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“九五”国家大科学工程EAST(Experimental Advanced SuperconductingTokamak)于2006年初建成,是世界上第一个投入运行的全超导托卡马克聚变实验装置。EAST低温系统完全由中科院等离子体物理研究所自主设计制造,为EAST各冷质部件提供超临界氦迫流冷却,设计当量制冷量为2kW/4.2 K,是目前国内最大的氦低温系统。
压缩机站是低温系统的重要组成部分,它为氦制冷机提供20bar稳定的高压纯氦气,共有277路模拟量/数字量输入/输出点位通过计算机进行监控。压缩机站要实时控制总排气量的大小以满足低温系统的需求,保证系统的压力稳定。运行时EAST装置总储气量在7000立方米以上,在发生故障或装置大失超时,压缩机站如果不能及时正确处理,将会带来严重的损失。大量的监控数据、复杂控制关系、高精度的控制要求、完善的安全保护等是压缩机站全自动控制所面临的挑战。
本文就EAST低温系统压缩机站全自动控制系统的设计与实现展开论述,全文包括压缩机站控制系统的目标与整体结构设计、三级压力自动控制的设计与实现、压缩机自动控制的设计与实现、压缩机站运行效率分析与改进建议四个部分。
本文第二章首先对压缩机站主要设备的连接结构与特性进行简单介绍,根据实际实验运行需求,给出了压缩机站自动运行的要求和目标。以此为基础,提出了自动控制系统的结构,包括软件结构、数据管理结构、控制程序结构等,并对用于实现自动控制的方法和理论进行了阐述。
本文第三章主要讨论三级压力的自动控制策略与实现,提出了以高压驱动的控制逻辑,分析了各种工况下控制逻辑的执行情况与执行结果。根据上述控制逻辑,对与高压、中压、低压级控制相关的执行机构的动作行为进行了分析,提出了专家规则与PID控制相结合的复合控制思想,实现了补气阀、收气阀、旁通阀、能量滑阀等调节机构的自动控制与压力的安全保护,最后给出了三级压力的实际运行效果。
本文第四章结合压缩机站运行的工艺流程,采用顺序功能图,以离散式的程序结构,设计了驱动层的单台压缩机控制、应用层的压缩机组控制和相对独立的回收压缩机控制。对于单台压缩机,提出了具有6种状态的转换图,详细分析了其故障类型,实现了其自动启动、停机、故障保护与联锁保护。对于压缩机组,以单台压缩机的控制为基础,根据系统运行的四个阶段,设计了压缩机组的自动启动、稳态调控与自动停机程序。回收系统被抽取为相对独立的回收压缩机控制,通过其自动启动、停止与实时监控程序完成系统的收气需求。
本文第五章将喷油螺杆压缩机的压缩过程视为等温过程,计算了第四轮EAST实验运行过程中压缩机站的等温效率和耗能情况,主要分析了能量滑阀的位置与等温效率之间的关系,以及自动控制旁通阀的旁通流量对压缩机站效率的影响。在此基础上,给出了几种提高效率的方法,从理论上给出其工作原理,并对减小旁通阀开度的方法通过增加自动控制程序进行了实现与验证,具有一定的节能效果。
最后,对EAST低温系统大型压缩机站全自动控制的研究工作进行了总结,系统投入到EAST第四轮实验中,长达近三个月的成功运行表明,一个符合要求的全自动控制系统已经建立起来。