製冷方法和具有脈衝載荷的設備的製作方法

2023-05-10 02:26:46

專利名稱：製冷方法和具有脈衝載荷的設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種脈衝負載冷卻方法和製冷器。本發明更具體地涉及用於冷卻「託卡馬克(Tokamak)」的構件——即用於間歇地生成等離子體的設備的構件——的脈衝負載方法，所述方法採用使諸如氦之類的工作流體經歷工作循環的冷卻裝置，所述工作循環包括壓縮；冷卻和膨脹；與構件進行換熱；以及加熱，所述託卡馬克包括至少一個稱為「周期性和對稱的」操作模式的操作模式，即以兩個連續的等離子體之間的時長Dp的間隔周期性地產生預設時長Dp的等離子體的操作模式，所述間隔的時長與等離子體的時長Dp最多相差30%(Dnp=Dp±30%)，根據所述方法，當託卡馬克處於等離子體生成相位時，由冷卻裝置產生的冷卻功率/能力升高到相對高的水平，而當託卡馬克不再處於等離子體生成相位時，由冷卻裝置產生的冷卻能力降低至相對低的水平。
本發明更具體地涉及用於冷卻託卡馬克的構件、即用於間歇地生成等離子體的設備的構件的脈衝負載冷卻方法和製冷器。
背景技術：
託卡馬克(Tokamak,俄語「ToroidalnayaKamera c Magnitnymi Katushkami，，的首字母縮略語)是能夠產生從熔融獲得功率所需的物理條件的設備。具體地，託卡馬克間歇地產生等離子體,即導電的電離氣體。託卡馬克的冷卻要求取決於它們的高瞬態操作狀態。託卡馬克在不連續、重複的爆炸中產生等離子體。等離子體按需以規則的間隔或者隨機地循環生成。該操作模式需要所謂的脈衝載荷冷卻，即在很短的時間量(在等離子體生成相位期間)需要很大的冷卻能力，這種高冷卻要求之後為冷卻要求低的較長周期(直到生成下一個等離子體)。託卡馬克製冷器因此設計成滿足該操作模式的要求。因此，這些製冷器採用所謂的「節約裝置」模式，在等離子體之間的周期中產生液氦。所產生的液氦被存儲在儲器中，所述液氦將通過沸騰被消耗，以在等離子體生成相位期間冷卻託卡馬克的構件。當兩個等離子體之間的周期足夠長時，液氦儲器在接下來的等離子體前達到最大充填水平。然後可以降低製冷器的冷卻能力，從而節省大量功率。在常規方案中，通過減小循環的壓力(即，通過降低氦在其工作循環中的壓縮的壓力水平)來使製冷器的功率最小化。當使用調頻器時，也可以通過改變循環流速來降低或升高製冷器的功率(即，選擇性地降低或升高通過工作循環的氦氣的流速)。加熱器通常設置在液氦儲器中。啟用該加熱器以便消耗過量的冷卻能力，從而保持液位恆定或至少低於最大閾值。通常，當生成新等離子體時，(由操作人員)手動地或者根據加熱器的「加熱曲線」來使製冷器產生最大冷卻能力。當等離子體已消失並且所需的冷卻能力較低時，製冷器返回產生較小冷卻能力的機制通常在未向加熱器供給功率時自動實現。儘管該操作模式總體上合意，但製冷器的功率消耗保持較高。某些託卡馬克通過重複、周期性和循環地生成等離子體來操作，所述等離子體的周期性輪廓接近正弦模式，即，等離子體相位和沒有等離子體的相位以相等或基本上相等的時長周期性地更替。儘管在通/斷模式下生成等離子體，但製冷器所具備的熱負載(即冷卻要求)與正弦波相似。通常，通過使工作流體(例如氦)的工作循環的壓力和流速與冷卻要求匹配來調節製冷器的功率。為了簡單起見，在下文的描述中將該工作流體稱為「氦」。當然，該工作流體並不僅限於該氣體而是可以包括任何合適的氣體或氣體混合物。
高冷卻能力製冷器的工作循環常常包括三個循環壓力水平高壓(HP)、中壓(MP)和低壓(BP)。有時，在需要時，氦承受其它另外的壓力水平。例如，該工作循環可以包括其中氦承受低於大氣壓的壓力(LP)的階段。然而，根據本發明的方法和裝置並不限於特定數量的壓力階段。高壓HP氦被進給到發生相當大程度膨脹的系統，諸如Brayton渦輪機、冷渦輪機或 Joule-Thomson 閥。通常需要中壓MP氦來限制Brayton潤輪機的功率,所述Brayton潤輪機並非始終在技術上能夠使氦在高壓HP水平和低壓BP水平之間完全膨脹。於是高壓HP水平和中壓MP水平之間可能存在受限的膨脹。此外，中壓MP水平的存在可以得益於通過對氦壓縮進行分級來提高壓縮機的效率。