NUCLOTRON-M-Cryogenic

Развитие системы криогенного обеспечения
Развитие системы криогенного обеспечения.
Развитие системы криогенного комплекса направлено на поддержание ее
долговременной работоспособности, дальнейшему повышению надежности и
энергетической эффективности, а также снижению эксплуатационных расходов. При
этом предлагается сосредоточить усилия на трех основных направлениях:
- создание автоматизированной системы диагностики и управления комплексом
криогенных установок Нуклотрона;
- разработка и запуск системы реконденсации жидкого азота;
- капитальный ремонт и частичная замена оборудования, прошедшего длительную
эксплуатацию.
АСУ комплекса криогенных установок
Автоматизированная система предназначена для обеспечения контроля
технологических параметров и их регулирования в 2-х криогенных гелиевых установок
КГУ-1600/4.5.
В каждой из установок необходимо измерять:
- температуры гелия в 22 точках, в том числе посредством датчиков ТВО в интервале от
4К до 300К — в 8-ми точках, платиновыми датчиками ТСП-4054 в интервале от 80К до
300К — в 14-ти точках;
- аналоговые сигналы 0+5 мА от датчиков расхода, давления и уровней жидкого азота и
гелия — 8 точек;
- Число оборотов турбодетандеров в интервале 0-250000 об/мин — 4 точки.
Система должна производить автоматический выбор и измерение контролируемого
параметра в двух режимах: циклический контроль и по команде оператора.
В системе используются температурные датчики двух типов:
- на основе резисторов типа ТВО (8шт. в каждой установке). Датчики предназначены
для измерения температуры по 4-х проводной схеме и рассчитаны на измерительный ток
не более 10 мкА. Сопротивление датчика в зависимости от температуры изменяется в
диапазоне от 1000 до 5000 Ом. Индивидуальные зависимости температуры от
сопротивления датчика описывается полиномами 6 степени.
- на основе платиновых термометров ТСП-4054 (14шт на каждой установке). Датчики
предназначены для измерения температуры по 4-х проводной схеме и рассчитаны на
измерительный ток не более 1000 мкА. Сопротивление датчика в зависимости от
температуры изменяется в диапазоне от 20 до 100 Ом. Зависимость температуры от
сопротивления для всех датчиков одинакова.
На каждой из установок термометры сопротивления размещены на 5-ти блоках:
- На блоке очистки №1 термометры ТСП-4054 в количестве 4шт.
- На блоке очистки №2 термометры ТСП-4054 в количестве 4шт.
- На блоке №1 термометры ТСП-4054 в количестве 2шт. и термометры ТВО в
количестве 4шт.
- На блоке №2 термометры ТСП-4054 в количестве 2шт. и термометры ТВО в
количестве 4шт.
- На электроподогревателе термометры ТСП-4054 в количестве 2шт.
Относительная точность измерения температуры для датчиков ТВО при температуре 4К
составляет 0,5%, при температуре 300К — 1%. Для датчиков ТСП-4054 при температуре
80К — 0,5%, при температуре 300К — 1%.
Датчики давления, расхода, уровня жидкого азота и гелия — промышленные
датчики типа МПЭ-МИ и ДМЭ-МИ. Приборы имеют токовый выход, изменяющийся в
пределах от 0 до 5 мА. Относительная погрешность измерения давлений и уровней
составляет 2%, а расхода 3%. Датчики оборотов турбодетандеров являются стандартными
индукционными датчиками. Каждому обороту ротора соответствует 2 импульса
напряжения. Требуемая относительная точность составляет 1%. Измерение расходов
сжатого гелия производится калориметрическим способом с использованием
высокочувствительных датчиков температуры на основе кварцевых резонаторов.
В каждой криогенной установке КГУ-1600 система автоматического поддержания
основных параметров должна содержать до 12-ти контуров регулирования. К числу таких
параметров относятся: высота положения газгольдера, давление в главных точках
установки, числа оборотов турбодетандеров, уровни жидкого гелия и жидкого азота.
Необходимость применения других контуров регулирования будет определена при
подробной проработке алгоритмов управления.
Система реконденсации жидкого азота.
В настоящее время затраты на охлаждение теплозащитных экранов криостата
Нуклотрона составляют 250 кг/час. При планируемой годовой длительности сеансов 2500
часов потребность в жидком азоте достигает 625 тонн. С учетом потерь при заливке и
опорожнении автоцистерн (30%), а также других потерь при транспортировке – затраты в
целом не менее 800 тонн (1 млн. литров). При стоимости жидкого азота 3,90 руб./литр,
ежегодные затраты на охлаждение теплозащитных экранов 3,9 млн. рублей.
Эти затраты могут быть существенно снижены с применением системы
реконденсации холодных паров азота, выходящих из каналов охлаждения экранов. В
такой системе реконденсации энергозатраты в год составят 480 МВт·час. При цене 0,909
руб./кВт-час стоимость этого количества электроэнергии 0,44 млн. рублей, что составит
лишь около 11% всех затрат на производство жидкого азота.
Для циркуляции жидкого азота по теплозащитным экранам Нуклотрона будет
использован электронасос жидкого азота, причем после сепарации холодных паров,
жидкий азот будет снова возвращаться в хранилище (в настоящее время азот,
испарившийся при охлаждении теплозащитных экранов ускорителя, приходится
сбрасывать в атмосферу).
Рассматривается два типа систем реконденсации. Одна из возможных систем
построена по холодильному циклу, в котором в качестве криоагента используется
непосредственно азот, используемый для охлаждения экранов Нуклотрона. При
температуре окружающей среды газообразный азот сжимается в поршневом компрессоре
до давления около 3 МПа, затем после очистки от примесей охлаждается в противоточном
теплообменнике холодными парами, выходящими из теплозащитных экранов.
Охлажденный сжатый азот расширяется в турбодетандере с давления 3 МПа до 0,1 МПа,
при этом из турбодетандера выходит жидкий азот. Полученный продукт направляется на
охлаждение экранов, а при выходе из них вновь используется в холодильном цикле.
Обратный поток противоточного теплообменника после нагрева до температуры
окружающей среды подается на всасывание компрессора.
Другое предложение – реконденсация холодных паров азота с использованием
холодильного цикла гелиевого рефрижератора. Гелий при температуре около 80 К
отводится от КГУ к теплообменнику, куда также поступают холодные пары азота из
теплозащитных экранов. В процессе теплообмена происходит реконденсация паров азота.
После теплообменника жидкий азот вновь направляется на охлаждение экранов, а гелий
возвращается в холодильный цикл рефрижератора.
Капитальный ремонт и частичная замена оборудования.
Капитальный ремонт и частичная замена оборудования криогенного комплекса
требуются ввиду того, что совместно с периодом пусконаладочных работ его общий
срок службы составил уже более 15-ти лет. Особенному износу поверглось
компрессорное оборудование – поршневые и винтовые компрессоры. Подлежит
замене или переаттестации оборудование, работающее под высоким давлением,
ресиверы для хранения газообразного гелия и танки жидкого азота. В
многоступенчатой системе тонкой очистки гелия от примесей необходима полная
замена цеолитов и активированного угля в крупномасштабных блоках МО-800 и 4-х
блоках установок КГУ-1600.