EAST實驗低溫系統(tǒng)的計劃及操作

1、EAST 實驗低溫系統(tǒng)的計劃及操作2008年5月 15日一、總目標：實現(xiàn) EAST 裝置降溫并磁體通電長期實驗具體指標：1，檢驗透平膨脹機是否能長期穩(wěn)定運行；2，檢驗低溫系統(tǒng)雜質(zhì)去除是否滿足長期運行的需要；3，測試 2KW 氦制冷機的制冷量；4，檢驗 2KW 氦制冷機的制冷量在不同環(huán)境溫度下相對于EAST 裝置的總熱負荷是否有富裕；5，檢驗新改造的高溫超導電流引線的工作情況；6，檢驗內(nèi)置低溫泵低溫系統(tǒng)能否達到設計要求；7，檢驗低溫測量的準確性；8，檢驗低溫控制系統(tǒng)；9，檢驗低溫系統(tǒng)的可靠性、安全性；10，系統(tǒng)的氦總漏率二、低溫系統(tǒng)的組成：2kW 氦制冷機螺桿壓縮機組氣體回收系統(tǒng)水冷卻系統(tǒng)空氣源

2、、氮氣EAST油環(huán)泵低溫系統(tǒng)制冷機冷箱和閥箱透平膨脹機10000L 液氦杜瓦LN2 貯槽低溫分配閥箱低溫分配系統(tǒng)裝置內(nèi)部冷屏縱場線圈和線圈盒極向場線圈26 根高溫電流引線26 根 Busline三、降溫的條件：內(nèi)置低溫泵閥箱1完成全部系統(tǒng)的安裝：保證氦系統(tǒng)完全封閉，檢漏及各系統(tǒng)調(diào)試完成。22冷箱抽空：要求各真空 110Pa分配閥箱電流引線箱內(nèi)置低溫泵閥箱EAST 外杜瓦3各設備正常、并完成保養(yǎng)檢修；4完成上崗人員培訓并熟練掌握以下操作文件。2 KW/4 K 氦制冷機流程圖 (冷箱部分和壓縮機部分 )；透平膨脹機操作規(guī)程，控制和保護面板操作規(guī)程；螺桿壓縮機組操作規(guī)程；2KW 氦制冷機操作規(guī)程；低

3、溫分配系統(tǒng)操作規(guī)程；電流引線操作規(guī)程；內(nèi)置低溫泵低溫系統(tǒng)操作規(guī)程；氦制冷機的測量儀表。（該表給出了低溫分配系統(tǒng)所有需要測量的參數(shù)、其采用的傳感器及量程等。參數(shù)越限報警值也在該文件中給出了）；氦制冷機的閥門統(tǒng)計表及低溫分配系統(tǒng)的低溫控制閥門統(tǒng)計表；低溫系統(tǒng)安全閥、爆破片裝置統(tǒng)計表；EAST 裝置低溫分配流程圖；EAST 縱場磁體冷卻流程圖；EAST 極向場磁體冷卻流程總圖；EAST 超導磁體 Busline 與電流引線冷卻流程圖； EAST 80 K 冷屏冷卻流程圖；內(nèi)置低溫泵低溫系統(tǒng)流程圖；低溫分配系統(tǒng)的測量儀表；EAST 電流引線冷卻流程圖；真空系統(tǒng)操作規(guī)程；油分析儀操作規(guī)程；氦循環(huán)泵操作手

4、則；低溫控制系統(tǒng)操作站操作規(guī)程；液氮罐的使用說明，操作注意事項；內(nèi)吸附器的操作規(guī)程；氮氣系統(tǒng)流程圖與操作注意事項；空氣系統(tǒng)流程圖與注意事項；10000L 液氦杜瓦操作規(guī)程與注意事項（包括輸液過程）；DCS 點位分配表；OPC 客戶端操作手冊；低溫系統(tǒng)的連鎖保護；失超保護壓力開關操作規(guī)程；緊急情況處理5. 崗位職責壓縮機崗位：負責以下設備的維護及運行操作1. 壓縮機站的氦氣壓縮機系統(tǒng)，包括回收壓縮機；2. 螺桿壓縮機的除油系統(tǒng)；3. 水冷卻系統(tǒng)；4. 收氣與貯氣系統(tǒng)；5. 空氣壓縮機和氮氣壓縮機系統(tǒng)；6. 壓機站系統(tǒng)的檢漏；7. 油環(huán)泵；8. 液氮罐。制冷機崗位：負責以下設備的維護及運行操作1.