普遍使用理論值MP二 BPxHP來設計最佳壓力級。低壓BP就其本身而言與氦的飽和壓力和壓縮機的入口壓力對應。當所需的氦溫度低於4. 3K時，飽和壓力為低於大氣壓(LP)，於是在低於大氣壓的壓力LP和低壓BP之間需要另外的壓縮級。本發明的發明人已觀察到調節製冷器的功率以便恰當地滿足託卡馬克的冷卻要求較為困難並需要操作人員一方作出大量的努力。特別地，控制託卡馬克的熱負載的規則性相對困難。本發明的發明人已觀察到，如果製冷器的功率調節得不好，則緩衝區中的液氦液位在各循環間可能總是升高或降低。因此，需要中斷等離子體生成的順序以便允許緩衝罐中的液氦液位返回其初始狀態或給定的充填水平，以試圖只要有可能就將該水平保持在最大閾值和最小閾值之間——這對於設備的安全操作是必要的。作者為Dauguet P. ;Briend P. ;Deschildre C.和 Sequeira S. E.的文章「UsingDynamic Simulation to support Helium Refrigerator Process Engineering」，Proceedings of ICEC 22-ICMC 2008，第39-44頁記載了一種冷卻方法，其中控制冷卻裝置以便保持工作循環壓力恆定並且還保持冷卻裝置所消耗的電力恆定。本發明的一個目的是減輕上文觸及的現有技術的全部或一部分缺點。具體地，本發明的目的是提供優於現有技術的冷卻方法和製冷器。

發明內容
為此，根據本發明而且還根據上文在前序部分中給出的本發明的一般定義的方法的特徵主要在於，在託卡馬克的「周期性和對稱的」操作相位期間，使用強制的「周期性和對稱的」控制一即，生成高冷卻水平和生成低冷卻功率水平耗費的相應相位的時長最多相差30%——來調節冷卻裝置的冷卻功率/能力，並且冷卻功率變化以便產生冷卻功率的逐漸升高和降低，並且響應於在託卡馬克中開始所述等離子體的步驟期間——即，在構件上的熱負載升高前——產生的信號而在預期生成等離子體時觸發由冷卻裝置產生的冷卻功率的升高。此外，本發明的實施例可以包括一個或多個以下特徵-所述工作循環包括其中工作流體在託卡馬克的周期性和對稱的操作相位期間分別承受高壓、中壓和低壓的階段，使用強制的「周期性和對稱的」控制來調節高壓水平和中壓水平中的至少一者，即，對於最多相差30%的相應時長在相應較高值和較低值之間調節壓力的振幅；-通過在相應的預設平均壓力值左右調製壓力的振幅來調整高壓水平和/或中壓水平； -通過實行以下中的至少一者的電子邏輯器件來自動執行壓力振幅的調製_比例積分微分(PID)閉環控制；-通過實行以下中的至少一者的電子邏輯器件來自動執行壓力振幅的調製-比例積分微分(PID)閉環控制；-經由諸如最小均方(LMS)法則之類的自適應控制法則的迭代控制或線性二次型調節器(LQR)控制；-經由諸如最小均方(LMS)法則之類的自適應控制法則的迭代控制；和-線性二次型調節器(LQR)控制；-所述方法包括其中冷卻裝置使工作流體液化並將液化的流體存儲在緩衝儲器中以便在等離子體相位期間使用所述流體來釋放冷卻功率的至少一個周期，根據在緩衝儲器中測定的液位和/或根據該液位的平均值來調整高壓水平和/或中壓和/或低壓水平；-根據在緩衝儲器中測定的液位的均方根(RMS)值來調整高壓水平和/或中壓和/或低壓水平；-根據緩衝儲器中的液位的最大測定值來調整高壓水平和/或中壓水平和/或低壓水平；-調整冷卻裝置的冷卻能力，以便一方面在等離子體相位期間從預設的初始液位開始消耗緩衝液儲器中的液體，且另一方面在等離子體相位之間使儲器恢復至所述初始液位；-調整冷卻裝置的冷卻功率以便保持儲器中的液位的平均值恆定；-託卡馬克的周期性和對稱的操作模式向構件施加諧波熱負載；-使用諧波強制控制來調整冷卻裝置的冷卻功率；-託卡馬克以預設時長Dp生成等離子體，兩個連續的等離子體之間的間隔的時長Dnp介於等離子體的時長Dp的80%到120%之間(Dnp=Dp±20%)且優選地兩個連續的等離子體之間的間隔的時長Dnp介於等離子體的時長Dp的90%到110%之間(Dnp=Dp± 10%)；-一方面生成高冷卻水平和另一方面生成低冷卻功率水平所耗費的相應時間最多相差20%且優選最多相差10% ；
