周芷偉 張啟勇 朱 平 付 豹 夏根海 胡良兵

(中國科學院等離子體物理研究所 合肥 230031)

大功率電渦流制動氦透平膨脹機在EAST氦制冷機中的控制與調(diào)試

周芷偉 張啟勇 朱 平 付 豹 夏根海 胡良兵

(中國科學院等離子體物理研究所 合肥 230031)

為保障系統(tǒng)的制冷量與可靠性，EAST托卡馬克裝置2kW氦制冷機采用了動壓氣體軸承電渦流制動氦透平膨脹機替代原有的油氣混合軸承氦透平膨脹機。新電渦流制動氦透平膨脹機配合轉(zhuǎn)子冷卻回路運行，制動功率最大可達10 kW。氦透平膨脹機采用全動壓徑向氣體軸承，而下止推軸承則引入靜壓氣體用于增加止推軸承的承載力。目前，大功率電渦流制動氦透平膨脹機已完成在EAST氦制冷機中的安裝與調(diào)試運行。介紹了電渦流制動氦透平膨脹機的測量與控制設計，在調(diào)試運行的基礎上總結了氦透平膨脹機的啟動與停機控制流程，并對其低溫調(diào)試進行了詳細分析。調(diào)試結果表明，電渦流制動的應用簡化了氦透平膨脹機的啟動、停機與操作流程，有助于EAST氦制冷機全自動控制的實現(xiàn)。

氦透平膨脹機 氦制冷機 電渦流制動 控制流程 EAST托卡馬克

1 引 言

EAST全超導托卡馬克裝置于2005年在中國科學院等離子體物理研究所建成并完成了第一次聯(lián)合調(diào)試，其2 kW氦制冷機為EAST裝置及其各冷卻部件提供所需冷量，是EAST裝置的重要子系統(tǒng)之一[1]。氦透平膨脹機是氦制冷機中的關鍵降溫部件，其運行穩(wěn)定性及效率決定了整個氦制冷機的穩(wěn)定性與效率，從而直接影響了EAST裝置物理實驗的安全穩(wěn)定運行。EAST氦制冷機中共有4臺氦透平膨脹機，1臺用于冷卻EAST裝置的冷屏，另外3臺用于制取4.5 K的制冷量冷卻超導磁體。原先4臺氦透平膨脹機均為油氣混合軸承氦透平膨脹機，其啟動過程的穩(wěn)定性較差，易損壞[2]。在多輪EAST降溫實驗運行中，4臺俄制透平膨脹機多次出現(xiàn)不同故障[3]。油氣混合軸承的結構形式，增加了操作的復雜性，氦透平膨脹機的可控性與穩(wěn)定性較差，嚴重制約了EAST氦制冷機的性能與可靠性。因此，根據(jù)EAST氦制冷機的最新負載要求，中國科學院等離子體物理研究所進行了新流程的設計，明確了新制冷量下的氦透平膨脹機參數(shù)，選購動壓氣體軸承氦透平膨脹機[4]。

EAST全新透平采用捷克ATEKO公司的HET 10氦透平膨脹機。HET 10是在成熟的動壓氣體軸承與電渦流制動技術的基礎上改進而成，特別為氦制冷機設計研發(fā)。電渦流制動的顯著優(yōu)點就是控制方便、靈敏，縮短了氦透平膨脹機的啟動時間。一般的電渦流制動氦透平膨脹機制動功率在0.1—8 kW，其制動產(chǎn)生大量的熱，由冷卻水直接冷卻。而對于更大功率(最大10 kW)的電渦流制動氦透平膨脹機，除使用冷卻水帶走熱量，還采用轉(zhuǎn)子冷卻回路(RCC)來增加制動功率。HET 10氦透平膨脹機轉(zhuǎn)子位于全動壓徑向氣體軸承中；上止推軸承為帶有螺旋槽的動壓氣體軸承，而下止推軸承則引入靜壓氣體用于增加止推軸承的承載力[5]。

2 大功率電渦流制動氦透平膨脹機的測量與控制

在升級改造后的EAST氦制冷機中，原先的一級膨脹路氦透平膨脹機T1與T2由HET 10透平TB與TC替代；冷屏冷卻路氦透平膨脹機T4由HET 10透平TA1與TA2串聯(lián)取代。最新的氦透平膨脹機HET 10設計參數(shù)如表1。

4臺新透平的測量與控制由西門子的故障安全型PLC系統(tǒng)實現(xiàn)，采用了IM151-7F CPU的ET200S-F智能從站，與作為主站的EAST低溫控制系統(tǒng)DeltaV DCS通過PROFIBUS DP協(xié)議進行通信。PLC控制系統(tǒng)完成透平的啟動運行、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、停機、故障保護及運行狀態(tài)監(jiān)測與控制。DeltaV DCS上設計有透平監(jiān)控界面，操作員可選擇本地/遠程控制模式，在DCS上實現(xiàn)透平的遠程啟動與停機。

如圖1所示為EAST低溫控制系統(tǒng)監(jiān)控界面，圖中可見氦透平膨脹機TB與TC在EAST氦制冷機中的控制流程。HET 10氦透平膨脹機的控制流程包括冷卻水回路、軸承氣回路與主進氣路。兩串聯(lián)透平分別有各自的冷卻水回路，均與冷水機組相連；冷水機組提供入口溫度5 ℃、入口壓力0.3 MPa(表壓)的冷卻水。兩冷卻水回路并聯(lián)，總?cè)肟诎惭b電磁閥與壓力開關PS、兩出口分別安裝流量開關FS，用來監(jiān)測冷卻水壓力與流量、控制冷卻水回路的開關。兩軸承氣回路并聯(lián)，回路上安裝有自動隔膜閥PD閥與PV閥；PD閥保持軸承氣入口壓力高于0.5 MPa(表壓)，PV閥釋放熱軸承氣回氣至制冷機低壓路。主進氣路入口安裝進氣調(diào)節(jié)閥，用于調(diào)節(jié)透平的進口壓力與流量。HET 10氦透平膨脹機采用電渦流制動，由24 V的直流固定電源調(diào)節(jié)制動電流的大小控制透平轉(zhuǎn)速。

圖1 HET 10氦透平膨脹機TB與TC在EAST氦制冷機中的監(jiān)控界面Fig.1 Supervisory interface of HET 10 turbines TB and TC in EAST helium refrigerator

3 透平啟動與停機控制流程

由于HET 10氦透平膨脹機采用了電渦流制動的控制方式，啟動前首先需要：

(1)檢測轉(zhuǎn)速計、放大器、緊急制動電源與可調(diào)電源是否正常；

(2)打開冷水機組、檢查冷卻水供應，確保冷卻水壓力在0.3 MPa(表壓)以上；此時冷水機組只需啟動水泵，無需啟動壓縮機制冷；

(3)打開軸承氣，確保軸承氣壓力高于0.5 MPa(表壓)；

(4)檢測制冷機控制系統(tǒng)與透平PLC的通信正常。透平啟動前需給PLC控制柜供電，控制柜上電后，監(jiān)控界面上顯示透平狀態(tài)POWER ON。

當以上透平啟動條件全部滿足后，DCS監(jiān)控界面上顯示READY，查看Prepared狀態(tài)為YES，則表示透平可以啟動。HET 10氦透平膨脹機的啟動/停機流程如圖2所示。操作員可以選擇LOCAL或REMOTE控制方式，按下START按鈕啟動透平。透平啟動后首先進入Check&Start階段，在此階段中，PLC自動打開冷卻水電磁閥，然后進行啟動條件檢測；之后在TEMPERING階段，透平制動電流輸出17A給透平預熱120s；在BEFORE START階段，透平PLC自動打開軸承氣電磁閥；80%加速階段，通過DCS控制緩慢打開入口閥，透平轉(zhuǎn)速逐漸上升至80%額定轉(zhuǎn)速；在80%NOMINAL SPEED期間，繼續(xù)開大入口閥，啟動冷水機組壓縮機進行制冷；透平經(jīng)過100%加速階段，最終達到100%額定轉(zhuǎn)速。此后繼續(xù)開大入口閥，直至透平入口壓力達到設計參數(shù)。

圖2 HET 10氦透平膨脹機的啟動與停機流程Fig.2 Startup and stop control flow of HET 10 turbines

氦透平的停機流程分為正常停機與保護停機。如圖2所示，正常停機由操作員按下STOP按鈕，入口閥即刻關閉。此時由可調(diào)電源給制動器供電，轉(zhuǎn)速將減小至80%設定值；再下降為0。保護停機則是當緊急停機條件發(fā)生時，透平PLC自動關閉透平入口電磁閥進行緊急保護，此時由直流24 V固定電源給制動器供電，進行緊急制動停機。轉(zhuǎn)速為0后，PLC會自動關閉冷卻水與軸承氣電磁閥。透平的緊急停機條件包括，冷卻水流量、軸承氣壓力錯誤，透平超速，制動電流、轉(zhuǎn)速、震動、內(nèi)壓、進出口壓力與溫度、冷卻水溫度、軸向力達到報警值，緊急停機按鈕按下，制冷機外部故障等。

