大功率电涡流制动氦透平膨胀机在EAST氦制冷机中的控制与调试

周芷伟 张启勇 朱 平 付 豹 夏根海 胡良兵

(中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031)

大功率电涡流制动氦透平膨胀机在EAST氦制冷机中的控制与调试

周芷伟 张启勇 朱 平 付 豹 夏根海 胡良兵

(中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031)

为保障系统的制冷量与可靠性，EAST托卡马克装置2kW氦制冷机采用了动压气体轴承电涡流制动氦透平膨胀机替代原有的油气混合轴承氦透平膨胀机。新电涡流制动氦透平膨胀机配合转子冷却回路运行，制动功率最大可达10 kW。氦透平膨胀机采用全动压径向气体轴承，而下止推轴承则引入静压气体用于增加止推轴承的承载力。目前，大功率电涡流制动氦透平膨胀机已完成在EAST氦制冷机中的安装与调试运行。介绍了电涡流制动氦透平膨胀机的测量与控制设计，在调试运行的基础上总结了氦透平膨胀机的启动与停机控制流程，并对其低温调试进行了详细分析。调试结果表明，电涡流制动的应用简化了氦透平膨胀机的启动、停机与操作流程，有助于EAST氦制冷机全自动控制的实现。

氦透平膨胀机 氦制冷机 电涡流制动 控制流程 EAST托卡马克

1 引 言

EAST全超导托卡马克装置于2005年在中国科学院等离子体物理研究所建成并完成了第一次联合调试，其2 kW氦制冷机为EAST装置及其各冷却部件提供所需冷量，是EAST装置的重要子系统之一[1]。氦透平膨胀机是氦制冷机中的关键降温部件，其运行稳定性及效率决定了整个氦制冷机的稳定性与效率，从而直接影响了EAST装置物理实验的安全稳定运行。EAST氦制冷机中共有4台氦透平膨胀机，1台用于冷却EAST装置的冷屏，另外3台用于制取4.5 K的制冷量冷却超导磁体。原先4台氦透平膨胀机均为油气混合轴承氦透平膨胀机，其启动过程的稳定性较差，易损坏[2]。在多轮EAST降温实验运行中，4台俄制透平膨胀机多次出现不同故障[3]。油气混合轴承的结构形式，增加了操作的复杂性，氦透平膨胀机的可控性与稳定性较差，严重制约了EAST氦制冷机的性能与可靠性。因此，根据EAST氦制冷机的最新负载要求，中国科学院等离子体物理研究所进行了新流程的设计，明确了新制冷量下的氦透平膨胀机参数，选购动压气体轴承氦透平膨胀机[4]。

EAST全新透平采用捷克ATEKO公司的HET 10氦透平膨胀机。HET 10是在成熟的动压气体轴承与电涡流制动技术的基础上改进而成，特别为氦制冷机设计研发。电涡流制动的显著优点就是控制方便、灵敏，缩短了氦透平膨胀机的启动时间。一般的电涡流制动氦透平膨胀机制动功率在0.1—8 kW，其制动产生大量的热，由冷却水直接冷却。而对于更大功率(最大10 kW)的电涡流制动氦透平膨胀机，除使用冷却水带走热量，还采用转子冷却回路(RCC)来增加制动功率。HET 10氦透平膨胀机转子位于全动压径向气体轴承中；上止推轴承为带有螺旋槽的动压气体轴承，而下止推轴承则引入静压气体用于增加止推轴承的承载力[5]。

2 大功率电涡流制动氦透平膨胀机的测量与控制

在升级改造后的EAST氦制冷机中，原先的一级膨胀路氦透平膨胀机T1与T2由HET 10透平TB与TC替代；冷屏冷却路氦透平膨胀机T4由HET 10透平TA1与TA2串联取代。最新的氦透平膨胀机HET 10设计参数如表1。

4台新透平的测量与控制由西门子的故障安全型PLC系统实现，采用了IM151-7F CPU的ET200S-F智能从站，与作为主站的EAST低温控制系统DeltaV DCS通过PROFIBUS DP协议进行通信。PLC控制系统完成透平的启动运行、转速调节、停机、故障保护及运行状态监测与控制。DeltaV DCS上设计有透平监控界面，操作员可选择本地/远程控制模式，在DCS上实现透平的远程启动与停机。

如图1所示为EAST低温控制系统监控界面，图中可见氦透平膨胀机TB与TC在EAST氦制冷机中的控制流程。HET 10氦透平膨胀机的控制流程包括冷却水回路、轴承气回路与主进气路。两串联透平分别有各自的冷却水回路，均与冷水机组相连；冷水机组提供入口温度5 ℃、入口压力0.3 MPa(表压)的冷却水。两冷却水回路并联，总入口安装电磁阀与压力开关PS、两出口分别安装流量开关FS，用来监测冷却水压力与流量、控制冷却水回路的开关。两轴承气回路并联，回路上安装有自动隔膜阀PD阀与PV阀；PD阀保持轴承气入口压力高于0.5 MPa(表压)，PV阀释放热轴承气回气至制冷机低压路。主进气路入口安装进气调节阀，用于调节透平的进口压力与流量。HET 10氦透平膨胀机采用电涡流制动，由24 V的直流固定电源调节制动电流的大小控制透平转速。

