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EAST氦制冷机中透平膨胀机升级改造点击：1910 日期：[ 2014-04-26 21:39:57 ] |
| EAST氦制冷机中透平膨胀机升级改造 朱平,徐光福,吴克平,庄明,张启勇 (中国科学院等离子体物理研究所,合肥230031) 摘要:现有俄制油气混合透平膨胀机严重制约了EAST制冷机的性能和稳定性,同时鉴于EAST装置对制冷机的制冷量和可靠性要求提高,急需对EAST制冷机中透平膨胀机进行升级改造,以满足系统要求。通过编写FOR-TRAN程序计算新制冷量情况下所需膨胀机参数,并进行压机流量和换热器校核,最后通过国际招标,采购新透平膨胀机。 关键词:透平膨胀机;氦制冷机;升级改造;校核 1 引言 EAST托卡马克装置具有目前中国国内最大氦低温系统,包含4台氦透平膨胀机,其中制冷机部分含3台膨胀机,冷屏回路含1台膨胀机。氦气通过透平膨胀机绝热膨胀将其热能转换为功来降低氦气温度,以达到降温目的。 透平膨胀机是EAST制冷机中关键降温部件,其工作的稳定性及效率直接影响到能否给EAST装置提供足够冷量及所消耗的功,这在制冷机六轮实验中充分地说明了这一点。EAST制冷机中3台透平膨胀机,其中任何一台出现了故障,均使得制冷量大大下降,而功耗大大增加;如果两台出现故障,则会因为制冷量不足而使得EAST实验无法继续[1]。 EAST氦制冷机在设计之初选用俄罗斯GEL-IYMASH公司生产油气混合轴承透平膨胀机,但俄制透平膨胀机性能并不稳定,每一台都曾出现过故障而停机,尤其是在第4轮和第5轮EAST实验中,因TD(T3)出现故障而使得制冷量大大下降,使得降温速度下降和制冷机效率大大降低,耗功大大增加,制冷机的热力学完善度FOM(FigureofMerit)从15%降至10%。综上所述,解决氦透平膨胀机问题已成为迫在眉睫的事情,它关系到以后EAST实验能否顺利进行,中国科学院等离子体所就透平膨胀机升级改造成立专门小组负责,确定在新的状态下透平参数,并决定选购一套国外透平,以扩大制冷机制冷量并保证EAST装置的稳定运行。本文主要通过编程方法确定升级改造所需透平的参数,并对压缩机流量和换热器进行校核,以确保新透平性能得以充分发挥。 2 EAST新透平膨胀机参数制定 2. 1 系统负载要求 EAST制冷机流程图如图1所示,包括3台透平膨胀机。根据所里要求,考虑到EAST装置未来升级(如增加中性束注入、低温泵等),新透平膨胀机参数需按2 150W /4. 4K+1 070W /3. 5K要求制定;但考虑近几年内装置对制冷量要求大概在1 000W /4. 4K + 1 000W /3. 5K,所以要求新透平膨胀机在这两种制冷量要求下均有较高的运行效率。而透平膨胀机效率确定,主要根据国外厂家(主要调研了法国法液空的透平、德国林德的透平、捷克的透平)给我们提供的数据,如T1(TB)=0.76,T2(TC)=0.77,T3(TD)=0.70。 2. 2 计算思路 在确定制冷量(Q1和Q2)和透平效率情况下,分别改变T26和T54温度,求出压缩机主流量MF1,并考虑透平T1、T2膨胀比合适的情况下(一般T1进出口压力分别19/7. 5bar,T2进出口压力分别7. 1/1. 2bar),比较不同MF1,选出最小的MF1,最后确定对应下的T1和T2进出口参数。该计算过程方框图如图2所示,其中各换热器漏热和温差参考文献[2]确定。 2. 3 计算结果 根据上面所述计算思路和计算过程方框图,采用FORTRAN编程计算不同制冷量要求下新透平参数。按2 150W /4. 4K+1 070W /3. 5K计算得到各透平参数如表1所示;按1 000W /4. 4K+1 000W /3. 5K计算得到各透平参数如表2所示。 根据表1和能量守恒可知:总流量: 245. 2g/s;透平T1/2流量: 82. 