基于質(zhì)量守恒法的氦泄漏監(jiān)測(cè)方法

陸小飛 周芷偉 莊 明 吳克平

(中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所低溫工程與技術(shù)研究室 合肥 230031)

1 引言

全超導(dǎo)托卡馬克(EAST)氦低溫系統(tǒng)是由中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所自主設(shè)計(jì)研制的，為超導(dǎo)磁體和EAST裝置其它冷質(zhì)部件提供所需的冷量，是等離子體物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)的保障。EAST裝置運(yùn)行一次一般數(shù)月甚至更長(zhǎng)時(shí)間，因此需要氦低溫系統(tǒng)能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行［1］。然而，每輪實(shí)驗(yàn)中都會(huì)因系統(tǒng)故障存在不同程度的氦氣泄漏。氦泄漏將導(dǎo)致制低溫系統(tǒng)不斷補(bǔ)氣，補(bǔ)進(jìn)系統(tǒng)中的氦氣因含有雜質(zhì)而導(dǎo)致制冷機(jī)堵塞，因此需要頻繁的更換處理純化器，這將增加運(yùn)行及人員管理費(fèi)用。而且在更換處理純化器的過(guò)程中也會(huì)增加氦氣損耗。同時(shí)，氦氣泄漏使得制冷機(jī)系統(tǒng)需要更多更大的儲(chǔ)氣設(shè)備，導(dǎo)致系統(tǒng)造價(jià)的提升［2］。中國(guó)氦氣目前主要依賴于美國(guó)進(jìn)口，隨著氦氣價(jià)格的不斷攀升，進(jìn)行系統(tǒng)氦泄漏監(jiān)測(cè)的研究，及時(shí)發(fā)現(xiàn)或預(yù)防氦泄漏對(duì)低溫系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和降低運(yùn)行成本都是非常有必要的。

泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)是多學(xué)科知識(shí)的綜合，監(jiān)測(cè)手段差別很大。根據(jù)檢測(cè)過(guò)程中所使用的測(cè)量手段不同，分為基于硬件和軟件的方法。基于硬件的方法主要有人工巡檢法、便攜式儀器儀表、鋪設(shè)高聚物電纜、管內(nèi)檢測(cè)器等?；谲浖姆椒▌t是根據(jù)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集流量、壓力、溫度及其他數(shù)據(jù)，利用流量或壓力的變化、物料或動(dòng)量平衡、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型、壓力梯度等原理，通過(guò)軟件計(jì)算對(duì)泄漏進(jìn)行檢測(cè)［3－4］。本文在分析了低溫系統(tǒng)氦泄漏途徑的基礎(chǔ)上，采用基于質(zhì)量守恒法的軟件方法進(jìn)行氦泄漏監(jiān)測(cè)。

2 EAST氦低溫系統(tǒng)

2.1 EAST氦低溫系統(tǒng)介紹

根據(jù)EAST裝置的熱負(fù)荷分析，制冷系統(tǒng)主要制冷循環(huán)要求的設(shè)計(jì)制冷量約為2 kW/4 K，其基本的設(shè)計(jì)制冷量為1 050 W/3.5 K+200 W/4.5 K+13 g/sLHe+(13—25)kW/80 K，采用氦作為制冷劑，氦制冷機(jī)的設(shè)計(jì)當(dāng)量超過(guò)2 kW/4 K。EAST氦低溫系統(tǒng)流程如圖1所示，可以分為:壓縮機(jī)站(包括除油系統(tǒng)、干燥系統(tǒng))、制冷機(jī)冷箱、分配閥箱、EAST裝置以及氦儲(chǔ)氣系統(tǒng)，共5個(gè)部分。4臺(tái)低壓機(jī)和3臺(tái)高壓機(jī)能提供超過(guò)400 g/s的20×105Pa氦流，氦流經(jīng)過(guò)水冷卻器和四級(jí)油分離器，再經(jīng)過(guò)活性炭干燥器和分子篩干燥器，進(jìn)入制冷機(jī)冷箱。氦流在制冷機(jī)冷箱內(nèi)通過(guò)液氮預(yù)冷、4個(gè)活性炭?jī)?nèi)吸附器，再經(jīng)過(guò)3臺(tái)透平膨脹機(jī)多級(jí)膨脹，然后到分配閥箱內(nèi)節(jié)流生產(chǎn)液氦，分配閥箱內(nèi)有1 000 L的液氦槽、1 000 L的過(guò)冷槽，以及2臺(tái)氦循環(huán)泵，最后進(jìn)入EAST裝置，為裝置冷質(zhì)部件提供充裕的冷量，保證超導(dǎo)磁體能夠進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)。低溫系統(tǒng)配備工作壓力20×105Pa儲(chǔ)氣罐共8個(gè)，其中6個(gè)100 m3的中壓筒，2個(gè)50 m3的失超儲(chǔ)氣筒。此外，還有一個(gè)100 m3浮筒式氣柜，用于回收氦氣。

