周期性冲击对大型超导核聚变低温系统氦透平膨胀机影响研究

付 豹 张启勇 庄 明 朱 平 成安义

(中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031)

1 引言

能源危机随着全球经济的不断发展而日益凸现，化石能源的使用使得地球环境日益恶化，无污染、能量大、原料丰富的热核聚变能将有可能成为人类彻底解决能源问题和环境问题的优选方式［1-3］。当前，世界上聚变领域最大的国际性合作项目国际热核聚变实验堆计划ITER，要求低温系统氦制冷机的容量为65 kW/4.5 K+1 300 kW/80 K，将是世界上最大的氦低温系统之一(其核心设备是几台氦透平膨胀机)。由中国、欧洲、美国、日本、俄罗斯、韩国、印度等七方参与。ITER主要目标是建设一个能量增益大于10、重复脉冲大于500秒氘氚燃烧的托卡马克型聚变实验堆［4］。ITER计划的成功实施，将全面验证聚变能源开发利用的理论可行性和工程可行性，是人类受控热核聚变研究走向实用的关键一步。

磁约束是实现核聚变能源工业化的基本选择，而低温超导磁体是大型磁约束核聚变实验装置的唯一手段。20世纪50年代，前苏联科学家提出了一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形装置，称为“托卡马克”装置。经过半个世纪的努力，在托卡马克上产生聚变能的科学可行性已被证实，目前被公认为实现受控核聚变最有效的途径。其工作原理就是上万安培的电流通过环形线圈产生强磁场(几至十几特斯拉)约束氘氚等离子体，从而达到可以发生核聚变的条件。如此高的电流通过磁体，只有运用超导技术才能避免消耗大量的焦耳热和避免磁体因焦耳热而损坏。为了使磁体维持在超导状态，建造一个大型的氦低温系统是必不可少的。国际上主要超导核聚变装置如表1 所示［5-6］。

表1 国际上主要超导核聚变装置Table 1 Superconducting Tokamak device in the world

中国科学院等离子体物理研究所已建成的国家大科学工程项目EAST(experimental of advance superconducting Tokamak)超导托卡马克装置在建成时，是世界上第一个全超导托卡马克［7］。EAST低温系统是2005年6月建成，并一次整体联合调试成功。在第二次实验中成功获得等离子体。EAST装置已经进行8次降温实验，7次物理实验，第1次是整体系统调试。

2 超导核聚变装置深低温系统氦透平膨胀机受周期性冲击的机理分析

相对于其他氦低温系统的氦透平膨胀机(标准氦制冷机和氦液化器等拥有稳定工况的氦低温系统)，核聚变装置用氦透平膨胀机的运行面临更大的挑战。为了使超导磁体得到迅速有效的冷却，氦透平膨胀机出口会直接与磁体的容积空间相连，如图1所示，为此严格保证核聚变装置磁体的工作环境低温需求。然而，核聚变装置在实验期间，每“炮”(shot)放电时，会瞬间产生大量的热量。一方面超导磁体本身亟需氦透平膨胀机提供持续稳定的低温冷量以确保磁体安全有效工作;另一方面，磁体氦流通道内超临界氦吸热气化膨胀，引起低温系统的回气量大幅度增加，磁体容积内压力不断升高，使得与磁体容积相连的氦透平膨胀机出口压力升高，膨胀比下降，氦透平膨胀机转子转速急剧变化(30秒内急剧降速约10%并在接着的30秒内升速约10%)，导致氦透平膨胀机进出口温度升高，使得一段时间内(约60秒，装置每次放电周期约为600秒)低温系统工况产生较大波动。这样装置每放电一次氦透平膨胀机的运行工况就要被迫波动一次，不仅影响了低温系统的运行效率，而且使得核聚变低温系统的氦透平膨胀机不得不工作在反复的周期性扰动工况下，如图2所示，氦透平膨胀机的运行参数非常直观的显示了这一现象。由于这种“交流损耗”(AC Loss)现象的客观存在，使得对于核聚变低温系统的氦透平膨胀机的稳定性和变工况性能要求更高。因此，用于超导核聚变装置的氦透平膨胀机不同于通用型氦透平膨胀机，需要在氦透平膨胀机的抗干扰机械性能，变工况热力性能方面有更高的要求。

3 降低影响的措施与方法

图1 氦透平膨胀机反馈控制示意图Fig.1 Schematic diagram of helium turbine feedback control

图2 放电期间交流损耗对氦透平膨胀机性能的影响Fig.2 Influence of the AC loss to helium turbine

由于超导核聚变装置实验期间会产生交流损耗，磁体产生大量的热，导致磁体内因液氦大量蒸发而压力升高，与之直接相连的氦透平膨胀机的出口压力也会随之升高，氦透平膨胀机的膨胀比会减小，导致氦透平膨胀机转速降低，出口温度升高，氦透平膨胀机就被冲击一次，这样的冲击每隔10分钟左右就一次，并贯穿整个实验过程(约150天左右)。结合流体润滑技术、气动力学、高速转子动力学实现对轴承-转子系统变工况动态运转过程的理论描述，深入分析变工况条件下流体润滑气体轴承不稳定涡动(轴向涡动、周向涡动、圆锥涡动)对低温氦透平膨胀机轴承-转子系统机械性能及氦透平膨胀机整机热力性能的影响，揭示流体润滑轴承-高速氦低温透平膨胀机转子系统复杂工况不稳定涡动的影响因素及作用规律，掌握氦低温透平膨胀机变工况稳定运转机理及透平变工况性能优化设计方法，从理论研究和技术开发两方面对氦透平膨胀机抗冲击能力进行全面提升和优化。

鉴于氦透平膨胀机受周期性冲击的原因和运行的实际情况，给出了以下几种措施与方法保障氦透平膨胀机稳定运行。

3.1 氦透平膨胀机本身抗干扰能力的优化，气体轴承结构部分的设计

主要目标是提高氦气透平膨胀机本身的抗干扰能力，主要是气体轴承的性能优化，流道的分布与加工的均匀性。气体轴承的结构优化，确定一系列结构近似合理的氦气体轴承的长径比(L/D)、供气孔形式、供气孔孔径大小、供气孔排数与每排供气孔个数等，通过软件或自编程序模拟一定的结构形式下，不同间隙的轴承刚度与承载力，优化气体轴承的性能;多流道与流道的均匀性也是减少冲击的一个有效途径，多流道就是要增加叶片数(对膨胀轮来说)，这样会给加工带来困难，匹配加工与叶轮设计，加工后的流道检测等都是关键环节。

提高氦透平膨胀机的性能，提高氦透平膨胀机的抗干扰性能;这主要是提高氦透平膨胀机气体轴承的性能(增加供气孔排数，在转速允许的情况下，增加轴径，改善长径比等措施)，其次是改善氦透平膨胀机的叶轮与喷嘴的流道，增加流道个数，流道加工对称性优异，降低膨胀端的气流分布不均匀引起的非对称冲击。

3.2 氦透平膨胀机制动的快速响应，与外界干扰匹配的研究

主要目标是用反馈控制的手段，匹配周期性冲击和氦透平膨胀机制动之间的关系，制动改变的频率快与冲击的频率，使转速保持不变，这样对氦透平膨胀机的稳定性影响就会大大降低。这部分就是在不改变进口参数的情况，改变制动力的大小(改变制动气压、油压、电流等)使制动功率和叶轮的膨胀功率匹配。使氦透平膨胀机运行在一个恒定的转速范围内，这样当氦透平膨胀机因磁体的交流损耗而导致出口压力升高时，膨胀比减小，出口温度略升高，膨胀端膨胀功率减小，此时及时调整制动功率，使制动功率和膨胀功率匹配。这要求制动的调节要及时准确，制动的一些参数(压力、温度、流量、电流等)测量、采集、传输要及时准确，执行机构执行(主要是阀门)要及时准确，不能有过大的超调。

3.3 通过反馈控制，调节氦透平膨胀机出口压力

主要内容是通过反馈控制策略研究，在不易改变透平膨胀机制动功率时，可以通过在透平膨胀机后增加旁通阀门如图2是氦透平膨胀机正常运行(增加虚线框部分)，在交流损耗使氦透平膨胀机出口压力升高时，通过开旁通阀门使氦透平膨胀机的压力泄到其他管道活容器，始终保持氦透平膨胀机后的压力保持不变，达到氦透平膨胀机运行稳定的目的。这部分难点是反馈控制的策略研究，控制策略的响应和执行机构之间的匹配问题研究。