-當存在可以在託卡馬克中觀察到的物理參數的預設修改時生成信號；-當存在以下物理參數中的至少一者的預設修改時生成信號託卡馬克的內部溫度的預設升高；用於使託卡馬克切換到等離子體生成相位的手動或自動控制信號；與壓力和/或電流和/或電壓和/或磁場測量值相關的電信號；或由諸如照相機或一根或多根光纖之類的光學測量儀器傳輸的信號；-經由使所產生的過量液氦氣化的加熱器和/或經由選擇性地使由冷卻單元輸出的氦的一部分返回壓縮站的冷旁通系統來選擇性地調整由製冷器產生的超過熱負載的冷卻功率的至少一部分；-響應於構件上的熱負載的預設變化——即構件的冷卻要求的預設變化——而自動觸發由冷卻裝置產生的冷卻功率降低到低水平；以及-響應於以下中的至少一者而自動觸發由冷卻裝置產生的冷卻功率的降低指示確保構件和工作流體之間的換熱的流體迴路中的預設降溫的信號；儲罐中的液氦液位的升 高；冷旁路的開度閾值；和/或冷壓縮機或渦輪機的閾值速度。本發明因此可以在於周期性或對稱地——例如協調地或者以接近協調變化的周期方式一強制地改變工作循環的高壓HP、中壓MP和可選地低壓BP和/或LP水平。因此，本發明允許不以瞬時可觀察量而是以適合於協調機制的可觀察量來調整製冷器，諸如-在緩衝儲器中測定的液氦液位的平均值；和/或-在緩衝儲器中測定的液氦液位的均方根(RMS)平均值；-在緩衝儲器中測定的液氦液位的最大值，然後可以根據液位的均方根(RMS)值通過相應平均值左右的振幅調製來調整工作循環的壓力(MP和/或HP和/或BP)。該方案保證了在每一個等離子體生成循環之間緩衝罐中的液氦液位返回其初始狀態並且該液位的平均值保持恆定。這具有以下優點允許製冷器並因此間接允許託卡馬克在恆定的協調機制——即，在製冷器和託卡馬克操作期間改變的所有物理參數具有恆定或基本上恆定的平均值的機制——下連續操作而不中斷。本發明還涉及一種用於冷卻託卡馬克的構件的脈衝負載製冷器，所述製冷器裝備有冷卻裝置，所述冷卻裝置包括形成用於諸如氦之類的工作流體的工作循環的迴路，所述冷卻裝置的迴路包括-用於壓縮工作氣體的站，所述站裝備有至少一個壓縮機；-預冷/冷卻單元，其包括至少一個熱交換器和用於使從壓縮站輸出的工作氣體膨脹的至少一個構件；-用於在冷卻的工作流體和構件之間換熱的系統；以及-用於使已與構件換熱的流體返回壓縮站的系統，所述製冷器包括電子邏輯器件，所述電子邏輯器件用於控制冷卻裝置，從而確保由所述冷卻裝置產生的冷卻功率的調整，以便該冷卻功率在託卡馬克處於等離子體生成相位時迅速升高至相對高的水平，所述製冷器的特徵在於，所述託卡馬克包括每次在開始等離子體時都發射觸發信號的發射器，所述電子邏輯器件包括接收器，所述接收器接收所述觸發信號以便在接收該信號後自動請求由冷卻裝置產生的冷卻功率的升高，並且所述電子控制邏輯器件構造成響應於所述信號而使用強制的「周期性和對稱的」控制來選擇性地調整冷卻裝置的冷卻功率。根據其它可能的特徵-製冷器可以包括測量可以在託卡馬克中觀察到並且指示等離子體是否被撞擊的物理參數的值的傳感器，所述傳感器向所述發射器傳送信號，以便給電子控制邏輯器件提供輸入；-所述傳感器包括以下中的至少一者用於感測託卡馬克的內部溫度或外部溫度的傳感器；用於感測請求託卡馬克從所謂的「待命」相位切換到等離子體生成相位的手動或自動命令的切換傳感器；或託卡馬克的儀器中存在的任何其它電傳感器；-預冷/冷卻單元包括在工作循環期間液化的流體的緩衝儲器；加熱器，其可以被選擇性地啟用以便使儲器的一部分液化的流體氣化；以及用於在儲器的流體和構件之間選擇性地換熱的迴路，所述製冷器包括測量構件上的熱負載的傳感器，即測量代表待冷卻的構件的冷卻要求的量的值的傳感器，所述測量構件上的熱負載的傳感器向電子控制邏輯·器件傳送信號，所述電子控制邏輯器件被編程為響應於指示構件上的熱負載的預設降低的信號而將由冷卻裝置產生的冷卻功率降低至相對低的水平；並且-測量構件上的熱負載的傳感器包括以下中的至少一者用於感測選擇性地確保構件與工作流體之間的換熱的流體迴路中的溫度的傳感器；壓力傳感器；用於測量向加熱器供給的電力的裝置；以及用於測量冷卻裝置的冷壓縮機和/或渦輪機的速度的裝置。本發明還可以涉及包括上述或下述特徵的任何組合的任何替換裝置或方法。因此，對於「周期性和對稱地」操作的託卡馬克，本發明允許自動地調整製冷器的冷卻功率，使液氦消耗最小化。如下文將描述的，本發明允許減少製冷器的總體功率消耗。本發明尤其允許縮短在製冷器的最大冷卻功率下使用製冷器的周期長度。本發明並未局限於嚴格的正弦操作模式，而是可以適用於與其類似的任何周期機制，即具有時長類似或相等的高功率和低功率相位的周期機制。例如，本發明還適用於其中熱負載信號可能與正方形周期波形、三角形周期波形或半正弦周期波形或任何其它周期波形類似的操作模式。