圖1 氦低溫系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of helium cryogenic system

2.2 EAST氦低溫系統(tǒng)泄漏現(xiàn)狀

低溫制冷機(jī)從建造到運(yùn)行的各個(gè)階段都考慮如何減小和防止氦泄漏的產(chǎn)生。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)選擇設(shè)備時(shí)，在考慮造價(jià)以及滿足使用性能的同時(shí)，選擇氦泄漏小的。在制冷機(jī)系統(tǒng)的建造安裝時(shí)，制定嚴(yán)格的檢漏規(guī)范，使用氦質(zhì)譜檢漏儀，對(duì)每條焊縫和每個(gè)法蘭都需要檢漏，不能發(fā)生漏檢。系統(tǒng)安裝結(jié)束時(shí)，對(duì)系統(tǒng)分段打壓，分段檢漏，發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)逐個(gè)解決。最后，將制冷機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，測(cè)定系統(tǒng)總漏率，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。另外，在設(shè)備維修時(shí)，每次維修結(jié)束后，要對(duì)維修的地方進(jìn)行檢漏［5］。通過(guò)EAST多年的檢漏實(shí)踐，歸納了低溫系統(tǒng)常見(jiàn)氦泄漏發(fā)生的途徑，如圖2所示。目前，在系統(tǒng)運(yùn)行階段的監(jiān)測(cè)手段主要采用定期的人工巡視和中壓筒的壓力統(tǒng)計(jì)，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏，而且需要工作人員手工計(jì)算。

圖2 氦泄漏途徑Fig.2 Paths of helium leakage

3 氦泄漏監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測(cè)原理

整個(gè)低溫系統(tǒng)的氦流是一個(gè)封閉式的循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)中的氦氣在各個(gè)部分的儲(chǔ)氣量是動(dòng)態(tài)的，但總量是一定的，而且系統(tǒng)運(yùn)行未利用的儲(chǔ)氣罐的氦氣量也是一定的。因此，本文采用質(zhì)量守恒法進(jìn)行氦泄漏監(jiān)測(cè)。

式中:ρ為氦氣或液氦的密度;v為儲(chǔ)氦容器的體積;m為系統(tǒng)管道和EAST裝置中的氦氣質(zhì)量。

氦氣總質(zhì)量是一定的，當(dāng)無(wú)泄漏時(shí)，M是一定的;當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)，變小，ΔM即為泄漏量。該方法原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但它的假設(shè)前提是管道處于穩(wěn)態(tài)工況，EAST裝置氣量為常量。

系統(tǒng)進(jìn)入4.5 K穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段后，氦氣在整個(gè)系統(tǒng)中循環(huán)。氦氣遍布在儲(chǔ)氣系統(tǒng)(中壓筒、失超儲(chǔ)氣筒、浮筒式氣柜)、壓縮機(jī)站、制冷機(jī)冷箱、分配閥箱(液氦槽和過(guò)冷槽)、EAST裝置和系統(tǒng)管道中。由于系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段，壓縮機(jī)與制冷機(jī)各壓力、溫度點(diǎn)基本維持不變，所以壓縮機(jī)和制冷機(jī)部分的容氣量基本保持不變，同時(shí)系統(tǒng)管道也是穩(wěn)定的。此時(shí)中壓筒氦氣的消耗量主要體現(xiàn)在維持分配閥箱液氦槽液位上。如果裝置熱負(fù)荷不增加，即非物理實(shí)驗(yàn)階段，系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，不消耗液氦則中壓筒壓力不會(huì)下降;一旦放電，磁體熱負(fù)荷增加，需要消耗大量液氦，消耗的液氦變?yōu)楹せ貧馐栈刂袎和?，此時(shí)系統(tǒng)為維持液位穩(wěn)定，壓機(jī)會(huì)進(jìn)行補(bǔ)氣控制。所以系統(tǒng)處于一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的過(guò)程。

綜上可得，儲(chǔ)氣系統(tǒng)和分配閥箱中的氦氣總質(zhì)量是一定的，其中未利用的儲(chǔ)氣筒氦氣質(zhì)量也是一定的，所以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)儲(chǔ)氣筒中的氦氣質(zhì)量和氦氣總質(zhì)量，一旦發(fā)生異常變化時(shí)，建議進(jìn)行泄漏查找。

3.2 氦泄漏監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述分析，為實(shí)現(xiàn)氦泄漏的監(jiān)測(cè)，應(yīng)對(duì)各個(gè)儲(chǔ)氣筒、液氦槽和過(guò)冷槽的氦氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.2.1 各個(gè)儲(chǔ)氣筒氦氣質(zhì)量計(jì)算

由于儲(chǔ)氣筒體積是一定的，只需得到氦氣的密度即可計(jì)算筒中的氦氣質(zhì)量。氦氣的密度受氦氣壓力和溫度影響，需監(jiān)測(cè)儲(chǔ)氣筒中的氦氣壓力和溫度，調(diào)用Hepak的查詢氦氣密度程序get Density(ByVal Pgas As Double，ByVal Tgas As Double)，求得氦氣密度。浮筒氣柜中的氦氣是處在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的，通過(guò)氣柜的氣位高度可計(jì)算氦氣質(zhì)量。

3.2.2 液氦槽和過(guò)冷槽氦氣質(zhì)量計(jì)算

液氦槽和過(guò)冷槽中氦氣是以飽和液氦和飽和氦氣的形式共存的，需要分別計(jì)算質(zhì)量。計(jì)算飽和液氦和飽和氦氣的質(zhì)量，需要監(jiān)測(cè)槽內(nèi)的飽和液氦密度和液氦的體積，密度根據(jù)壓力可調(diào)用Hepak飽和液氦密度程序getsLDensity(ByVal Pgas As Double)獲取，體積可通過(guò)液氦槽中的液位獲取。飽和氦氣的密度根據(jù)壓力可調(diào)用Hepak飽和氦氣密度程序getsVDensity(ByVal Pgas As Double)獲取，飽和氦氣的體積是整個(gè)氦槽體積減去液氦的體積。

根據(jù)上述需求分析，列出相關(guān)參數(shù)測(cè)量點(diǎn)需求表，如表1所示。其中，2#—9#儲(chǔ)氣筒處在相同的室外環(huán)境中，實(shí)際溫度測(cè)量時(shí)共用一個(gè)溫度計(jì)。

表1 測(cè)量點(diǎn)需求表Table 1 List of measurement points requirement

4 氦泄漏監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)

4.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

EAST低溫系統(tǒng)采用的是美國(guó)Emerson公司的DeltaV DCS(集散控制系統(tǒng))，氦泄漏監(jiān)測(cè)程序采用Visual Basic 6.0編程實(shí)現(xiàn)，通過(guò)OPC(OLE for Process Control)協(xié)議，獲取監(jiān)測(cè)信號(hào)值，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在DeltaV的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視、數(shù)據(jù)曲線查看等功能。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體框架如圖3所示，包括現(xiàn)場(chǎng)的壓力、溫度和液位等檢測(cè)儀表、控制柜I/O卡件、DCS歷史數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算機(jī)和泄漏監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)。

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of inspection system

I/O Card是DCS現(xiàn)場(chǎng)儀表與裝置控制層之間的橋梁。壓力和液位傳感器輸出4—20 mA的電流信號(hào)，直接接入控制柜模擬量輸入(AI)卡;溫度傳感器采用 Pt100，輸出電阻信號(hào)，接入電阻式溫度輸入(RTD)卡，再利用擬合公式計(jì)算溫度值。

