1、EAST 降溫實驗低溫系統的計劃及操作 2006年2月3日 一、 總目標：實現EAST裝置降溫并磁體通電實驗 具體指標： 1 檢驗透平膨脹機是否能長期穩定運行； 2. 檢驗低溫系統雜質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. 檢驗制冷量相對于EAST裝置的總熱負荷是否有富裕; 5. 測試氦循環泵的效率和流量； 6. 檢驗3.8 K油環泵系統能否正常的工作； 7. 檢驗低溫測量的準確性； 8. 檢驗低溫控制系統； 9. 檢驗低溫系統的是否易于操作； 裝置內部冷屏 縱場線圈和線圈盒 極向場線圈 8 8 根高溫電流引線和 1818 根 CuCu 電流引線 26 26 根

2、 Busline Busline 三、降溫的條件： 1完成全部系統的安裝：保證氦系統完全封閉 2. 冷箱抽空：要求各真空 1X1O2 Pa 制冷機冷箱 分配閥箱 電流引線箱 EAST 外杜瓦 3. 各設備正常、并完成保養； 4. 完成上崗人員培訓。 2 kW/4 K 氦制冷機流程圖 （冷箱部分和壓縮機部分 ） 透平膨脹機操作規程，控制和保護面板操作規程 螺桿壓縮機組操作規程 螺桿壓縮機組 氣體回收系統 水冷卻系統 空氣源、氮氣 油環泵 制冷機冷箱和閥箱 - 透平膨脹機 10000L10000L 液氦杜瓦 LN2LN2 貯槽 分配閥箱 二、 低溫系統的組成： 2kW 氦制冷機操作規程 低溫分配系

3、統操作規程 氦制冷機的測量儀表。該表給出了低溫分配系統所以需要測量的參 數、其采用的傳感器及量程等。參數越限報警值也在該文件中給出 了。 氦制冷機的閥門統計表及低溫分配系統的低溫控制閥門統計表 EAST 裝置冷卻控制杜瓦流程圖； 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 冷卻流程圖； EAST 8O K 冷屏冷卻流程圖； 低溫分配系統的測量儀表。 EAST 電流引線冷卻流程圖； 真空系統操作規程； 油分析儀操作規程； 氦循環泵操作手則； 低溫控制系統操作站操作規程。 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

4、縮機站的氦氣壓縮機系統，包括回收壓縮機； 2. 螺桿壓縮機的除油系統； 3. 水冷卻系統； 4. 貯氣系統； 5. 空氣壓縮機和氮氣壓縮機； 6. 85 車間的純化器； 7. 油環泵； 8. 液氮罐。 制冷機崗位：負責以下設備的維護及運行操作 1. 冷箱抽空系統系統，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. 內吸附器的再生； 5. 低溫分配閥箱； 6. 冷屏、縱場、極向場超導磁體冷卻； 7. 超導傳輸線的冷卻； 8. 氦循環泵； 9. 電流引線的冷卻 10. 制冷機和分配系統的液氮加注 11. 10000L液氦杜瓦 電控崗位：負責以下設備的維護及運行操作 1.

5、 8-5車間配電系統； 2. 8- 1配電系統； 3. DCS控制系統，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. 控制室管理。 低溫系統的操作全部在低溫控制室由值班長發出并負責完成。因此各種與 低溫操作相關的信號必須送到低溫控制室，并保證其正確性！ 四、系統純化 雜質要求：H20 5 ppm , N2 3 ppm, CxHy 1 ppm. Oil 10 ppb 使用分析儀器：Linde多組分分析儀 系統必須完全封閉后才能純化； 必須沖刷每根毛細管。 系統純化計劃需要時間5 10天； 系統純化完后將購買液氦進入系統中; 不帶氣柜

6、運行。 五、低溫系統運行的模式 制冷系統共有10種穩態運行模式和27種過渡轉換模式。制冷機的操作就是 如何實現這37種運行模式及各種模式之間的轉換 停機 TM28 1. 停機狀態so：它是各動力設備停止運行，系統低溫部件處于常溫或接近 常溫的一種狀態。 2. 純液化模式S1：它是指制冷機只給貯存杜瓦（10000L液氦杜瓦）生產液氦。 3. 預純化模式S2：是指給制冷機吹除，確保制冷機的中的純度。 4. 壓縮機起動運行模式TM0 :指螺桿壓縮機起動運行。 5. 降溫模式（TM1、TM2、TM6、TM13）:包括制冷機本身降溫和制冷機帶 動托卡馬克裝置降溫模式 6. 制冷機給裝置回溫模式TM10