5、 冷箱抽空系統(tǒng)、液氮傳輸線抽空；2. 氦制冷機冷箱和閥箱；3. 4 臺透平膨脹機；4. 內(nèi)吸附器的再生；5. 低溫分配閥箱；6. 內(nèi)置低溫泵閥箱；7. 冷屏、縱場、極向場超導磁體冷卻；8. 超導傳輸線的冷卻；9. 氦循環(huán)泵；10. 電流引線的冷卻；11. 制冷機和分配系統(tǒng)的液氮加注；12. 10000L 液氦杜瓦；13. 運行期間接收液氮，液氦；14. 系統(tǒng)的檢漏與純化。電控崗位：負責以下設備的維護及運行操作1. 85 車間配電系統(tǒng)；2. 81 配電系統(tǒng)；3. DCS 控制系統(tǒng)，工程師站，操作站；4. 服務器管理；5. 溫度、壓力、流量、液位等傳感器和儀表；6. 純度分析；7. 與 3 室數(shù)據(jù)

6、傳輸；8. 與總控數(shù)據(jù)傳輸；9. 控制室管理。低溫系統(tǒng)的操作全部在低溫控制室由值班長發(fā)出并負責完成。因此各種與低溫操作相關的信號必須送到低溫控制室，一些關鍵的數(shù)據(jù)和連鎖保護要送到總控，并保證其正確性！每班運行人員安排：值班長：1 人壓機崗位： 2 人制冷機與分配系統(tǒng)崗位：3 人電控崗位： 1 人四、系統(tǒng)純化雜質(zhì)要求： H2 O 5 ppm，N2 3 ppm, CxHy 1 ppm, Oil 10 ppb使用分析儀器： Linde 多組分分析儀螺桿壓縮機EAST 裝置除油系統(tǒng)低溫分配系統(tǒng)干燥系統(tǒng)2kW 制冷機純度分析儀俄羅斯純化器系統(tǒng)必須完全封閉后才能純化；必須沖刷每根毛細管；必須將所有氦氣全部

7、純化完后，純度達到要求才可以降溫；系統(tǒng)純化計劃需要時間 5 7 天，時間根據(jù)純度而定；系統(tǒng)純化完后將購買液氦進入系統(tǒng)中；不帶氣柜運行。五、各冷質(zhì)部件的降溫各冷質(zhì)部件的工作參數(shù)如下表：冷質(zhì) 部件工作溫度工作壓力總工作流量總重量內(nèi) 冷 屏6090K5.2 bar60 g/s25 ton外 冷 屏8090K5.1 bar每部分不一樣(根據(jù)溫度控制 )支 撐80 K5.1 bar每個 4.5 g/s縱場線圈繞組3.84K3 4 bar240 g/s(平均每通道 2.5 g/s)縱場線圈盒4.5 4.8 K3 3.3 bar320 g/s(平均每個 20g/s)楔 塊4.85K3 bar320 g/s(

8、平均每個 20g/s)46 ton50 ton38 ton極向場線圈縱場 Busline 極向場 Busline高溫超導電流引線內(nèi)置低溫泵3.8 4K3 4.5 bar110 g/s4.6 K3 3.2 bar4 g/s4 K3 4 bar每組 4g/s，共 4 組4.577K3 4 bar低溫端同 Busline77K 300K1.2 bar高溫端實驗決定4.4K1.2bar10g/s35 ton內(nèi)置低溫泵氮屏77K2.4bar10g/s液 氦 槽4.4 K1.2 bar/過 冷 槽3.5 K0 47 bar/液 氮 槽78.8 K1.2 bar/各部件降溫時的要求 (300K 100K)：

