EAST氦制冷机运行节能分析

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EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)氦制冷机是EAST全超导托卡马克核聚变装置的关键子系统之一,它由中科院等离子体物理研究所完全自主设计制造,为EAST各冷质部件提供超临界氦迫流冷却,为装置稳定运行提供保证。氦制冷机是EAST装置的主要耗能部件,对其进行节能分析具有重要意义,不仅节约运行成本,也响应国家节能减排号召。   本文从定量的角度分析EAST氦制冷机运行现状,压缩机耗功占制冷机运行成本70%以上,且螺杆压缩机和透平膨胀机运行状况对制冷机整体性能有很大影响;由于透平和压机故障,制冷机的热力学完善度FOM(Figure of Merit)从第三轮实验的15%降至第五轮的8%。制冷机实际运行参数与理想运行参数偏差较大,在1800W制冷量和透平D(T3)出现故障情况下,最优参数下运行比实际参数下运行主流量少60g/s。通过对制冷机现状分析和与国外制冷机比较,发现EAST氦制冷机存在很大节能空间,并提出从制冷机主要部件的升级改造和制冷机流程优化两个角度对制冷机进行节能研究。   螺杆压缩机和透平膨胀机是制冷机中关键部件,现有的这些设备在运行过程中频繁出故障且性能较低,严重制约了制冷机高效运行,通过对它们进行节能分析,发现只有对它们进行升级改造,才能从根本上解决其对制冷机的制约。螺杆压缩机改造后可以把制冷机FOM从8%提升至14%;透平膨胀机升级改造后再把制冷机的FOM从14%提升至20%以上;通过对这两部件改造,也会提高制冷机的可靠性和稳定性。   在EAST氦制冷机流程方面的研究主要体现在对透平D运行模式和二级节流模式下运行参数最优化和变压循环技术研究。发现透平C(T2)出口温度对制冷机影响较大,而透平B(T1)出口温度影响可忽略不计。采用变压循环技术,主要需对控制系统进行改造,不需额外增加其它设备,所以有应用到EAST制冷机上可能性;但现在还没有完全吃透变压循环技术,若要实际应用到EAST制冷机上还需一段时日。
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