中国散裂中子源低温系统的氢降温优化研究

何崇超 叶 斌 * 李 娜 王雅琼 丁美莹 何 昆

(1 中国科学院高能物理研究所 北京 100049)

(2 散裂中子源科学中心 东莞 523803)

1 CSNS 低温系统介绍

中国散裂中子源(简称CSNS)是由1.6Gev 的高能质子轰击钨靶产生强流中子,并利用中子研究物质微观结构和运动的重大科技基础设施[1],主要由质子加速器、靶站和谱仪等3 大部分组成,其质子束流功率为100 kW,有效脉冲中子通量达2.0 ×1016n/(cm2·s),脉冲重复频率为25 Hz[2]。2017 年8 月28 日,CSNS 完成了首次打靶,并成功产生了中子。2018 年5 月,中国散裂中子源通过了国家验收,开始正式投入运行。

CSNS 低温系统是为靶站的两个慢化器提供～17 K 的超临界氢(工作压力为1.5 MPa,仲氢浓度高于99%),并保证慢化器内平均温度低于20 K,且慢化器进出口温差小于3 K[3]。CSNS 低温系统主要由氦制冷系统、氢循环系统以及氢安全系统组成。其中,氦制冷系统通过氦气的逆布雷顿循环实现2 200 W@20 K 的冷量,并利用氢-氦换热器将冷量传递给低温氢,主要设备包括螺杆压缩机、油分离器、制冷机冷箱及氦气缓冲罐等[4]。氢循环系统是一个闭式循环,主要设备包括氢-氦换热器、压力缓冲器、氢循环泵、正-仲氢转化器以及低温传输管线等。换热器、加热器、氢循环泵和正仲氢转化器(简称OPC)都放置于密闭的氢循环冷箱中,压力缓冲器为便于维修和更换,单独放置在压力缓冲器冷箱中[5-6]。图1 为CSNS低温系统的流程简图。

图1 CSNS 低温系统流程简图Fig.1 Flow chart of CSNS cryogenic system

2 降温过程中的异常现象分析

CSNS 低温系统在降温调试和后来的每一次运行的降温时,降温初期制冷机出口温度迅速下降(6 小时即从300 K 降温至20 K),而氢循环系统仅氢氦换热器出口温度TI4101 及两条低温管道的入口温度TI4201,TI4203 能与氦侧温度保持一致的降温速度,其余测点的温度,尤其是正仲氢转换器入口温度TI4104 和出口温度TI4105 基本还在290 K 附近。由于氢循环系统各处的降温速度严重不均匀,导致换热器出口出现液氢的时候,正仲氢转换器入口和出口温度还很高,当液氢通过循环到达慢化器或正仲氢转换器时液氢汽化造成了温度和压力的剧烈的波动。因为压力的剧烈的波动,触发了控制保护逻辑放气,导致了冷氢气的释放,不仅损失了冷量还浪费了氢气,氢循环的温度也因此反复波动,降温无法持续下去。因此,在每一次降温的时候,为了避免了液氢的过早出现,不得不在TI4101 接近35 K 时进行手动关闭制冷机的非常规操作。但是手动关闭制冷机和再次启动的时机需要把握好,否则氢循环系统因为失去冷源温度会逐渐升高,时间太久导致压力的升高而放气。上述异常现象,不仅出现在氢的三轮降温调试实验中,也出现在2017—2018 年的每一次运行开始前的降温中。图2 是其中一次运行降温时的降温曲线图,可以明显看到,当换热器出口温度TI4101 降至34.7 K时,仅TI4201 和TI4203 能够紧紧跟随,其他温度与TI4101 相差比较大,尤其是正仲氢转换器的入口温度TI4105 为287.1 K,出口温度TI4105 为283.9 K。而且,TI4201、TI4203、TI4104 和TI4105 降温时都是急速下降后有反复,每一次的温度反复均造成了氢循环系统压力PI4141 的较大波动。

图2 降温优化前的降温曲线图(2017 年12 月12 日)Fig.2 Cooling curves of CSNS cryogenic system before cooling optimization

因此,从2018 年暑期开始,一直致力于氢循环系统降温优化实验的研究,以控制氢循环系统的降温速度,减少降温过程中的压力波动和温度反复,实现降温过程的稳定、可控。

3 低温系统的氢降温优化过程

低温系统的降温优化分为两个阶段:第1 个阶段,从300 K 至34 K 的降温优化。在这个阶段,氢还未进入超临界状态,没有出现密度的急剧变化,因此,通过制冷机控制软件的升级,控制制冷机出口温度来控制氢的降温速率,比较好地实现了氢循环的平稳降温。第2 阶段,从34 K 至最终运行温度16 K 的降温优化。这个阶段,尤其是34 K 降温至32 K 时,氢会从气态向超临界态转变,氢的密度会出现急剧的增大,导致降温过程中出现剧烈的压力波动和温度反复,因此需要一套非常好的降温方法和控制逻辑,才能保障超临界氢的平稳转变,保障降温过程的平顺、稳定。

3.1 300 K 至34 K 的降温优化

2018 年夏季检修,CSNS 低温系统对制冷机控制软件进行了升级,升级后制冷机的控制界面增加了几个关键变量参数,可以通过设置透平入口阀Cv3130、换热器旁通阀Cv3175 及旁通加热器R3175 等参数,来控制制冷机出口的氦气温度TI3171 和降温速度,见图3。如果点击制冷机出口温度的控制TC3171 会打开一个对话框,可以将降温过程分成cooldown1,cooldown2 和cooldown3 三个阶段,每个阶段的降温速率、目标温度及在这个目标温度的维持时间均可自行设置。这些目标的实现,需要手动设置阀门Cv3175和Cv3130 的开度、加热器R3175 的功率,以避免透平冷却水的温度过高(超过85 ℃报警),同时让透平旁通阀Cv3106,Cv3136 的开度适当,以保障冷量过剩或不足时阀门有充足的调节余量[7]。

图3 制冷机控制软件升级后的界面图Fig.3 Interface diagram of upgraded refrigerator control software

2018 年8 月29 日,完成了制冷机控制软件的升级后,于8 月30 日进行了首次降温。首先设定了各阶段的降温速率、制冷机出口温度、制冷机旁通阀和加热器等参数。日本散裂中子源JSNS 氢循环系统的降温调试时,通过制冷机的加热器在50 K 维持6 小时后,再继续降温,从而顺利平缓地通过了34 K 的超临界温度[7]。因此,CSNS 低温系统借鉴了其成功经验,设置cooldown1=50 K 并在50 K 稳定2 小时后,再进入cooldown2 阶段,降温速率由50 K/h 降低为10 K/h,使氢循环系统各处的温度都整体下降,避免出现温差过大而导致压力的波动。因为对升级后的新程序还不熟悉,降温的控制逻辑还在不断摸索和优化,当时采取改变cooldown2 的温度目标值的方式,将目标值逐渐从34 K 下降到28 K 以下。在降温至34 K 以下时,流量出现了明显的下降,在温度降至31 K附近时,出现了较大的压力和温度波动。随后,氢循环系统经历了较长的温度反复过程,通过手动降频和开旁通CV4201 的操作避免了压力的大幅波动和氢气的大量放气。在降温开始48 h 后,制冷机开始进入cooldown3 阶段,随后温度逐渐下降到目标值16 K,同时氢循环系统各温度也逐渐下降到20 K附近。图4 是这次降温的曲线图。由图可见,氢在300 K至34 K 的降温过程中是非常平稳顺利的,未出现压力的波动和温度的反复,也没有出现放气现象。

图4 升级后首次降温实验曲线图Fig.4 Curves of the first cooling test after upgrade

在2018 年9 月19 日,进行了制冷机控制软件升级后的第2 次降温实验,采用了与第1 次一致的控制逻辑,设定了一样的降温速率、制冷机出口温度和制冷机旁通阀开度等参数,降温过程和结果也非常一致。同样,氢循环系统在300 K 至34 K 以上的降温过程非常稳定,无明显压力波动和温度反复,也无一次放气。但是在降温至34 K 以下,开始出现明显的压力波动和温度反复,只能通过手动降频和开旁通CV4201 来缓解。图5 是升级后第2 次降温实验的曲线图。