其它特徵和優點將在閱讀下文參考附圖給出的描述後變得明顯，在附圖中-圖I是示出了根據本發明的託卡馬克製冷器的結構和操作的局部示意圖；-圖2是示出了根據本發明的另一個示範性實施例的託卡馬克製冷器的結構和操作的局部示意圖；以及-圖3在同一個曲線圖上示出了託卡馬克的構件上的熱負載CT的隨時間的示範性正弦變化和相關的製冷器的隨時間(t)變化的兩個循環壓力設定點信號CC、CH—分別為正方形和諧波波形。
具體實施例方式現將參考圖I描述總的操作原理。圖I中示意性地示出的製冷器以傳統方式包括冷卻裝置2，所述冷卻裝置2包括使氦經歷工作循環以便產生冷卻效果的迴路。
冷卻裝置2的迴路包括裝備有至少一個壓縮機8的壓縮站12，所述壓縮機8壓縮氦。一旦從壓縮站12輸出，氦便進入冷卻單元32 (可選地帶有預冷單元22)。冷卻/預冷單元22、32包括與氦換熱以便冷卻氦的一個或多個交換器10。冷卻/預冷單元22、32包括用於使氦膨脹的一個或多個渦輪機211。優選地，冷卻/預冷單元22、32採用Brayton循環。至少一部分氦在從冷卻/預冷單元22、32輸出前液化，並且設置了迴路4、7以確保液氦與待冷卻的託卡馬克構件I之間的選擇性換熱。待冷卻的構件I例如包括利用超導磁體獲得磁場的發生器，和/或一個或多個低溫泵。換熱迴路4、7例如可以包括存儲液氦儲備的罐4和管道以及確保構件I和液氦之間的間接換熱的一個或多個交換器。在與構件I換熱期間被加熱的氦的至少一部分返回壓縮站。在返回壓縮站12的過程中，氦可以用於冷卻交換器10，所述交換器10又冷卻從壓縮站12輸出的氦。 當託卡馬克11中生成等離子體時，構件I承受較高的熱負載(即，升高的冷卻要求)。因此必須升高冷卻裝置2的冷卻能力。製冷器具備用於控制冷卻裝置2的電子邏輯器件15，所述電子邏輯器件15尤其允許調整由所述冷卻裝置2產生的冷卻能力。具體地，電子邏輯器件15允許該冷卻能力在託卡馬克11處於等離子體生成相位時快速升高至相對高的水平(例如提供最大冷卻效果的水平)。同樣，電子邏輯器件15控制該冷卻能力在託卡馬克11不再處於等離子體生成相位時降低至相對低的水平(例如預設的最低水平)。通常通過修改循環壓力P—即氦在工作循環期間承受的壓縮12的壓力水平(BP和/或MP和/或HP)——來獲得由冷卻裝置2產生的冷卻能力的變化。如果需要的話，也可以通過修改循環流速，S卩，通過修改通過工作循環的氦的流速，來執行由冷卻裝置2產生的冷卻能力的變化。為了滿足周期性和對稱地生成等離子體的託卡馬克的構件I的冷卻要求(尤其是在與正弦機制相似的諧波機制下)，又使用強制的「周期性和對稱的」控制來調整冷卻裝置2的冷卻能力，並且在觀察到構件I上的熱負載的作用之前在希望生成等離子體時觸發由冷卻裝置2產生的冷卻能力的升高。此外，優選地，冷卻能力的變化產生逐漸且非全有或全無的變化的冷卻能力的升高或降低。藉助於例如在撞擊託卡馬克11中的等離子體的步驟期間產生的信號S來預期冷卻能力的升聞。因此，與現有技術形成對照，根據本發明的製冷器的裝置2的冷卻能力的升高並非響應於液氦儲備的加熱器的加熱曲線上的信息而觸發。相反，低冷卻能力操作模式和高冷卻能力操作模式之間的這種切換是自動的並且相對於加熱器的加熱曲線上的相關信息來預期。具體地，在根據本發明的製冷器中，託卡馬克11包括用於在等離子體被撞擊時發射信號S的發射器(參見圖2)。該信號S被(有線或無線地)發送到電子邏輯器件15。為此，電子邏輯器件15可以包括用於接收所述信號S的接收器。當該信號S被接收時，電子邏輯器件15自動請求由冷卻裝置2產生的冷卻能力的升高。指示等離子體正在託卡馬克中被撞擊的信號S例如基於可以在託卡馬克11中或其上遊(而不是像現有技術中的情形那樣在託卡馬克11的下遊)觀察到的物理參數。