由于HET 10透平的下止推軸承運行在靜壓模式下，其軸承氣路的控制區(qū)別于全動壓氣體軸承透平控制。透平的軸承氣與冷卻水一樣，在透平啟動、停機以及正常運行過程中一直供應。而全動壓氣體軸承透平的軸承氣只是在透平啟動與停機過程中的低轉(zhuǎn)速時需要，轉(zhuǎn)速達到幾萬轉(zhuǎn)后則不再需要提供軸承氣。

4 透平的低溫調(diào)試

4臺HET 10氦透平膨脹機在EAST氦制冷機中分別進行了常溫調(diào)試與低溫調(diào)試，即在常溫下啟動透平以及在制冷機液氮預冷后啟動透平。透平對氦氣純度要求較高，純度不夠會導致透平運行時軸向力過大保護停機。圖3為透平TB與TC一次完整的低溫調(diào)試運行曲線，由圖可看出透平的啟動與停機過程以及透平降溫過程。

制冷機經(jīng)過液氮預冷，透平TB啟動時的進口溫度為266 K，TC進口溫度為284 K，入口壓力均為0.106 MPa(絕壓)。按下START按鈕，透平進入檢測狀態(tài)。在80%加速階段，透平入口閥初始開度20%，隨后以5%/min，再以2%/min的增幅增加開度，直至入口閥33%時，兩透平已達到額定轉(zhuǎn)速。兩透平在80%額定轉(zhuǎn)速階段維持4 min，在此期間繼續(xù)開大透平入口閥。透平從啟動到100%額定轉(zhuǎn)速大約需要6 min，轉(zhuǎn)速從0加速到80%額定轉(zhuǎn)速僅需1 min，80%加速到100%額定轉(zhuǎn)速也僅需1 min。在透平加速過程中，由制動電流控制其轉(zhuǎn)速，如果制動電流超出限值，透平PLC會發(fā)出Reduce Opening信號，要求減小入口閥開度。透平達到額定轉(zhuǎn)速后，以1%/min繼續(xù)開大入口閥，帶動整個制冷機降溫，直至達到設計參數(shù)。

表2為透平TB與TC穩(wěn)定運行后的一組調(diào)試參數(shù)。由于制冷機運行狀態(tài)的影響，兩透平的實際運行參數(shù)與設計參數(shù)還存在一定偏差；并且透平調(diào)試時的轉(zhuǎn)速控制是以設計參數(shù)下的額定轉(zhuǎn)速作為轉(zhuǎn)速設定值，并非最優(yōu)轉(zhuǎn)速，對透平效率會造成直接的影響。由表2數(shù)據(jù)可以看出，透平TB在設計進口壓力下，進口溫度偏低，出口壓力偏高，效率低于設計值；直接影響透平TC進口壓力偏高，效率也低于設計值。但實際流量比設計流量偏大，因此兩透平的制冷量均滿足系統(tǒng)需求。在今后的實際運行中，可通過制冷機的調(diào)節(jié)改變透平的進口溫度，并計算最優(yōu)轉(zhuǎn)速作為轉(zhuǎn)速控制設定值，可適當提高透平效率。

圖3 HET 10氦透平膨脹機TB與TC的啟動與停機運行調(diào)試曲線Fig.3 Operation curves of startup and stop for HET 10 turbines TB and TC

表2 氦透平膨脹機TB與TC在EAST氦制冷機中的調(diào)試參數(shù)Table 2 Operation parameters of helium turbines TB&TC in EAST helium refrigerator

兩透平從啟動到入口降溫至設計溫度用時約2.5小時；透平進氣壓力達到設計值，制冷機各級換熱器降溫到位用時約4小時；之后穩(wěn)定運行1小時后，進行正常停機操作。正常停機首先逐漸關小入口閥，以減小透平停機對制冷機系統(tǒng)的沖擊。轉(zhuǎn)速仍維持在設定值，制動電流一直減小。當任一級透平制動電流減小至0.15—0.2 A左右時，可按下STOP按鈕，入口閥即刻自動關閉為0。根據(jù)低溫調(diào)試經(jīng)驗，入口閥減載過程約需12 min；按下STOP按鈕后透平完成停機流程大約歷時2 min。透平操作簡單，在整個啟動、運行與停機過程中，轉(zhuǎn)速控制穩(wěn)定、響應快速，能夠滿足氦制冷機的降溫需求。

