BEPCLL局部氦冷卻系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真與控制實(shí)現(xiàn)研究.pdf

1、北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)重大改造工程(Beijing Electron-Positron Collider Upgrade，簡(jiǎn)稱BEPCII)是我國(guó)正在進(jìn)行的少數(shù)幾個(gè)大科學(xué)工程項(xiàng)目之一。為了實(shí)現(xiàn)把亮度提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)的目標(biāo)，在項(xiàng)目中引進(jìn)了超導(dǎo)射頻腔(SRF Cavities)和超導(dǎo)四極磁鐵(SCQ magnets)等超導(dǎo)技術(shù)和設(shè)備。由于我國(guó)第一次建造大型低溫超導(dǎo)系統(tǒng)，缺乏對(duì)用于超導(dǎo)加速器裝置的大型氦低溫冷卻技術(shù)的研究和準(zhǔn)備，而且工程完成時(shí)間要求

2、嚴(yán)格，在諸多低溫和超導(dǎo)問題的技術(shù)實(shí)現(xiàn)上都存在著挑戰(zhàn)。本文在廣泛查閱國(guó)外文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，針對(duì)SRF供氦系統(tǒng)和SCQ本地氦冷卻系統(tǒng)，從機(jī)理建模出發(fā)進(jìn)行了大量的仿真研究，特別是動(dòng)態(tài)仿真研究。在深入認(rèn)識(shí)系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理的基礎(chǔ)上提出解決問題的辦法。
　　進(jìn)氦調(diào)節(jié)閥的后面跟隨著較長(zhǎng)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(duì)這個(gè)問題，本文進(jìn)行了深入的研究對(duì)該影響給出了定量的計(jì)算。為了使數(shù)學(xué)模型更貼近于氦兩相流在管線中傳輸?shù)膶?shí)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(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上給出了傳輸線系統(tǒng)的顯式數(shù)值計(jì)算方泫。提出顯式數(shù)值計(jì)算與集合映射相結(jié)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(shù)學(xué)求解問題，最終得到調(diào)節(jié)閥對(duì)SRF供氦傳輸線系統(tǒng)末端液氦流量穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)特性的計(jì)算方法。它對(duì)于輔助SRF恒溫器液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試具有重要意義。文中以實(shí)際運(yùn)行參數(shù)作為計(jì)算實(shí)例演示了該計(jì)算方法并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分

4、析。利用基于兩相流雙分量模型的計(jì)算方法對(duì)一種解析的近似計(jì)算方法進(jìn)行了對(duì)比分析，指出了解析方法的局限性，深化了對(duì)低溫兩相流傳輸物理機(jī)理的認(rèn)識(shí)。
　　針對(duì)SRF氦冷卻系統(tǒng)的3個(gè)組成部分：液氦杜瓦、進(jìn)氦調(diào)節(jié)閥與低溫傳輸線系統(tǒng)、SRF恒溫器分別進(jìn)行了動(dòng)態(tài)機(jī)理建模，最終得到了SRF供氦系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型。在詳細(xì)闡述信號(hào)回路概念的基礎(chǔ)上確定了成功進(jìn)行機(jī)理模型動(dòng)態(tài)仿真的關(guān)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(dòng)

5、態(tài)仿真模型，利用動(dòng)態(tài)參數(shù)優(yōu)化算法分別對(duì)兩個(gè)控制回路的控制器參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。針對(duì)制冷機(jī)冷箱關(guān)閉工況，在SRF供氦系統(tǒng)仿真模型的基礎(chǔ)上，對(duì)杜瓦電加熱器一壓力控制回路不投入運(yùn)行與投入運(yùn)行兩種情況進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真。仿真結(jié)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(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)7倍以上。
　　針對(duì)SRF傳輸線系統(tǒng)沒有安裝流量測(cè)量元件的實(shí)際情況，提出在制冷機(jī)冷箱關(guān)閉工況下利用杜瓦電熱器功率間接測(cè)量傳輸線中兩相流質(zhì)量流量的軟測(cè)量方法，進(jìn)

6、而提出估計(jì)傳輸線漏熱和SRF恒溫器熱負(fù)載的實(shí)驗(yàn)方法和計(jì)算公式。
　　為了滿足SCQ恒溫器控制方法動(dòng)態(tài)仿真研究的需要，本文為SCQ恒溫器提供了簡(jiǎn)化的超臨界氦數(shù)學(xué)模型及其在Simulink中的實(shí)現(xiàn)方法。詳細(xì)分析了第一對(duì)撞廳低溫系統(tǒng)整體和局部之間的關(guān)系，總結(jié)出對(duì)SCQ恒溫器本地控制和系統(tǒng)最佳運(yùn)行工況的要求?？紤]到在低溫系統(tǒng)中流量和溫度測(cè)量信號(hào)不適合用作控制信號(hào)，闡明了一種自穩(wěn)定控制的方法和原理。理論分析和動(dòng)態(tài)仿真都證明了該方法的穩(wěn)定特性

7、。在此基礎(chǔ)上給出調(diào)試階段尋找SCQ恒溫器最小流量和調(diào)整整個(gè)低溫系統(tǒng)到最佳運(yùn)行工況的實(shí)現(xiàn)途徑。
　　針對(duì)第一對(duì)撞廳低溫溫度測(cè)點(diǎn)較多而低溫溫度測(cè)量造價(jià)昂貴的情況，基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)提出一種嵌入可編程邏輯控制器(PLC)的低溫溫度信號(hào)采集方案。給出了該方案在西門子PLC上的實(shí)現(xiàn)方法。
　　本文的研究工作為BEPCII低溫系統(tǒng)下一階段的調(diào)試運(yùn)行提供了方法上、技術(shù)上和理論上的支持，對(duì)于降低低溫系統(tǒng)調(diào)誡風(fēng)險(xiǎn)、縮短調(diào)試時(shí)間以及指導(dǎo)今后低溫系