例如，且不限於這一點，為了檢測等離子體相位何時已開始而監控的物理參數可以包括以下中的至少一者託卡馬克的內部溫度的閾值；電氣控制信號；來自操作人員的起動託卡馬克或任何其它相當的裝置的手動控制信號；以及壓力和/或電流和/或電壓和/或磁場測量值。該有利特徵允許檢測等離子體生成相位的開始並且可以利用熱負載在託卡馬克的核心(等離子體生成區域)和製冷器的熱界面(待冷卻的構件I)之間的傳遞的時間常數。這樣，製冷器考慮了系統的慣性，以便在觀察到其對構件I的影響之前預期升高的冷卻要求。因此，通過本發明，冷卻能力機制的改變以在升高的熱負荷出現時可立即獲得製冷器的最大功率這樣的方式發生。這可以在觀察到熱負載對氦緩衝浴的影響前緩慢和平滑地改變循環的壓力。此 夕卜，這種預期可以優化製冷器的功率消耗並限制液氦液位的變化幅度。在諧波機制的特定情形中，這種預期還可以實現相位提前，所述相位提前具有穩定作用並提高調整的可靠性。為了補償製冷器產生的過剩功率(在觀察到熱負載的影響前有意提高由製冷器產生的功率)，一個方案可以在於在製冷器中設置所謂的冷旁通系統。冷旁路31因此可以可選地設置在最後一個渦輪機下遊，以便選擇性地使來自冷卻單元22的氦的一部分直接或間接返回壓縮站12。這種系統30、31有利地允許使循環的壓力和流速變得平穩(參看圖2)。這還允許限制冷卻單元12的溫度變化幅度(例如文獻W02009/024705中記載了這種冷旁路的操作模式)。該方案可以消除加熱器的不可忽略不計的功率消耗，並恰當地限制冷單元的溫度變化幅度。使用加熱器和/或冷旁路使得可以使用任何過剩的冷卻功率來降低冷卻單元32的熱交換器的溫度。這允許減小通過冷卻單元32的各級的渦輪機的流速。圖2示出了這種用於非限制性的示範性製冷器2的操作模式。圖2中的製冷器的壓縮站12包括兩個壓縮機8。所述壓縮機例如限定三個壓力級低壓BP水平(在壓縮站12的入口處)，中壓MP水平(在第一壓縮機8的出口處)，和高壓HP水平(在第二壓縮機8的出口處)。如圖所示，壓縮站12可以包括用於使液態氫轉移到緩衝儲罐16的管道18。閥17系統允許調整氦在工作迴路3和緩衝儲罐16之間的轉移。同樣，以常規方式，可以設置裝備有相應閥的管道19以便確保經壓縮的氦選擇性地返回特定壓縮級。在從壓縮站12輸出後，氦進入預冷單元22，其中該氦經由與一個或多個交換器10換熱而被冷卻並可選地在渦輪機211中膨脹。也可以設置裝備有閥120的管道20以便使來自預冷單元的氦選擇性地返回壓縮站12。然後高壓氦進入冷卻單元32。氦經由與一個或多個交換器10換熱而被冷卻並可選地在一個或多個渦輪機211中膨脹。如上所述，可以設置裝備有閥30的冷旁通管道31以便使膨脹的氦選擇性地返回壓縮站12。在冷卻單元中液化的氦主要被存儲在儲器4中。該液氦儲器4形成計劃與待冷卻的構件I換熱的冷儲器。冷卻例如經由裝備有泵122的閉環迴路7而發生。從儲器4輸出的經加熱的氦然後返回壓縮站12(例如經由可選地裝備有壓縮機14的管道13)。在其返回期間，氦可以用於冷卻冷卻單元32和預冷單元22的交換器10。電子邏輯器件15 (其可以包括微處理器)連接到壓縮站12，以便調整冷卻能力(來自各種構件的控制信號C :閥、壓縮機、渦輪機等)。電子邏輯器件15還連接到冷卻單元32和預冷單元22 (來自各種構件的控制信號C :閥、渦輪機、加熱器等)。具體地，電子邏輯器件15控制儲器4的加熱器5以便調整儲器4中的液氦液位。根據本發明，託卡馬克11可以包括測量可以在託卡馬克11中觀察到的物理參數的值並指示等離子體何時被撞擊的傳感器111 (參見圖I)。來自所述傳感器的信號由發射器112中繼至電子邏輯器件15的接收器。
有利地，容納在製冷器和構件I之間流動的流體的迴路7中的溫度傳感器6也向電子邏輯器件15提供輸入。當測定的溫度T降低時(S卩，冷卻要求由於等離子體相位結束而降低)，電子邏輯器件15請求C降低冷卻功率設定點。當然，可以通過任何其它手段，例如經由加熱器5的加熱曲線、經由託卡馬克中的參數、或者經由製冷器內部的其它可觀察量如冷壓縮機或渦輪機速度，來檢測等離子體相位的結束。具體而言，如果有意選擇不調整渦輪機的速度，則這些速度將根據所需冷卻而自然地變化，並且因此將指示熱負載正施加到液氦儲器4。