基于DCS的EAST低温系统预冷过程自动控制

　　1 引 言

　　EAST 低温系统为 EAST 超导托卡马克装置的各冷质部件提供进入超导状态所需的冷量。超导磁体系统，包括纵场( TF) 线圈、极向场( PF) 线圈和线圈盒( CASE) ，工作在 4. 5 K 液氦温区; 而 EAST 装置冷屏则工作在 80 K 温度等级。各冷质部件不同的实验需求，如工作温度、压力与流量以及不同的冷却方式，决定了低温系统的控制流程。表 1 为 EAST 主要冷质部件与操作条件。

　　降温过程中，由于温度场的不均匀而产生的热应力可能影响材料的力学性能，严重时有可能破坏结构，且100 K 以上由温差引起的热应力较大[1]。为防止热应力对装置的损坏，100 K 以上的超导磁体与冷屏降温需要严格控制降温温差[2]; 为确保超导磁体与冷屏各部分快速同步降温，还必须严格控制降温的压力损失与氦流量。100 K 以下由于没有温差限制，降温速率主要取决于制冷机即透平膨胀机的制冷能力[2]。

　　预冷过程主要利用液氮预冷后的 80 K 冷氦气与常温氦气混合，预冷磁体及冷屏，冷却部件从 300 K逐渐冷却至 80 K，与此同时制冷机利用冷却回气进行自身降温。预冷操作涉及到 TF、PF、CASE 以及冷屏 4 部分冷质部件，流程操作与控制回路较为复杂，控制目标不明确，且过程间耦合严重，因此一直未能实现自动控制。持续十余天的预冷过程需要操作员手动调节，十分耗费人力，且不利于系统稳定运行。

　　本文在大量运行经验和流程分析的基础上，基于DeltaV DCS( 集散控制系统) 设计并实现了一套完整的预冷自动控制策略，包括预冷模式的顺序控制和过程参数的解耦控制，并给出了自动控制运行效果。

　　2 预冷控制流程

　　图 1 所示为预冷阶段 EAST 低温系统简化流程图。经两级压缩后的高压氦气纯化至满足要求后，即可开始预冷操作。首先需要给制冷机冷箱中的液氮槽( EX12) 加注液氮，液位上涨至 70% 后，进行液位自动控制，维持液面作为预冷换热器。高压氦气进入制冷机冷箱后分为两路，如图 1 所示，上面一路冷热氦气混合后冷却冷屏; 下面一路进入低温分配阀箱冷却超导磁体，在分配阀箱中又分为 3 路，分别冷却TF、PF 与 CASE。冷屏的 5 × 105Pa 回气回到低压机排气端; 回气支路充分利用磁体回流冷氦气进行制冷机部分的降温[3]。

　　预冷目标是在严格控制进出口温差的同时，保证TF、PF、CASE 以及内、外冷屏快速同步降温。冷屏的降温与磁体降温同时进行，为确保外真空室内少量水气不凝结到线圈盒上，降温速度可略为超前[2]。降温速度除受温差条件限制外，还主要受制冷机能力和冷质部件结构性能的限制。预冷阶段主要采用液氮预冷，并未启动透平制冷，因此制冷量是由冷却氦流的进出口温差及氦流量( 即压力损失) 决定。冷却时的压降为: