BEPCLL局部氦冷卻系統(tǒng)動態(tài)仿真與控制實現(xiàn)研究.pdf

1、北京正負電子對撞機重大改造工程(Beijing Electron-Positron Collider Upgrade，簡稱BEPCII)是我國正在進行的少數幾個大科學工程項目之一。為了實現(xiàn)把亮度提高兩個數量級的目標，在項目中引進了超導射頻腔(SRF Cavities)和超導四極磁鐵(SCQ magnets)等超導技術和設備。由于我國第一次建造大型低溫超導系統(tǒng)，缺乏對用于超導加速器裝置的大型氦低溫冷卻技術的研究和準備，而且工程完成時間要求

2、嚴格，在諸多低溫和超導問題的技術實現(xiàn)上都存在著挑戰(zhàn)。本文在廣泛查閱國外文獻資料的基礎上，針對SRF供氦系統(tǒng)和SCQ本地氦冷卻系統(tǒng)，從機理建模出發(fā)進行了大量的仿真研究，特別是動態(tài)仿真研究。在深入認識系統(tǒng)運行機理的基礎上提出解決問題的辦法。
　　進氦調節(jié)閥的后面跟隨著較長的低溫傳輸管線，這給SRF恒溫器液位控制帶來很大的影響。針對這個問題，本文進行了深入的研究對該影響給出了定量的計算。為了使數學模型更貼近于氦兩相流在管線中傳輸的實際物

3、理過程，在兩相流的雙分量模型中增加了摩擦熱影響空泡率的考慮。在兩相流傳輸模型和傳輸線彎頭簡化模型的基礎上給出了傳輸線系統(tǒng)的顯式數值計算方泫。提出顯式數值計算與集合映射相結合的方法，解決了不完整雙邊邊界條件下SRF供氦傳輸線系統(tǒng)的數學求解問題，最終得到調節(jié)閥對SRF供氦傳輸線系統(tǒng)末端液氦流量穩(wěn)態(tài)調節(jié)特性的計算方法。它對于輔助SRF恒溫器液位控制系統(tǒng)的設計與調試具有重要意義。文中以實際運行參數作為計算實例演示了該計算方法并對計算結果進行了分

4、析。利用基于兩相流雙分量模型的計算方法對一種解析的近似計算方法進行了對比分析，指出了解析方法的局限性，深化了對低溫兩相流傳輸物理機理的認識。
　　針對SRF氦冷卻系統(tǒng)的3個組成部分：液氦杜瓦、進氦調節(jié)閥與低溫傳輸線系統(tǒng)、SRF恒溫器分別進行了動態(tài)機理建模，最終得到了SRF供氦系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型。在詳細闡述信號回路概念的基礎上確定了成功進行機理模型動態(tài)仿真的關鍵措施。分別完成了SRF恒溫器液位控制回路與杜瓦電加熱器一壓力控制回路的動

5、態(tài)仿真模型，利用動態(tài)參數優(yōu)化算法分別對兩個控制回路的控制器參數進行了優(yōu)化。針對制冷機冷箱關閉工況，在SRF供氦系統(tǒng)仿真模型的基礎上，對杜瓦電加熱器一壓力控制回路不投入運行與投入運行兩種情況進行了動態(tài)仿真。仿真結果表明投入控制回路將使得 SRF恒溫器液位控制系統(tǒng)持續(xù)運行時間延長7倍以上。
　　針對SRF傳輸線系統(tǒng)沒有安裝流量測量元件的實際情況，提出在制冷機冷箱關閉工況下利用杜瓦電熱器功率間接測量傳輸線中兩相流質量流量的軟測量方法，進

6、而提出估計傳輸線漏熱和SRF恒溫器熱負載的實驗方法和計算公式。
　　為了滿足SCQ恒溫器控制方法動態(tài)仿真研究的需要，本文為SCQ恒溫器提供了簡化的超臨界氦數學模型及其在Simulink中的實現(xiàn)方法。詳細分析了第一對撞廳低溫系統(tǒng)整體和局部之間的關系，總結出對SCQ恒溫器本地控制和系統(tǒng)最佳運行工況的要求?？紤]到在低溫系統(tǒng)中流量和溫度測量信號不適合用作控制信號，闡明了一種自穩(wěn)定控制的方法和原理。理論分析和動態(tài)仿真都證明了該方法的穩(wěn)定特性

7、。在此基礎上給出調試階段尋找SCQ恒溫器最小流量和調整整個低溫系統(tǒng)到最佳運行工況的實現(xiàn)途徑。
　　針對第一對撞廳低溫溫度測點較多而低溫溫度測量造價昂貴的情況，基于現(xiàn)場總線技術提出一種嵌入可編程邏輯控制器(PLC)的低溫溫度信號采集方案。給出了該方案在西門子PLC上的實現(xiàn)方法。
　　本文的研究工作為BEPCII低溫系統(tǒng)下一階段的調試運行提供了方法上、技術上和理論上的支持，對于降低低溫系統(tǒng)調誡風險、縮短調試時間以及指導今后低溫系