這兩個參數(指示等離子體相位開始的信號S和等離子體相位後的溫度)可以用於前饋控制計劃，即，以下中的至少一者可以由例如集成在電子邏輯器件15中的數字計算機限定-工作循環中的壓力設定點曲線；-可選的循環調節器(用於控制工作迴路中的氦流速)的頻率的控制曲線；以及-冷旁路30開啟的程度。該數字計算機可以例如使用簡單的可參數化算術函數或內部狀態預測模型來獲得更精確的調整，以便優化功率消耗。當裝置2、15接收到指示等離子體正被撞擊的信號時，向壓縮站12提供最大壓力設定點。在該瞬間，冷卻裝置2仍處於其降低的操作模式下，並且冷旁通閥30打開(旁路上遊的流體的基準溫度Tref升高)。冷旁路開啟的事實限制了製冷器的功率。施加在壓縮站12中的真實壓力和得到的效果將取決於用於調整壓縮站的數字控制方法。所述調整可以使用預先限定的內部模型、「PID」控制或諸如LQR控制之類的多變量控制等。當儲器4上的熱負載升高時，冷旁通閥30關閉。旁路的溫度Tref降低以便向構件I傳送最大冷卻功率。獲得最佳的壓力調整。這實現了大量功率節省。現將說明託卡馬克11的周期性和對稱的操作，其中等離子體例如向構件I施加正弦諧波熱負載。可以使用周期方波基帶信號來預期熱負載，S卩，可以預期由製冷器傳送的冷卻功
率的升高。
該基帶信號可以被用作上遊設定點，從壓縮站12請求最大和最小壓力(分別地，高壓HP和/或中壓MP和/或低壓BP的設定點)。如在上文可見，通過在等離子體被撞擊時生成的信號S來請求最大壓力設定點。如上所述，可以響應於製冷器內部的可觀察量如溫度、壓力、渦輪機速度或冷離心式壓縮機速度而請求最小壓力。優選地，該預期的方波設定點(參見圖3中的信號CC)未被直接使用，因為該設定點在製冷器設置(工作循環中的壓力、流速)中誘導的變化將過於突然。因此，根據本發明，方波基帶控制信號CC轉化為級進信號，例如準諧波信號(參見圖3中的CH)。為此，可以使用設定點濾波器來生成用於控制製冷器的級進信號。例如，6階低通多項式濾波器可以將該方波基帶信號CC轉化為準正弦控制信號CH0可以由操作人員調節該濾波器的時間常數，以便使壓力控制的相位差與構件I上的熱負載匹配。例如，可以使壓縮站12的壓力與冷卻單元32的最冷渦輪機211的速度同 相。在諧波機制中，如果要有效地調製壓力振幅，則重要的是且甚至必須確保製冷器設定點控制信號CH和熱負載CT之間的相位差正確。圖3非限制性例如示出了預期熱負載CT的製冷器循環壓力控制信號CH。圖3還示出了級進位冷器循環壓力控制信號CH的強制周期性和對稱的性質，即，圖3示出了在預期待冷卻的構件I上的熱負載時協調和逐漸地調製製冷器的冷卻功率。當已設定相位差時，控制邏輯器件15可以請求工作循環的壓力MP、HP、BP的振幅調製。循環的高壓HP和中壓MP的平均值是優選由操作人員調節的參數。壓力在這些相應的平均值左右的振幅變化是優選由例如設置在電子邏輯器件15中的調整器自動調整的參數。該調整器可以是比例積分微分(PID)控制裝置。所述控制也可以經由針對諧波機制中的單變量處理定製的諸如最小均方(LMS)法則之類的自適應控制法則來迭代。該調整器的可觀察量可以例如是在儲器4中測定的液氦液位的均方根(RMS)值。使用在儲器4中測定的液氦液位的均方根(RMS)值使得可以在不調整液位的值本身的情況下將液氦充填液位保持在其初始值。不過，操作人員可以選擇調整液位的平均值而不是RMS值。操作人員然後必須中斷振幅調製，即，振幅變化必須保持恆定並使用第二調整器，該第二調整器對壓力振幅的平均值而不對振幅變化起作用。一旦已獲得液氦液位的期望平均值，便優選返回振幅調製模式，因為該模式將不僅允許該平均液位保持恆定，而且將允許確定液位變化的最佳幅度，從而使製冷器的平均功率消耗最小化。因此，本發明組合了允許操作人員使由製冷器消耗的功率最小化的各種調整、預期和調製過程。由於本發明採用的壓力振幅偏差，可以證實有必要控制壓縮站12的閥，以使用比例積分微分(PID)調整通常採用的更有效的控制方法。一個可能的方案是使用線性二次型調節器(LQR)控制，所述控制使用多個變量。該控制可以通過利用製冷器內部或製冷器中可獲得的可觀察量(諸如壓力、溫度、渦輪機速度、冷壓縮機速度等)來將循環3中的氦的壓力的測量值(經調整的變量)和擾動的測量值(BP和MP循環中的氦流速)兩者關聯。因此，根據本發明的方法不在於簡單地將循環壓力與冷卻要求匹配。相反，根據本發明的方法在於有意決定在強制的、周期性和對稱的(如果需要的話，協調的)機制下調整循環壓力(尤其是HP和/或MP以及可選地BP)。可以使用前饋控制邏輯器件來調整製冷器的循環的壓力(調整製冷器的冷卻能力的製冷器的循環的壓力的調整)。該方法的一個優點是使用了平均值(例如RMS值)而不是調整可觀察量的瞬時值。這使壓力振幅調整成為可能並通過組合預期和調整的優點而允許使用適合於諧波機制的方法來優化製冷器的功率消耗。因此，本發明保證了託卡馬克可以連續操作而不中斷，同時使其功率消耗最小化。