9、冷屏：1 冷屏進口壓力在 67 bar，出口壓力5.1 bar；2 冷屏的進出口溫差維持在30 50K；3 計劃用 810 天從 300K 降到 100K, 平均每小時降溫 1.15K。如果烘烤溫度很高，時間很長，則時間會加長。剛開始時降溫速度會低于此值，后來降溫速度會慢慢加快；4 降溫時保證冷屏的平均溫度比磁體的平均溫度低5 10K；5 降溫時控制冷屏上的最大溫差 80 K回氣溫度 = 300 K - 120 K液氮進口冷屏回氣氮氣放空調(diào)節(jié)閥開關閥手動閥開關壓機供氣低壓回氣負壓回氣回氣柜去冷屏冷屏回氣4T冷屏供氣冷氦供給123TTT液氦補充低壓回氣負壓回氣自冷緩沖引線回氣極向場：1 極向場進

10、口壓力在1012 bar，出口壓力1.3 bar；2 極向場的進出口溫差維持在3050 K；3 計劃用 810 天從 300K 降到 100K, 平均每小時降溫約1 K ；4 降溫時控制極向場磁體的最大溫差 50 K；5 通過各組極向場線圈入口的閥門來調(diào)節(jié)降溫速度，使得各組之間能基本同速降溫；6 極向場的流量分配：CS16： 72 g/s,PF1314： 25.6 g/s,PF78：8 g/s,PF910： 52.8 g/s,PF1112： 36.8 g/s,每個通道為每個通道為每個通道為每個通道為每個通道為2.4 g/s；1.6 g/s；2.0 g/s；2.2 g/s；1.84 g/s；7入

11、口溫度的控制： 由 V3232 閥供氦，V5101 閥和 V5103 閥調(diào)節(jié)；或者由 V3271和 V3232 閥來調(diào)節(jié)；4.5K GHePF7PF8PF9PF10PF13PF144.5 KPF113.5 KPF12SHe SupplyCS5CS3CS1TF coilsCS2Quench lineTF casesCS4CS6縱場繞組和縱場線圈盒：1 縱場繞組進口壓力在1012 bar，出口壓力1.3 bar；2 縱場線圈盒進口壓力在3 4 bar，出口壓力2 bar；3 縱場的進出口溫差維持在3050 K；4計劃用 810 天從 300K 降到 100K, 平均每小時降溫約5降溫時控制縱場繞組

12、和線圈盒上的最大溫差 50 K；1 K；6通過 4 組縱場線圈繞組出口的閥門來調(diào)節(jié)降溫速度，使得各組之間能基本同速降溫；7入口溫度的控制：由V3232 閥供氦，V3271 和 V3232 閥來調(diào)節(jié)；3.5 K GHe ReturnTF1TF2TF3TF4SHe SupplyPF CoilsTF5TF6TF7TF8TF9TF103.5 KTF11TF BuslinesTF12TF134.5 KTF14TF15TF16Cooldown line100K 4K 的降溫：1. 當磁體出口的溫度下降到 120 K 后，需啟動透平 T1 和透平 T2 ；2. 磁體溫度下降過程中要逐漸減小進口冷卻的氦氣壓力

13、；3. 當透平 T1 和透平 T2 基本達到工作溫度后才啟動透平T34. 磁體溫度下降到 4K 左右后要給分配閥箱中的液氦槽和過冷槽生產(chǎn)液氦；5. 計劃用 35 天從 100K 降到 4.5K 并生產(chǎn)出足夠的液氦；6. 當液氦槽與過冷槽生產(chǎn)了足夠的液氦后，啟動線圈繞組和線圈盒冷卻的氦循環(huán)泵，保證線圈盒的總流量不小于 300 g/s；線圈繞組的總流量不小于 220 g/s；7. Busline的冷卻和電流引線的冷卻一起；計劃用810 小時冷卻到工作溫度；8. 內(nèi)置低溫泵的冷卻可以在分配閥箱液氦生產(chǎn)足夠后，根據(jù)裝置真空組的需要開始；裝置冷卻流量計的安裝位置 (共 21個)：1內(nèi)冷屏總入口FI570

14、22縱場繞組循環(huán)泵出口FI50103縱場線圈盒循環(huán)泵出口FI51114極向場總流量FI50505縱場降溫總流量FI50046線圈盒降溫的總流量FI51047去電流引線液氦總流量FI51108縱場 4 組線圈FI5211；FI5221 ；FI5231 ； FI52419縱場 BuslineFI525010中心螺管總流量FI551011PF7&PF8FI554012PF9&PF10FI556013PF11&PF12FI557014PF13&PF14FI555015極向場 BuslineFI5519 ；FI5529 ； FI5539； FI5549高溫電流引線的注意事項下表為引線系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障及

