全系統組成。其中,氦制冷系統通過氦氣的逆布雷頓循環實現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,主要設備包括螺桿壓縮機、油分離器、制冷機冷箱及氦氣緩沖罐等[4]。氫循環系統是一個閉式循環,主要設備包括氫-氦換熱器、壓力緩沖器、氫循環泵、正-仲氫轉化器以及低溫傳輸管線等。換熱器、加熱器、氫循環泵和正仲氫轉化器(簡稱OPC)都放置于密閉的氫循環冷箱中,壓力緩沖器為便于維修和更換,單獨放置在壓力緩沖器冷箱中[5-6]。圖1 為CSNS低溫系統的流程簡圖。

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

2 降溫過程中的異常現象分析

CSNS 低溫系統在降溫調試和后來的每一次運行的降溫時,降溫初期制冷機出口溫度迅速下降(6 小時即從300 K 降溫至20 K),而氫循環系統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 能與氦側溫度保持一致的降溫速度,其余測點的溫度,尤其是正仲氫轉換器入口溫度TI4104 和出口溫度TI4105 基本還在290 K 附近。由于氫循環系統各處的降溫速度嚴重不均勻,導致換熱器出口出現液氫的時候,正仲氫轉換器入口和出口溫度還很高,當液氫通過循環到達慢化器或正仲氫轉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,觸發了控制保護邏輯放氣,導致了冷氫氣的釋放,不僅損失了冷量還浪費了氫氣,氫循環的溫度也因此反復波動,降溫無法持續下去。因此,在每一次降溫的時候,為了避免了液氫的過早出現,不得不在TI4101 接近35 K 時進行手動關閉制冷機的非常規操作。但是手動關閉制冷機和再次啟動的時機需要把握好,否則氫循環系統因為失去冷源溫度會逐漸升高,時間太久導致壓力的升高而放氣。上述異常現象,不僅出現在氫的三輪降溫調試實驗中,也出現在2017—2018 年的每一次運行開始前的降溫中。圖2 是其中一次運行降溫時的降溫曲線圖,可以明顯看到,當換熱器出口溫度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,每一次的溫度反復均造成了氫循環系統壓力PI4141 的較大波動。

圖2 降溫優化前的降溫曲線圖(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,一直致力于氫循環系統降溫優化實驗的研究,以控制氫循環系統的降溫速度,減少降溫過程中的壓力波動和溫度反復,實現降溫過程的穩定、可控。

3 低溫系統的氫降溫優化過程

低溫系統的降溫優化分為兩個階段:第1 個階段,從300 K 至34 K 的降溫優化。在這個階段,氫還未進入超臨界狀態,沒有出現密度的急劇變化,因此,通過制冷機控制軟件的升級,控制制冷機出口溫度來控制氫的降溫速率,比較好地實現了氫循環的平穩降溫。第2 階段,從34 K 至最終運行溫度16 K 的降溫優化。這個階段,尤其是34 K 降溫至32 K 時,氫會從氣態向超臨界態轉變,氫的密度會出現急劇的增大,導致降溫過程中出現劇烈的壓力波動和溫度反復,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轉變,保障降溫過程的平順、穩定。

3.1 300 K 至34 K 的降溫優化

2018 年夏季檢修,CSNS 低溫系統對制冷機控制軟件進行了升級,升級后制冷機的控制界面增加了幾個關鍵變量參數,可以通過設置透平入口閥Cv3130、換熱器旁通閥Cv3175 及旁通加熱器R3175 等參數,來控制制冷機出口的氦氣溫度TI3171 和降溫速度,見圖3。如果點擊制冷機出口溫度的控制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、目標溫度及在這個目標溫度的維持時間均可自行設置。這些目標的實現,需要手動設置閥門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,以保障冷量過剩或不足時閥門有充足的調節余量[7]。

圖3 制冷機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,完成了制冷機控制軟件的升級后,于8 月30 日進行了首次降溫。首先設定了各階段的降溫速率、制冷機出口溫度、制冷機旁通閥和加熱器等參數。日本散裂中子源JSNS 氫循環系統的降溫調試時,通過制冷機的加熱器在50 K 維持6 小時后,再繼續降溫,從而順利平緩地通過了34 K 的超臨界溫度[7]。因此,CSNS 低溫系統借鑒了其成功經驗,設置cooldown1=50 K 并在50 K 穩定2 小時后,再進入cooldown2 階段,降溫速率由50 K/h 降低為10 K/h,使氫循環系統各處的溫度都整體下降,避免出現溫差過大而導致壓力的波動。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化,當時采取改變cooldown2 的溫度目標值的方式,將目標值逐漸從34 K 下降到28 K 以下。在降溫至34 K 以下時,流量出現了明顯的下降,在溫度降至31 K附近時,出現了較大的壓力和溫度波動。隨后,氫循環系統經歷了較長的溫度反復過程,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,制冷機開始進入cooldown3 階段,隨后溫度逐漸下降到目標值16 K,同時氫循環系統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順利的,未出現壓力的波動和溫度的反復,也沒有出現放氣現象。