图1 HET 10氦透平膨胀机TB与TC在EAST氦制冷机中的监控界面Fig.1 Supervisory interface of HET 10 turbines TB and TC in EAST helium refrigerator

3 透平启动与停机控制流程

由于HET 10氦透平膨胀机采用了电涡流制动的控制方式，启动前首先需要：

(1)检测转速计、放大器、紧急制动电源与可调电源是否正常；

(2)打开冷水机组、检查冷却水供应，确保冷却水压力在0.3 MPa(表压)以上；此时冷水机组只需启动水泵，无需启动压缩机制冷；

(3)打开轴承气，确保轴承气压力高于0.5 MPa(表压)；

(4)检测制冷机控制系统与透平PLC的通信正常。透平启动前需给PLC控制柜供电，控制柜上电后，监控界面上显示透平状态POWER ON。

当以上透平启动条件全部满足后，DCS监控界面上显示READY，查看Prepared状态为YES，则表示透平可以启动。HET 10氦透平膨胀机的启动/停机流程如图2所示。操作员可以选择LOCAL或REMOTE控制方式，按下START按钮启动透平。透平启动后首先进入Check&Start阶段，在此阶段中，PLC自动打开冷却水电磁阀，然后进行启动条件检测；之后在TEMPERING阶段，透平制动电流输出17A给透平预热120s；在BEFORE START阶段，透平PLC自动打开轴承气电磁阀；80%加速阶段，通过DCS控制缓慢打开入口阀，透平转速逐渐上升至80%额定转速；在80%NOMINAL SPEED期间，继续开大入口阀，启动冷水机组压缩机进行制冷；透平经过100%加速阶段，最终达到100%额定转速。此后继续开大入口阀，直至透平入口压力达到设计参数。

图2 HET 10氦透平膨胀机的启动与停机流程Fig.2 Startup and stop control flow of HET 10 turbines

氦透平的停机流程分为正常停机与保护停机。如图2所示，正常停机由操作员按下STOP按钮，入口阀即刻关闭。此时由可调电源给制动器供电，转速将减小至80%设定值；再下降为0。保护停机则是当紧急停机条件发生时，透平PLC自动关闭透平入口电磁阀进行紧急保护，此时由直流24 V固定电源给制动器供电，进行紧急制动停机。转速为0后，PLC会自动关闭冷却水与轴承气电磁阀。透平的紧急停机条件包括，冷却水流量、轴承气压力错误，透平超速，制动电流、转速、震动、内压、进出口压力与温度、冷却水温度、轴向力达到报警值，紧急停机按钮按下，制冷机外部故障等。

由于HET 10透平的下止推轴承运行在静压模式下，其轴承气路的控制区别于全动压气体轴承透平控制。透平的轴承气与冷却水一样，在透平启动、停机以及正常运行过程中一直供应。而全动压气体轴承透平的轴承气只是在透平启动与停机过程中的低转速时需要，转速达到几万转后则不再需要提供轴承气。

4 透平的低温调试

4台HET 10氦透平膨胀机在EAST氦制冷机中分别进行了常温调试与低温调试，即在常温下启动透平以及在制冷机液氮预冷后启动透平。透平对氦气纯度要求较高，纯度不够会导致透平运行时轴向力过大保护停机。图3为透平TB与TC一次完整的低温调试运行曲线，由图可看出透平的启动与停机过程以及透平降温过程。

制冷机经过液氮预冷，透平TB启动时的进口温度为266 K，TC进口温度为284 K，入口压力均为0.106 MPa(绝压)。按下START按钮，透平进入检测状态。在80%加速阶段，透平入口阀初始开度20%，随后以5%/min，再以2%/min的增幅增加开度，直至入口阀33%时，两透平已达到额定转速。两透平在80%额定转速阶段维持4 min，在此期间继续开大透平入口阀。透平从启动到100%额定转速大约需要6 min，转速从0加速到80%额定转速仅需1 min，80%加速到100%额定转速也仅需1 min。在透平加速过程中，由制动电流控制其转速，如果制动电流超出限值，透平PLC会发出Reduce Opening信号，要求减小入口阀开度。透平达到额定转速后，以1%/min继续开大入口阀，带动整个制冷机降温，直至达到设计参数。

表2为透平TB与TC稳定运行后的一组调试参数。由于制冷机运行状态的影响，两透平的实际运行参数与设计参数还存在一定偏差；并且透平调试时的转速控制是以设计参数下的额定转速作为转速设定值，并非最优转速，对透平效率会造成直接的影响。由表2数据可以看出，透平TB在设计进口压力下，进口温度偏低，出口压力偏高，效率低于设计值；直接影响透平TC进口压力偏高，效率也低于设计值。但实际流量比设计流量偏大，因此两透平的制冷量均满足系统需求。在今后的实际运行中，可通过制冷机的调节改变透平的进口温度，并计算最优转速作为转速控制设定值，可适当提高透平效率。