7、7. 80K待命模式S3：供給氣溫度保持在液氮溫度左右。 8. 80K待命加液化模式S4：供給氣溫度保持在液氮溫度左右，制冷機同時 生產液氦。 9. 4.5K待命模式S5：指超導磁體保持在4.5 K溫度左右。 10. 4.5K待命加液化模式S6：此時不需開循環泵和油環泵，冷量有富余用來 生產液氦。 11. 3.8K待命模式S7：指超導磁體保持在3.8 K的工作溫度，但還沒有勵磁。 12. 3.8K待命加液化模式S8：此時不需開循環泵，冷量富余用來生產液氦。 電流引線及Busline都需維持工作溫度。 13. 3.8K實驗運行模式S9:此模式下磁體已勵磁到工作電流， 循環泵在運轉 的模式。 14

8、. 給液氦槽充液氦TM17 :當EAST裝置降溫到4.5K后，制冷機制冷量過 省，此時將在液氦槽中有LHe生產出來，直到達到設定的液面。 15. 給過冷槽充液氦TM19 :當4.4 K的液氦槽儲存有一定的液氦時，且過冷 槽已降到80K以下，這時可給過冷槽充液氦加快冷卻。當過冷槽液面達到要求 的高度后起動油環泵減壓制冷，使過濾槽的溫度下降到 3.5K o 16. 3.8K待命轉3.8K實驗運行TM25 :準備勵磁前啟動循環泵加強磁體冷卻。 17. 失超后的保護模式TM28 :在失超后因回氣很大，制冷機 需切換到液化 模式。 六、各冷質部件的工作溫度如下: 冷質部 件 工作溫度 工作壓力 總工作流

9、量 總重量 內冷屏 60 90 K 5.2 bar 60 g/s 25 ton 外冷屏 80 90 K 5.1 bar 每部分不一樣 （根據溫度控制） 支撐 80 K 5.1 bar 每個4.5 g/s 縱場線圈繞組 3.8 4 K 3 4 bar 240 g/s （平均每通道2.5 g/s） 46 ton 縱場線圈盒 4.5 4.8 K 3 3.3 bar 320 g/s （平均每個20g/s） 50 ton 楔塊 4.8 5 K 3 bar 320 g/s （平均每個20g/s） 38 ton 極向場線圈 3.8 4 K 3 4.5 bar 110 g/s 35 ton 縱場 Buslin

10、e 4.6 K 3 3.2 bar 4 g/s 極向場Busline 4 K 3 4 bar 每組4g/s,共4組 Cu電流引線 4.5K 300 K 1.2 bar 6 g/s 高溫超導電流 引線 4.5 77 K 77K300K 1.2 bar ? 液氦槽 4.4 K 1.2 bar / / 過冷槽 3.5 K 0. 47 bar / / 液氮槽 78.8 K 1.2 bar / / 降溫時的要求（300K80K）: 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 K; 3 計劃用8天從300K降到80K,平均每小時降溫1.15K。剛

11、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 40 K; 6通過各組冷屏入口的閥門來調節降溫速度，使得各組之間能基本同速降溫； 7. 冷屏降溫時，分配閥箱中的液氮槽不要加液氮； 8. 冷屏降溫到100K以下后可以起動透平4降溫。 9. 冷屏入口溫度的控制：V2307和V2308兩個閥門調節。氦制冷機 裝置降溫模式 回氣溫度=300 K - 120 K 極向場： 1. 極向場進口壓力在1012 bar,出口壓力1.3 bar； 2. 極向場的進出口溫差維持在30 K; 3. 計劃用810天從30

12、0K降到80K,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 o 5. 通過各組極向場線圈入口的閥門來調節降溫速度， 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, 每個通道為2.4 g/s； PF1314: 25.6 g/s,每個通道為 1.6 g/s； PF78: 8 g/s, 每個通道為 2.0 g/s； PF910: 52.8 g/s,每個通道為 2.2 g/s； PF1112 36.8 g/s,每個通道為 1.84 g/s； 液氮進口 低壓回氣 氮氣放空 壓機供氣 冷屏回氣 負壓回氣 去冷屏 冷氦供給 液氦補充 sl

13、負壓回氣 1 r I 冷屏供氣 低壓叵 rn L 調節閥 開關閥 I手動閥 開關 :T 11 冷緩沖 7. 入口溫度的控制： 由V3232閥供氦，V5101閥和V5103閥調節； 或者由V2307 和V2271閥來調節； 縱場繞組和縱場線圈盒： 1. 縱場繞組進口壓力在10T2 bar,出口壓力1.3 bar； 2. 縱場線圈盒進口壓力在 34 bar,出口壓力 2 bar； 3. 縱場的進出口溫差維持在30 K; 4. 計劃用810天從300K降到80K,平均每小時降溫約1 K。 5. 降溫時控制縱場繞組和線圈盒上的最大溫差 =3 bar。 極向場磁體通電的低溫條件（等離子體放電的條件） 1