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,進行了制冷機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,設定了一樣的降溫速率、制冷機出口溫度和制冷機旁通閥開度等參數,降溫過程和結果也非常一致。同樣,氫循環系統在300 K 至34 K 以上的降溫過程非常穩定,無明顯壓力波動和溫度反復,也無一次放氣。但是在降溫至34 K 以下,開始出現明顯的壓力波動和溫度反復,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 的降溫優化

氦制冷機控制軟件升級以后,CSNS 低溫系統一共進行了5 次降溫,其中前兩次降溫上面已經介紹過了,隨后又分別在2019 年11 月、2020 年1 月、2020年2 月進行了3 次降溫,5 次降溫在300—34 K 均平穩可控,但是降溫至34 K 以下時,都出現了壓力波動和放氣,尤其是2020 年2 月的那次降溫還因為壓力上升太快觸發了聯鎖泄壓,導致了降溫失敗。由此可見制冷機控制軟件升級雖然能夠很好地控制氫循環的降溫速率,也實現了300 K 至34 K 的平穩降溫,但是34 K 至16 K 的降溫優化至關重要,否則將影響整個降溫的穩定性乃至順利完成。CSNS 氫循環系統是國內首個超臨界氫的閉式循環系統,降溫過程的控制沒有成熟的經驗可以借鑒,而制冷機出口溫度TI3171、透平入口閥CV3130、制冷機旁通閥Cv3175及加熱器R3175 等參數的開放性設置,也給控制邏輯的設計帶來很多困難。因此,只能靠不斷的實驗來摸索出最優的降溫控制邏輯。

表1 分別對這5 次降溫過程中的控制邏輯、降溫時間、流量及結果進行的總結。

表1 制冷機控制軟件升級后的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 以下的控制邏輯進行了改變,不再以制冷機出口溫度為控制目標,而是以氫循環系統的補氣速率為控制目標。降溫速率設定1 K/h,TI3171 先設定34 K 不變,控制每小時補氣速率8—10 次。主要包括:(1)降溫開始即將氫循環的旁通閥CV4201 打開2%。可以增大氫循環主路的流量,減緩兩條低溫管線的降溫速率,縮小氫循環的整體溫差。(2)通過制冷機旁通閥CV3175、加熱器R3175 和制冷機出口溫度TI3171的設置來維持氫循環的補氣頻率。具體設置如下:當補氣間隔時間變長時,首先通過減小R3175(幅度1%) 來維持補氣頻率,待R3175 關至0 后再關Cv3175 至0(幅度1%)。TI3171 設計值跟隨實際值進行調低,保持設計值與實際值的差值在0.5 K 以內。(3)透平入口閥逐漸從60% 提高到66% 后,根據透平水溫情況再提高,幅度1%。2020 年2 月25日進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,降溫過程平穩可控,氫循環系統各處的溫度整體保持一致,在很長的一段時間內均維持在34—36 K,為整體通過超臨界溫度打下了牢固的基礎。進入34 K 以下溫度后,氫循環系統沒有出現任何的壓力波動和溫度反復,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行了兩次降溫,獲得了與第1 次一致的結果。這兩次降溫均是過程平緩且順利,無壓力波動和溫度反復,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的控制邏輯進行降溫能夠獲得一致的過程和結果,控制邏輯的優化是完全成功的。可喜的是,最后一次降溫因為正仲氫轉換器的改造成功,大大提高了氫循環的流量,最終氫循環流量在250 Hz 下為1.32 L/s,超過了設計指標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 結論

CSNS 低溫系統的氫降溫調試雖然成功了,但在制冷機控制軟件升級前,降溫屬于完全不可控的狀態。這個階段降溫速率不能控制,氫循環的溫度和壓力波動大,需要進行降頻和開旁通的緊急操作,甚至手動關閉制冷機才能順利完成降溫。制冷機控制軟件升級后,可以通過制冷機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,使氫循環的溫度和壓力波動明顯減緩,不需要再中途關閉制冷機,在300 K 至34 K 的降溫過程實現了可控。2019年暑期后,重點優化了34 K 至16 K 的降溫過程,采用新的控制策略,使氫平穩地進入超臨界態,全程無壓力波動和溫度反復,無一次放氣,實現了整個降溫過程的完全平穩、可控。之后,CSNS 低溫系統采用一樣的控制邏輯又進行了多次降溫,每次降溫的過程都是可控的,結果都是一致的,沒有再出現壓力波動和放氣的現象,說明CSNS 低溫系統的氫降溫優化研究非常成功的。