5 結 論

大功率電渦流制動氦透平膨脹機HET 10，在經(jīng)過多次低溫調(diào)試后，已投入EAST裝置第十一次降溫實驗運行中，目前為止運行穩(wěn)定。HET 10透平的啟動、停機與故障保護等主要由現(xiàn)場PLC實現(xiàn)，而低溫控制系統(tǒng)DeltaV DCS作為DP主站實現(xiàn)了透平的遠程監(jiān)控以及透平與制冷機的協(xié)調(diào)控制。大功率電渦流制動透平由于其制動功率太大，在冷卻水與軸承氣上的控制都與全動壓渦流制動透平存在著區(qū)別。本文在透平多次調(diào)試的基礎上，對其啟動與停機控制流程進行了總結，形成了完備的操作規(guī)程；并結合運行曲線對透平性能與控制進行了詳細分析。結果表明，電渦流制動氦透平膨脹機性能良好，滿足氦制冷機的制冷量與可靠性需求；并且啟動快速、轉(zhuǎn)速控制穩(wěn)定、操作簡單、監(jiān)控與保護完善，為實現(xiàn)EAST氦制冷機的全自動控制奠定了基礎。

1 Bai Hongyu，Bi Yanfang，Zhu Ping，et al. Cryogenics in EAST[J]. Fusion Engineering and Design，2006，81，2597-2603.

2 付豹，張啟勇，朱平，等. EAST低溫系統(tǒng)俄制氦透平膨脹機維修改進與測試[J]. 低溫工程，2011(4)：41-45.

Fu Bao，Zhang Qiyong，Zhu Ping，et al. Testing and repairing of Russia helium turbine for EAST cryogenic system[J]. Cryogenics，2011，182(4)：41-45.

3 邱立龍，白紅宇，莊明，等. EAST氦低溫系統(tǒng)透平故障分析[J]. 低溫工程，2009(3)：41-45.

Qiu Lilong，Bai Hongyu，Zhang Qiyong，et al. Turbine problems analysis of EAST cryogenic system[J]. Cryogenics，2009(3)：41-45.

4 朱平，徐光福，吳克平，等. EAST氦制冷機中透平膨脹機升級改造[J]. 低溫與超導，2010，38(8)：10-13.

Zhu Ping，Xu Guangfu，Wu Keping，et al. Upgrade of turbo-expanders of EAST helium refrigeration[J]. Cryogenics & Superconductivity，2010，38(8)：10-13.

5 Schustr P，Plasil V，Simek J，et al. Expansion turbines for Brayton cycle and He or LNG liquefiers[C]. The 13thCryogenics 2014，IIR International Conference，Prague，Czech Republic：2014. 116-120.

Control and commissioning of helium turbine expanders with big power eddy current brake in EAST helium refrigerator

Zhou Zhiwei Zhang Qiyong Zhu Ping Fu Bao Xia Genhai Hu Liangbing

(Institute of Plasma Physics，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230031，China)

In order to ensure the refrigeration power and reliability，the dynamic gas bearing helium turbine expanders with eddy current brake were adopted to replace the original oil-gas hybrid bearing helium turbine expanders in 2kW helium refrigerator of EAST Tokamak. The new turbines with eddy current brake was put into operation with Rotor Cooling Circuit，whose total braking capacity can reach 10kW. The turbine rotor is situated in fully dynamic radial gas bearings. Lower thrust gas bearing is static with permanent supply of the helium gas to increase the thrust carrying capacity. Till now，the installation and commissioning of the eddy current brake turbines with big brake power have been performed. The measurement and control design of eddy current brake turbines were introduced. Turbines start-up and shut-down procedures were concluded based on the commissioning，and the cryogenic operation was analyzed in detail. The test result shows that the application of eddy current simplifies the turbine’s start-up，shut down process,which is helpful to realize automatic control of the EAST helium refrigerator.

helium turbine expander；helium refrigerator；eddy current brake；control flow；EAST Tokamak

2016-05-06；

2016-07-29

國家自然科學基金青年科學基金項目(11505237、51506209)資助。

周芷偉，女，34歲，博士、副研究員。

TB653

A

1000-6516(2016)04-0011-05