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.