图1是氦透平膨胀机正常运行(不带虚线框)，反馈控制示意图。正常运行时，氦气(状态0:P0，T0)经过氦透平膨胀机膨胀后(状态1:P1，T1)，一部分低温氦气经过节流阀门V1进入分配阀箱液氦槽，节流会产液氦，未液化的低温氦气经分配阀箱上端管道阀门V3(一般全开)回低压(经制冷机后回压缩机入口);另一部分低温氦气经过分配阀箱的盘管换热器后(状态2:P2，T2)直接给磁体供给磁体，经过磁体后吸热气液两相(状态3:P3，T3)回到分配阀箱，未汽化的液氦继续存在液氦槽内，汽化部分通过V3回低压。

当实验期间，由于存在交流损耗，磁体内通道压力增加导致进出口的压力(P2和P3)都升高，进口压力(P2)升高直接导致氦透平膨胀机出口压力(P1)升高，出口压力(P3)升高导致直接进入分配阀箱液氦槽内的氦气压力高，直接导致分配阀箱液氦槽压力P4升高，节流阀门V1压差变小，流量减小，导致V1前压力(即氦透平膨胀机后压力P1)增加，因此，所有现象都导致氦透平膨胀机后的压力升高(P1，1.0×102kPa以上)。若采用反馈控制思想，以氦透平膨胀机出口压力P2为控制变量，使之在一个合适的范围内。一般情况下，氦透平膨胀机运行期间出口压力是不会减小的，磁体放电时交流损耗会使其升高。在氦透平膨胀出口管道上增加一个自动控制的旁通调节阀门，在磁体放电期间，当控制系统监测到分配阀箱内液氦槽内的压力P4升高而迫使氦透平膨胀机出口压力P1也升高时，打开旁通阀门V2把氦透平膨胀机出口氦气旁通到低压，始终维持P1在一个合适的范围内;在放电结束时，当控制系统监测到分配阀箱内液氦槽内的压力P4降低而导致氦透平膨胀机出口压力P1也降低时，关小旁通阀门V2直至旁通阀门V2全部关闭，恢复到放电初时阶段，这样就是一个完整的控制周期。同样，这要求旁通阀门的调节要及时准确，分配阀箱液氦槽内的压力P4与氦透平膨胀机出口压力P1测量、采集、传输要及时准确，执行机构执行(主要是旁通阀门V2)要及时准确，响应时间快，不能有过大的超调。

4 结论

详细叙述了超导核聚变装置氦低温系统氦透平膨胀机受周期冲击的危害以及受冲击的原因，通过改善氦透平膨胀机本身的性能，调节氦透平膨胀机制动功率和调节氦透平膨胀出口压力等方式，给出了一些提高氦透平膨胀机运行稳定性，降低周期性冲击可能的方法与控制策略。核聚变这样大的装置，是一个系统工程，这些调节方法是否实用还有待进一步应用与实践检验。

1 Didier Gambier.Fusion for energy:a new european organization for the development of fusion energy［J］.Fusion Engineering and Design，2009，84:138-142.

2 William D，D’haeseleer.The importance of fusion development towards a future energy source［J］.Fusion Engineering and Design，2003，66:3-15.

3 Yolanda Lechon，Cabal H，Varela M，et al.A global energy model with fusion［J］.Fusion Engineering and Design，2005，75:1141-1144.

4 Ivanov D P.Overview of superconducting techniques for magnetic fusion devices［J］.Nuclear Fusion，2000，40(6):1245-1252.

5 Kalinin V，Tada E，Millet F，Shatil N.ITER cryogenic system.Fusion Engineering and Design，2006，81:2589-2595.

6 Serio L.The ITER Cryogenic System［R］.ITER organization，cadarache centre，IBF2007.

7 Wan Yuanxi.Overview of steady state operation of HT-7 and present status of the EAST project［J］.Nuclear Fusion，2000，40:1057-1068.