图3 HET 10氦透平膨胀机TB与TC的启动与停机运行调试曲线Fig.3 Operation curves of startup and stop for HET 10 turbines TB and TC

表2 氦透平膨胀机TB与TC在EAST氦制冷机中的调试参数Table 2 Operation parameters of helium turbines TB&TC in EAST helium refrigerator

两透平从启动到入口降温至设计温度用时约2.5小时；透平进气压力达到设计值，制冷机各级换热器降温到位用时约4小时；之后稳定运行1小时后，进行正常停机操作。正常停机首先逐渐关小入口阀，以减小透平停机对制冷机系统的冲击。转速仍维持在设定值，制动电流一直减小。当任一级透平制动电流减小至0.15—0.2 A左右时，可按下STOP按钮，入口阀即刻自动关闭为0。根据低温调试经验，入口阀减载过程约需12 min；按下STOP按钮后透平完成停机流程大约历时2 min。透平操作简单，在整个启动、运行与停机过程中，转速控制稳定、响应快速，能够满足氦制冷机的降温需求。

5 结 论

大功率电涡流制动氦透平膨胀机HET 10，在经过多次低温调试后，已投入EAST装置第十一次降温实验运行中，目前为止运行稳定。HET 10透平的启动、停机与故障保护等主要由现场PLC实现，而低温控制系统DeltaV DCS作为DP主站实现了透平的远程监控以及透平与制冷机的协调控制。大功率电涡流制动透平由于其制动功率太大，在冷却水与轴承气上的控制都与全动压涡流制动透平存在着区别。本文在透平多次调试的基础上，对其启动与停机控制流程进行了总结，形成了完备的操作规程；并结合运行曲线对透平性能与控制进行了详细分析。结果表明，电涡流制动氦透平膨胀机性能良好，满足氦制冷机的制冷量与可靠性需求；并且启动快速、转速控制稳定、操作简单、监控与保护完善，为实现EAST氦制冷机的全自动控制奠定了基础。

1 Bai Hongyu，Bi Yanfang，Zhu Ping，et al. Cryogenics in EAST[J]. Fusion Engineering and Design，2006，81，2597-2603.

2 付豹，张启勇，朱平，等. EAST低温系统俄制氦透平膨胀机维修改进与测试[J]. 低温工程，2011(4)：41-45.

Fu Bao，Zhang Qiyong，Zhu Ping，et al. Testing and repairing of Russia helium turbine for EAST cryogenic system[J]. Cryogenics，2011，182(4)：41-45.

3 邱立龙，白红宇，庄明，等. EAST氦低温系统透平故障分析[J]. 低温工程，2009(3)：41-45.

Qiu Lilong，Bai Hongyu，Zhang Qiyong，et al. Turbine problems analysis of EAST cryogenic system[J]. Cryogenics，2009(3)：41-45.

4 朱平，徐光福，吴克平，等. EAST氦制冷机中透平膨胀机升级改造[J]. 低温与超导，2010，38(8)：10-13.

Zhu Ping，Xu Guangfu，Wu Keping，et al. Upgrade of turbo-expanders of EAST helium refrigeration[J]. Cryogenics & Superconductivity，2010，38(8)：10-13.

5 Schustr P，Plasil V，Simek J，et al. Expansion turbines for Brayton cycle and He or LNG liquefiers[C]. The 13thCryogenics 2014，IIR International Conference，Prague，Czech Republic：2014. 116-120.

Control and commissioning of helium turbine expanders with big power eddy current brake in EAST helium refrigerator

Zhou Zhiwei Zhang Qiyong Zhu Ping Fu Bao Xia Genhai Hu Liangbing

(Institute of Plasma Physics，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230031，China)

In order to ensure the refrigeration power and reliability，the dynamic gas bearing helium turbine expanders with eddy current brake were adopted to replace the original oil-gas hybrid bearing helium turbine expanders in 2kW helium refrigerator of EAST Tokamak. The new turbines with eddy current brake was put into operation with Rotor Cooling Circuit，whose total braking capacity can reach 10kW. The turbine rotor is situated in fully dynamic radial gas bearings. Lower thrust gas bearing is static with permanent supply of the helium gas to increase the thrust carrying capacity. Till now，the installation and commissioning of the eddy current brake turbines with big brake power have been performed. The measurement and control design of eddy current brake turbines were introduced. Turbines start-up and shut-down procedures were concluded based on the commissioning，and the cryogenic operation was analyzed in detail. The test result shows that the application of eddy current simplifies the turbine’s start-up，shut down process,which is helpful to realize automatic control of the EAST helium refrigerator.

helium turbine expander；helium refrigerator；eddy current brake；control flow；EAST Tokamak

2016-05-06；

2016-07-29

国家自然科学基金青年科学基金项目(11505237、51506209)资助。

周芷伟，女，34岁，博士、副研究员。

TB653

A

1000-6516(2016)04-0011-05