4g/s;透平T3流量: 162.8g/s;液氮消耗: 24g/s。 根据表2和能量守恒可知:总流量: 157g/s;透平T1/2流量: 56. 2g/s;透平T3流量: 100. 8g/s;液氮消耗: 18. 5g/s。 分析表1、2可知:新透平T1/2流量只有透平T3流量的一半,而原透平T1/2流量与透平T3流量基本相等,新透平T3进口温度比原透平T3进口温度要低2K;这些差异主要是由负载要求发生变化,原透平参数是按照混合模式来制定的(既要制冷又有一定液氦引出冷却电流引线),换热器冷流比热流流量要小,需要更多透平T1/2流量来冷却热流和漏热;而新透平参数是按纯制冷模式来制定的,各个换热器是平衡流,冷回流与热流流量一样,这样透平T1/2产生冷量主要用来抵消漏热,制冷量主要是由透平T3产生。虽然目前负载需要液氦量很少(冷却低温泵~1g/s),但目前EAST氦制冷机实际运行状况是:透平T1/2流量仍与透平T3流量(或者节流阀)基本相等,因为制冷机运行参数偏离最优值和现有透平膨胀机不稳定旁通了很多冷量所导致的。 3 EAST新透平膨胀机参数校核 3. 1 压缩机流量校核 从表1、2中流量值来看,无论是现有压机还是即将升级后压机(现有压机提供给高压路大概260g/s,新购买压机能提供300g/s),都能满足这个流量要求。但制冷量为2 150W /4. 4K +1070W /3. 5K时,所需压机主流量为245. 2g/s,而现有压机可提供的流量为260g/s,裕度小于6%,而购买新压机后,流量可达300g/s,裕度将超过20%。原有压机虽然能提供该制冷量所需的氦气流量,但裕度太小;但螺杆压缩机升级改造先于透平膨胀机升级改造,同时近几年制冷量只需1000W /4. 4K+1 000W /3. 5K,仅需压机主流量为157g/s,所以在压缩机流量方面完全满足透平改造要求。 3. 2 换热器校核 从换热量角度校核,根据确定的透平参数,计算出各个换热器进出口参数,从而可以计算出换热器在新透平参数下换热量大小,并跟原来设计换热器比较,表3表示换热器在新透平参数下换热量是原来设计时换热量多少倍。 从换热量的角度来校核,没考虑到换热器进出口参数对换热器换热系数等影响;但从换热器设计角度校核,其结果与从换热量角度校核类似。从表3中可知:换热器EX2和EX6不能完全满足要求,换热器EX1和EX5裕度太小,这些会影响预期换热结果,会使制冷机在透平升级改造后制冷量达不到2 150W /4. 4K+1 070W /3. 5K要求,但在确定制冷机制冷量时有一定的安全系数,具体影响效果要等新透平安装后进行相关测试才能确定。 4 结论 (1)EAST氦制冷机中,透平膨胀机是关键部件,配置国外新透平膨胀机后,不仅可以增加制冷机制冷能力,同时提高制冷机稳定性、可靠性和经济性。 (2)最终选购透平参数是按照2 150W /4. 4K+ 1 070W /3. 5K(液氮预冷)计算得到。当装置对制冷量要求只需1 000W /4. 4K+1 000W /3.5K时,可以通过控制透平T1/2和透平T3前的阀门开度来调节,也可关闭液氮预冷达到部分节能作用。 (3)选购全气体轴承透平膨胀机,无需油泵,这将提高透平膨胀机稳定性和可靠性,减少由于油泵和油导致透平故障。 (4)透平升级改造后,并且透平T3和新螺杆压缩机也投入运行,可提高制冷机的FOM至20%左右,大大降低制冷机运行成本,并缩短与国外大型制冷机之间差距,Linde和AL(法液空)公司生产制冷机FOM在28%左右。 参考文献 [1]张云志.氦透平膨胀机流道设计[D].合肥:中国科学院等离子体物理研究所硕士学位论文, 2009. [2]白红宇.HT-7U超导托卡马克氦制冷机系统热力学分析及设计研究[D].北京:中国科学院研究生院博士学位论文, 2002. |
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