本發明特別允許在一系列等離子體上逐漸減少設備的總體功率消耗，特別是當託卡馬克尤其在諧波機制下周期性和對稱地生成等離子體時。
權利要求
1.一種用於冷卻「託卡馬克」(11)的構件(I)、即用於間歇地生成等離子體的設備(11)的構件(I)的脈衝負載方法，所述方法採用使諸如氦之類的工作流體經歷工作循環(3)的冷卻裝置(2)，所述工作循環(3)包括壓縮(12);冷卻和膨脹(22，211);與所述構件(I)換熱(32);以及加熱，所述託卡馬克(11)包括稱為「周期性和對稱的」操作模式——即，其中以兩個連續的等離子體之間的時長(Dnp)的間隔周期性地生成預設時長(Dp)的等離子體的操作模式一的至少一個操作模式，所述間隔的時長(Dnp)與所述等離子體的時長(Dp)相差最多30% (Dnp=Dp±30%)，根據所述方法，當所述託卡馬克(11)處於等離子體生成相位(Dp)時，由所述冷卻裝置(2)產生的冷卻功率升高至相對高的水平，而當所述託卡馬克(11)不再處於等離子體生成相位(Dnp)時，由所述冷卻裝置(2)產生的冷卻功率降低至相對低的水平，所述方法的特徵在於，在所述託卡馬克(11)的所述「周期性和對稱的」操作相位期間，使用強制的「周期性和對稱的」控制——即，生成高冷卻水平和生成低水平冷卻功率所耗費的相應相位的時長最多相差30%——來調整由所述冷卻裝置(2 )產生的冷卻功率，並且所述冷卻功率變化以便產生所述冷卻功率的逐漸升高和降低，並且響應於在所述託卡馬克(11)中開始所述等離子體的步驟期間產生的信號(S)而在預期生成等離子體時一即，在所述構件(I)上的熱負載升高前——觸發由所述冷卻裝置(2)產生的冷卻功率的升聞。
2.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述工作循環(3)包括其中所述工作流體分別承受高壓(HP)、中壓(MP)和低壓(BP)的階段，並且在所述託卡馬克的所述周期性和對稱的操作相位期間，使用強制的「周期性和對稱的」控制來調整所述高壓水平(HP)和所述中壓水平(MP)中的至少一者，即，在最多相差30%的相應時長的相應較高值和較低值之間調整所述壓力(MP，HP)的振幅。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，通過在相應的預設平均壓力值左右調製所述壓力的振幅來調整所述高壓水平(HP)和/或所述中壓水平(MP)。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，通過執行以下中的至少一者的電子邏輯器件來自動執行所述壓力的振幅的調製 -比例積分微分(PID)閉環控制； -經由諸如最小均方(LMS)法則之類的自適應控制法則的迭代控制；以及 -線性二次型調節器(LQR)控制。
5.如權利要求2至4中任一項所述的方法，其特徵在於，所述方法包括其中所述冷卻裝置(2)使所述工作流體液化並將液化的流體存儲在緩衝儲器(4)中以便在等離子體相位期間使用所述流體來釋放冷卻功率的至少一個周期，並且根據在所述緩衝儲器(4)中測定的液位和/或根據該液位的平均值來調整所述高壓(HP)水平和/或所述中壓(MP)和/或低壓水平。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，根據在所述緩衝儲器(4)中測定的液位的均方根(RMS)值來調整所述高壓(HP)水平和/或所述中壓(MP)和/或低壓水平。
7.如權利要求5或6所述的方法，其特徵在於，根據所述緩衝儲器(4)中的液位的最大測定值來調整所述高壓(HP)水平和/或所述中壓(MP)和/或低壓水平。