图5 升级后第2 次降温曲线图Fig.5 Curves of the second cooling test after upgrade

3.2 34 K 至16 K 的降温优化

氦制冷机控制软件升级以后,CSNS 低温系统一共进行了5 次降温,其中前两次降温上面已经介绍过了,随后又分别在2019 年11 月、2020 年1 月、2020年2 月进行了3 次降温,5 次降温在300—34 K 均平稳可控,但是降温至34 K 以下时,都出现了压力波动和放气,尤其是2020 年2 月的那次降温还因为压力上升太快触发了联锁泄压,导致了降温失败。由此可见制冷机控制软件升级虽然能够很好地控制氢循环的降温速率,也实现了300 K 至34 K 的平稳降温,但是34 K 至16 K 的降温优化至关重要,否则将影响整个降温的稳定性乃至顺利完成。CSNS 氢循环系统是国内首个超临界氢的闭式循环系统,降温过程的控制没有成熟的经验可以借鉴,而制冷机出口温度TI3171、透平入口阀CV3130、制冷机旁通阀Cv3175及加热器R3175 等参数的开放性设置,也给控制逻辑的设计带来很多困难。因此,只能靠不断的实验来摸索出最优的降温控制逻辑。

表1 分别对这5 次降温过程中的控制逻辑、降温时间、流量及结果进行的总结。

表1 制冷机控制软件升级后的5 次降温对比Table 1 Comparison of five times of cooling after refrigerator control software upgrade

通过以上5 次降温过程的摸索和对比后,对34 K 以下的控制逻辑进行了改变,不再以制冷机出口温度为控制目标,而是以氢循环系统的补气速率为控制目标。降温速率设定1 K/h,TI3171 先设定34 K 不变,控制每小时补气速率8—10 次。主要包括:(1)降温开始即将氢循环的旁通阀CV4201 打开2%。可以增大氢循环主路的流量,减缓两条低温管线的降温速率,缩小氢循环的整体温差。(2)通过制冷机旁通阀CV3175、加热器R3175 和制冷机出口温度TI3171的设置来维持氢循环的补气频率。具体设置如下:当补气间隔时间变长时,首先通过减小R3175(幅度1%) 来维持补气频率,待R3175 关至0 后再关Cv3175 至0(幅度1%)。TI3171 设计值跟随实际值进行调低,保持设计值与实际值的差值在0.5 K 以内。(3)透平入口阀逐渐从60% 提高到66% 后,根据透平水温情况再提高,幅度1%。2020 年2 月25日进行了控制逻辑改变后的第1 轮的降温,采用新的控制逻辑后,降温过程平稳可控,氢循环系统各处的温度整体保持一致,在很长的一段时间内均维持在34—36 K,为整体通过超临界温度打下了牢固的基础。进入34 K 以下温度后,氢循环系统没有出现任何的压力波动和温度反复,没有一次放气,用时34 小时即降温成功,图6 是这次降温的曲线图,可以看到整个降温过程中,压力都是平稳无波动的。

图6 34—16 K 控制逻辑改变后的第1 次降温曲线Fig.6 The first cooling curves after changing 34-16 K control logic

2020 年6 月16 日和9 月22 日采用一样的控制逻辑再进行了两次降温,获得了与第1 次一致的结果。这两次降温均是过程平缓且顺利,无压力波动和温度反复,无紧急操作,无放气,最终分别耗时33 小时和43 小时(避免夜班,维持40 K 无操作12 小时)降温成功。这表明,使用这套34—16 K的控制逻辑进行降温能够获得一致的过程和结果,控制逻辑的优化是完全成功的。可喜的是,最后一次降温因为正仲氢转换器的改造成功,大大提高了氢循环的流量,最终氢循环流量在250 Hz 下为1.32 L/s,超过了设计指标1 L/s。图7 是控制逻辑改变后第3 次降温的曲线图(9 月22 日)。

图7 34—16 K 控制逻辑改变后的第3 次降温曲线Fig.7 The third cooling curves after changing 34-16 K control logic

4 结论

CSNS 低温系统的氢降温调试虽然成功了,但在制冷机控制软件升级前,降温属于完全不可控的状态。这个阶段降温速率不能控制,氢循环的温度和压力波动大,需要进行降频和开旁通的紧急操作,甚至手动关闭制冷机才能顺利完成降温。制冷机控制软件升级后,可以通过制冷机旁通阀的开度和加热器功率,控制氢氦换热器的氦气温度和流量,使氢循环的温度和压力波动明显减缓,不需要再中途关闭制冷机,在300 K 至34 K 的降温过程实现了可控。2019年暑期后,重点优化了34 K 至16 K 的降温过程,采用新的控制策略,使氢平稳地进入超临界态,全程无压力波动和温度反复,无一次放气,实现了整个降温过程的完全平稳、可控。之后,CSNS 低温系统采用一样的控制逻辑又进行了多次降温,每次降温的过程都是可控的,结果都是一致的,没有再出现压力波动和放气的现象,说明CSNS 低温系统的氢降温优化研究非常成功的。