14、. 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 電流引線液氦槽和液氮槽的液面 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,即出口壓力 = 3 bar； 6. 值班長判斷系統正常。 八、 氦循環泵的測試： 在起動氦循環泵后要求對氦循環泵進行測試,時間需要半天。之后檢驗縱場 磁體和線圈盒的壓降和流量的關系。 九、 3.8 K 運行： 希望在4.5K的試驗基本完成后做3.8K的實驗。主要是考慮到軸封密

15、封不嚴 而吸空氣,影響實驗進一步進行。 油環泵停機時要及時關閉 V2001 閥,以免返油進制冷機冷箱。 并打開油環泵 的旁通閥門。 十、 EAST 裝置失超后低溫系統的保護措施 超導磁體低溫系統的安全保護共有三個不同等級的保護： 第一級：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。氣動泄放閥的通經為 DN32。壓力開關的 設置壓力為8 bar。經測試，壓力開關的動作時間為 10 mso 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。 第二級：安

16、全閥 。當氣動閥排氣還不滿足要求時,冷安全閥打開,泄放氦氣 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。 縱場繞組有 6 個安全閥。 線圈盒總出口有 1 個安全閥。 第三級：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, 磁體內的氦壓繼續升高, 當超過某一設定值時, 爆 破膜破裂,將氦氣放入大廳中。爆破膜的通經為 DN25。 設置有安全閥的地方均有爆破膜。 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。

17、 失超泄放閥受何控制？ 1. 失超信號,或 2。壓力開關信號,還是兩者都要？ 如何確保安全可靠性，又要減少重新勵磁的時間？ 縱場是穩態場，且電感較大，儲能較大。縱場采用兩級保護，分小失超和大 失超，具體方案如下： 1: 大失超需要同時滿足兩個條件 : 縱場電流大于某個門檻，同時發生失超。此 時通過控制打開氣動閥將超導磁體中的氦泄放至中壓罐中。 2:小失超時，即縱場電流低于某個門檻時發生失超，考慮到超導磁體的電流比 較小，低溫系 統基本上維持穩定運行，這時候氣動閥就無需打開。 當縱場電流大于某個門檻時，（此門檻由低溫提出），第一級結點閉合；同時 縱場又失超后， 第級結點也閉合，此時由低溫系統控制

18、將氣動閥打開。 當縱場電流低于某個門檻時，（此門檻由低溫提出），第一級結點打開；縱場失超 后， 雖然第二級結點閉合，但此時氣動閥不會打開。 極向場是非穩態的，考慮到放電初期，極向場加入時間不會太長，當極向場 失超時暫不考慮打開氣動泄壓閥。 一個極向場線圈失超，必須全部采取失超保護 泄能。 失超后如何保護氦循環泵？ 卜一、故障態及安全保護: 1 控制系統UPS的供電電源斷電 低溫系統只能維持30min; 要求縱場和極向場磁體慢速退磁（人） 2 低溫控制系統UPS故障斷電 低溫系統全部停機； 要求縱場和極向場磁體快速退磁（人） 3 縱場繞組氦循環泵突然停機 縱場繞組沒有氦流； 要求縱場磁體快速退磁

19、（DCS） 4 縱場線圈盒氦循環泵突然停機 要求縱場磁體慢速退磁（DCS） 5 透平T1、T2、T3三臺透平任一停 機 要求極向場磁體退磁；要求縱場磁體 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 若低溫控制閥門發生故障 判斷決定磁體是否退磁（人） 10 若分配閥箱真空、電流引線箱真空、 外杜瓦真空破壞 要求磁體退磁，并停低溫系統 11 若發生管道泄漏氦氣 要求退磁和低溫系統停機

20、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 1.單臺低壓機保護停機條件： TI1L03100 C （低壓機排氣溫度超高位）或 TI1L4170C （低壓機油溫超高位）或PI1L027bar （低壓機排氣壓力超高位） 或PI1L41130C（高壓機排氣溫度超高位）或 TI1H4170C （高壓機油溫超高位）或PI1H0223.5bar （高壓機排氣壓力超高位） 或PI1H414bar （高壓機油壓超低位）。這里H=4 5、7。 3冷卻水壓力超低位保護 ： PI1000 1.5bar 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Turbin