8.如權利要求5至7中任一項所述的方法，其特徵在於，調整由所述冷卻裝置(2)產生的冷卻功率，以便一方面在等離子體相位期間從預設的初始液位開始消耗所述緩衝儲器(4)中的液體且另一方面在等離子體相位之間使所述儲器(4)恢復至所述初始液位。
9.如權利要求5至8中任一項所述的方法，其特徵在於，調整所述冷卻裝置(2)的冷卻功率以便保持所述儲器(4)中的液位的平均值恆定。
10.如權利要求I至9中任一項所述的方法，其特徵在於，使用諧波強制控制來調整所述冷卻裝置(2)的冷卻功率。
11.如權利要求I至10中任一項所述的方法，其特徵在於，通過控制所述工作循環中的所述工作流體的至少一個循環壓力的水平和/或通過調整所述工作循環中所用的、尤其在壓縮期間的壓縮機的轉速來調整由所述冷卻裝置產生的冷卻功率。
12.如權利要求I至11中任一項所述的方法，其特徵在於，通過直接或間接改變由所述冷 卻裝置消耗的電力來調整所產生的冷卻功率。
13.一種用於冷卻託卡馬克(11)的構件(I)的脈衝負載製冷器，所述製冷器裝備有冷卻裝置(2)，所述冷卻裝置(2)包括形成用於諸如氦之類的工作流體的工作循環的迴路，所述冷卻裝置(2)的所述迴路包括 -用於壓縮所述工作氣體的站(12)，所述站裝備有至少一個壓縮機(8)； -預冷/冷卻單元(9)，其包括至少一個熱交換器(10)和用於使從所述壓縮站(2)輸出的工作氣體膨脹的至少一個構件(7)； -用於在冷卻的工作流體和所述構件(I)之間換熱的系統(4，7，122);以及 -用於使已與所述構件(I)換熱的流體返回所述壓縮站(12)的系統(13，14，10)， 所述製冷器包括電子邏輯器件(15)，所述電子邏輯器件(15)用於控制所述冷卻裝置(2)，從而確保由所述冷卻裝置(2)產生的冷卻功率的調整，以便該冷卻功率在所述託卡馬克(11)處於等離子體生成相位時迅速升高至相對高的水平，所述製冷器的特徵在於，所述託卡馬克(11)包括每次在開始等離子體時都發射觸發信號(S)的發射器(112)，所述電子邏輯器件(15)包括接收器，所述接收器接收所述觸發信號(S)以便在接收該信號(S)後自動請求(C)由所述冷卻裝置(2)產生的冷卻功率的升高，並且所述電子控制邏輯器件(15)構造成響應於所述信號(S)而使用強制的「周期性和對稱的」控制來選擇性地調整所述冷卻裝置(2)的冷卻功率。
14.如權利要求13所述的製冷器，其特徵在於，所述電子邏輯器件(15)構造成通過控制所述工作循環中的所述工作流體的至少一個循環壓力和/或通過控制所述工作循環中所用的、尤其在所述壓縮期間的壓縮機的轉速來改變由所述裝置產生的冷卻功率。
15.如權利要求13或14所述的製冷器，其特徵在於，所述電子邏輯器件(15)構造成直接或間接調整由所述冷卻裝置消耗的電力。
全文摘要
一種用於託卡馬克(11)的構件(1)的脈衝負載製冷的方法，所述方法使用使諸如氦之類的工作流體經歷工作循環(3)的製冷裝置(2)，所述託卡馬克(11)包括稱為「周期性和對稱的」的至少一種操作模式，根據所述方法，當所述託卡馬克(11)處於等離子體生成相位時(Dp)，由所述冷卻裝置(2)產生的冷卻功率升高至相對高的水平，而當所述託卡馬克(11)不再處於等離子體生成相位時(Dnp)，由所述冷卻裝置(2)產生的冷卻功率降低至相對低的水平，所述方法的特徵在於，在所述託卡馬克(11)的所述「周期性和對稱的」操作相位期間，根據也屬於「周期性和對稱的」類型——亦即其中生成高製冷水平和生成低製冷功率水平的相應時長最多相差30%——的強制變化來調整所述製冷裝置(2)的製冷功率，並且製冷功率的變化帶來製冷功率的逐漸升高或降低，並且響應於在所述託卡馬克(11)中的等離子體開始步驟期間——亦即在所述構件(1)上的熱負載升高前——生成的信號(S)而提前觸發由所述製冷裝置(2)產生的製冷功率的升高。
文檔編號F25B9/00GK102803866SQ201180014746
公開日2012年11月28日 申請日期2011年2月28日 優先權日2010年3月23日
發明者G·艾古伊, P·布裡安, C·德希爾德爾, E·法福, J-M·伯恩哈特, F·德爾凱爾 申請人:喬治洛德方法研究和開發液化空氣有限公司