15、應對處置正常工作條件可能出現(xiàn)的故障應對處置及原因系統(tǒng)真空度= 3 bar。6 Busline與高溫超導電流引線的低溫端溫度與流量滿足要求。極向場磁體通電的低溫條件(等離子體放電的條件 )1 極向場進出口溫度、極向場超導傳輸線的溫度、電流引線的溫度冷卻到滿足要求；2 分配閥箱中液氦槽和過冷槽中的液面不低于50；3 電流引線液氮槽的液面滿足要求；4 極向場線圈的總流量不小于100 g/s，且各組之間分配均衡；超導傳輸線的流量不小于3.5 g/s；5 冷卻的流體處于超臨界氦狀態(tài)，即出口壓力= 3 bar；6Busline與高溫超導電流引線的低溫端溫度與流量滿足要求。7 值班長判斷系統(tǒng)正常。七、 EA

16、ST 裝置失超后低溫系統(tǒng)的保護措施超導磁體低溫系統(tǒng)的安全保護共有四個不同等級的保護：第一級：壓力開關控制氣動閥。這一級保護是主動的，由壓力開關來控制，它是通過氣動閥將超導磁體中的氦泄放至中壓罐中。氣動泄放閥的通經(jīng)為DN32。壓力開關的設置壓力為8 bar。經(jīng)測試，壓力開關的動作時間為10 ms。第二級： DCS 控制氣動閥。當壓力開關失靈，壓力繼續(xù)升高到13bar 后，由 DCS 控制氣動閥打開。極向場有 3 個泄放閥。縱場磁體有 5 個泄放閥。線圈盒總出口有一個泄放閥，受DCS 控制。一旦氣動閥打開，線圈恢復勵磁估計要一天的時間。第三級：安全閥 。當氣動閥排氣還不滿足要求時，冷安全閥打開，泄

17、放氦氣至中壓罐中。安全閥泄放量按 2000kg/h（ 80K）設計。設置壓力為 16 bar。極向場有 3 個安全閥?？v場繞組有 6 個安全閥。線圈盒總出口有 1 個安全閥。低溫液體將直接泄放到 2 個 100 m3 的氦中壓罐中。為減少泄放置中壓罐中的低壓液體量，中壓罐中維持 3 bar 壓力的氦氣。第四級：爆破膜 。這是保護的最后一級， 它將導致氦氣的丟失。 當氣動閥和安全閥均來不及泄放氦氣時，磁體內(nèi)的氦壓繼續(xù)升高，當超過某一設定值時，爆破膜破裂，將氦氣放入大廳中。爆破膜的通經(jīng)為 DN25，爆破壓力 25bar。設置有安全閥的地方均有爆破膜。八、失超后的操作1， 極向場失超PI5103 升

18、高；極向場失超的情況下，會導致極向場磁體的壓力（1） 壓力升高的不大，升速不大，逐漸開大 V5103 將壓力泄放到液氦槽中，這時要注意透平的進口溫度。要調(diào)節(jié)保證在正常范圍內(nèi)；（2） 壓力升高很大，升速很快，則要轉(zhuǎn)入失超保護模式，關閉V5502，V5506，壓力超過壓力開關和失超保護壓力后，Quench 閥 V5508，V5518，V5568 會自動打開將壓力泄放到中壓緩沖罐中。開大 V5101 閥門維持總壓力。要及時調(diào)節(jié)透平的進口溫度，保證在正常范圍內(nèi)；2， 縱場線圈盒失超（1），根據(jù)上輪的實驗，失超大部分時候都是發(fā)生在縱場線圈盒，有時候是誤保護，造成了線圈盒循環(huán)泵進口壓力 PI5129 有所

19、升高，這時要逐漸開大 V5108 將壓力泄放到液氦槽中，這時要注意透平的進口溫度，要調(diào)節(jié)在正常范圍內(nèi)；（2），如果線圈盒的失超導致壓力升高很大，升速很快，則要轉(zhuǎn)入失超保護模式，關閉線圈盒冷卻的進出口閥門 V5112， V5132 打開循環(huán)泵旁通閥門V5105，壓力超過壓力開關和失超保護壓力后， Quench 閥 V5258 會自動打開將壓力泄放到中壓緩沖罐中。3， 縱場線圈失超縱場線圈失超會導致縱場壓力升高（1），如果壓力升高不大，升速不快，這時要逐漸開大 V5003 閥將壓力泄放到過冷槽，要注意透平進口溫度，要調(diào)節(jié)在正常范圍內(nèi)；（2），如果壓力升高很大，升速很快，則要轉(zhuǎn)入失超保護模式，關閉磁

20、體進出口閥門 V5012，V5032，壓力超過壓力開關和失超保護壓力后， Quench 閥V5018，V5218， V5228， V5238， V5248 會自動打開將壓力泄放到中壓緩沖罐中。在失超的時候要特別注意以下幾點：1，小的失超或誤保護盡量不要打開quench 閥，只要將壓力泄放到液氦槽中；2，在失超的過程中一定要注意透平的進口溫度，維持在正常范圍內(nèi)；3，大的失超導致 quench閥打開后，恢復降溫前不要忘記壓力開關的復位；4，分配閥箱的液面維持在80以下，以免失超后回氣量太大， 來不及收氣；九、故障態(tài)及安全保護：1控制系統(tǒng) UPS 的供電電源斷電低溫系統(tǒng)只能維持 30min；(人 )

21、要求縱場和極向場磁體慢速退磁2低溫控制系統(tǒng) UPS 故障斷電低溫系統(tǒng)全部停機；(人 )要求縱場和極向場磁體快速退磁3縱場繞組氦循環(huán)泵突然停機縱場繞組沒有氦流；要求縱場磁體快速退磁 (DCS)4縱場線圈盒氦循環(huán)泵突然停機要求縱場磁體慢速退磁（ DCS）5 透平 T1、 T2、 T3 三臺透平任一停 要求極向場磁體退磁；要求縱場磁體機慢速退磁 (人)6壓縮機故障停機要求極向場磁體退磁；要求縱場磁體慢速退磁（人）7若低溫系統(tǒng)制冷機真空破壞要求縱場磁體慢速退磁；要求極向場磁體退磁 (人)8若制冷機堵塞要求縱場磁體慢速退磁；要求極向場磁體退磁（人）制冷機開始重新吹除；9若低溫控制閥門發(fā)生故障判斷決定磁體

22、是否退磁 (人 )10若分配閥箱真空、電流引線箱真要求磁體退磁，并停低溫系統(tǒng)空、外杜瓦真空破壞11若發(fā)生管道泄漏氦氣要求退磁和低溫系統(tǒng)停機12低壓壓力高于 1.5 bar(絕壓 )打開回氣柜的控制閥。確保電流引線和 10000L 液氦杜瓦的安全。壓縮機系統(tǒng)1單臺低壓機保護停機條件： TI1L03100 （低壓機排氣溫度超高位）或 TI1L4170 （低壓機油溫超高位） 或 PI1L027bar （低壓機排氣壓力超高位）或 PI1L41130（高壓機排氣溫度超高位）或TI1H4170（高壓機油溫超高位）或PI1H0223.5bar （高壓機排氣壓力超高位）或 PI1H414bar（高壓機油壓超低

23、位） 。這里 H=4、5、7。3 冷 卻 水 壓 力 超 低 位 保 護 ： PI10001.5bar時 強 停 所 有 壓 機 ；1.5barPI100014 且 PI1100 1.5 bar 時，閥門 V1100 打開。透平膨脹機的聯(lián)鎖保護：（ SI2224 or SI2234）超高高位或 (PI2512 or PI2522) 或壓力 (MH14 or MH20)超低低位則關閉 Turbine1 的進氣電磁閥 V2221D；SI2244 超高高位或壓力 PI2532 或 MH27 超低低位則關閉 Turbine3 的進氣電磁閥 V2241D；SI2324 超高高位或壓力 PI2542 或 MH7 超低低位則關閉 Turbine4 的進氣電磁閥 V2321D ；10000L 液氦杜瓦的保護與 10000L 液氦杜瓦相連的自動控制閥門有 V