4.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面

氦泄漏監(jiān)測(cè)界面如圖4所示，界面給出了低溫系統(tǒng)氦循環(huán)的流程簡(jiǎn)圖，可以顯示了氦儲(chǔ)氣罐中的氦氣壓力、液位、溫度等信號(hào)，并計(jì)算出每個(gè)部分的質(zhì)量和氦氣總質(zhì)量。在EAST裝置4.5 K穩(wěn)定運(yùn)行期間，因ESAT裝置熱負(fù)荷變化，氦氣總質(zhì)量處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)中，未利用的中壓筒、失超儲(chǔ)氣筒和氣柜氦氣質(zhì)量保持不變。

圖4 氦泄漏監(jiān)測(cè)界面Fig.4 Interface of helium leakage inspection

5 氦泄漏監(jiān)測(cè)的運(yùn)行

本輪實(shí)驗(yàn)從2月7號(hào)正式開(kāi)始，進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后各部分運(yùn)行良好，氦氣總質(zhì)量處于動(dòng)態(tài)平衡中。動(dòng)態(tài)平衡中的M上下值，取決于每天的放電次數(shù)和每次的放電時(shí)間，放電次數(shù)越多、每次放電時(shí)間越長(zhǎng)，波動(dòng)越大。根據(jù)近4個(gè)多月的運(yùn)行情況來(lái)看，正常放電期間，波動(dòng)峰值差在30—50 kg之間。根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)中的故障發(fā)生和泄漏監(jiān)測(cè)運(yùn)行情況，取出2月28號(hào)到3月9號(hào)共10天的氦氣總質(zhì)量的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

在3月3號(hào)09:15出現(xiàn)真空嚴(yán)重故障，低溫系統(tǒng)立即自動(dòng)回收氦氣，監(jiān)測(cè)的氦氣總質(zhì)量迅速上升，如圖5的A點(diǎn)所示。在10:18左右達(dá)到最高值745 kg，遠(yuǎn)超出了故障前正常的氦氣質(zhì)量波動(dòng)范圍。

故障發(fā)生后氦氣總質(zhì)量的平均值，約為691 kg，明顯低于故障前的平均值，約為708 kg。如圖5的B點(diǎn)所示，表明系統(tǒng)存在氦氣泄漏問(wèn)題，換算成標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的體積約為106 m3。經(jīng)工作人員檢查，發(fā)現(xiàn)1#壓縮機(jī)的安全閥焊縫震裂，導(dǎo)致氦氣泄漏。及時(shí)發(fā)現(xiàn)了故障，避免了更大的氦泄漏。

6 總結(jié)

氦泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各個(gè)儲(chǔ)氣罐的氦氣質(zhì)量和氦氣的總質(zhì)量，幫助發(fā)現(xiàn)故障導(dǎo)致的氦氣泄漏，及時(shí)提醒工作人員進(jìn)行氦氣檢漏，減少了因人工監(jiān)測(cè)不利造成的長(zhǎng)時(shí)間氦氣泄漏，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。但目前的氦泄露監(jiān)測(cè)程序僅適用于低溫系統(tǒng)的4.5 K穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段，對(duì)于降溫階段，由于壓縮機(jī)、制冷機(jī)各部分壓力、溫度點(diǎn)都在變化，各部分儲(chǔ)氣量無(wú)法確定，因此無(wú)法適用。下一步工作將利用系統(tǒng)各部分已有壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)壓力的變化率，結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，研究泄漏點(diǎn)的定位。

圖5 氦氣總質(zhì)量曲線圖Fig.5 Curve of helium summation mass

1 白紅宇.HT－7U超導(dǎo)托卡馬克氦制冷機(jī)系統(tǒng)熱力分析及設(shè)計(jì)研究［D］.合肥:中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所，2002.

2 吳克平.EAST裝置低溫系統(tǒng)氦泄漏研究［J］.低溫與超導(dǎo)，2010，9(39):30－32.

3 張新年.天然氣管道泄漏檢測(cè)技術(shù)綜述［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2009，22:106－107.

4 毛海杰.天然氣長(zhǎng)輸管道泄漏點(diǎn)的檢測(cè)與定位方法研究［D］.蘭州:蘭州理工大學(xué)，2004.

5 吳克平.EAST 2kW/4W氦制冷機(jī)檢漏及真空系統(tǒng)運(yùn)行情況［J］.低溫與超導(dǎo)，2010，38(1):6－8.