EAST低溫系統氦壓縮機站建模與故障態模擬

余 強 ，周芷偉 ，胡良兵 ，莊 明 ，陸小飛

（1.中國科學院等離子體物理研究所，合肥 230031；2.中國科學技術大學，合肥 230026）

EAST裝置是我國自主設計研制的世界上首臺全超導托卡馬克核聚變裝置，其配備的2 kW@4.5 K氦低溫系統是重要子系統之一，負責超導磁體以及相關部件的冷卻[1]。EAST低溫系統由壓縮機站、氦制冷機和低溫分配系統3部分組成，壓縮機是制冷系統中重要的動力設備，為氦制冷機提供高壓高純氦氣，升級后的EAST低溫系統壓縮機組由兩套大型螺桿壓縮機并聯構成，總出口流量達到370 g/s[2]。

大型壓縮機站運行過程復雜，直接利用裝置進行控制程序調試成本高，若在實際運行中進行故障實驗還可能對設備造成損傷，因此給故障態研究造成困難。借助計算機進行系統仿真在解決上述問題時具有巨大優勢，國內外的一些研究機構如歐洲的CERN、日本的NIFS以及國內的哈工大，分別針對大型物理實驗裝置LHC、LHD和BEPCII的低溫系統進行了動態模擬研究[3]，但主要集中在降溫過程模擬、控制程序與流程的優化等方面，而對故障態的模擬和應急控制策略研究較少。

本文利用過程模擬軟件建立EAST低溫系統壓縮機站及其控制系統模型，進行過程與故障動態模擬，研究緊急故障態下系統的動態響應特性，基于模型設計故障監測與處理模塊并進行了模擬驗證。

1 EAST低溫系統氦壓縮機站

壓縮機站將制冷機流回的低壓與中壓氦氣壓縮為高壓氦氣送入冷箱，其流程如圖1所示。主壓縮機組為2臺壓縮機并聯，每臺壓縮機由低壓與高壓兩級串聯構成，兩級壓縮機運行參數見表1。壓縮機站最重要的控制目標是維持三級壓力LP、MP和HP的穩定，穩態時三級壓力的設定值分別為1.04 bar、5.1 bar、20 bar[4]。壓縮機站控制系統主要的執行機構是各級壓縮機的能量滑閥與控制閥門，包括各級壓力之間的旁通閥、與中壓筒相連的收氣閥和補氣閥等，這些閥門與壓力變送器、控制器構成控制回路，執行相應的控制邏輯。

能量滑閥和旁通閥主要進行三級壓力之間的內部調節，中壓筒作為儲氣設備，起到平衡低溫系統內氦氣量的作用，當系統內氦氣量不足時通過V1810向系統補氣，當系統內氦氣量過多時通過V1840和V1842從系統收氣[5]。回收系統主要由懸浮式氣柜和回收壓機組成，主要起低壓超高保護作用。壓縮機高壓級入口壓力要求在3～4.2 bar之間，在連接制冷機冷屏與高壓級入口的管道上需要加入V1772進行節流，從而控制冷箱側回流的MP跟蹤設定值5.1 bar，而高壓級入口壓力則通過高壓級壓縮機能量滑閥的增減載進行調節。

EAST氦壓縮機站是過程復雜的多輸入多輸出（MIMO）被控系統，具有非線性、時變、多變量耦合、時滯的特點，難以建立準確的數學模型。其控制系統需要兼顧維持各級壓力穩定、連鎖保護、故障處理等多個目標，控制回路眾多且相互影響，各子系統相互約束，是典型的多目標決策過程。因此，想要進行全局優化和協調控制，需要獲得其動態響應，深入地了解系統特性。

圖1 EAST低溫系統壓縮機站示意Fig.1 Schematic of the compressor station of EAST cryogenic system

表1 壓縮機運行參數Tab.1 Operating parameters of compressors

2 基于EcosimPro的壓縮機站過程模型

2.1 過程模擬軟件EcosimPro

EcosimPro是針對連續和離散系統的建模仿真軟件，通過建立微分-代數方程（DAE）描述部件與系統模型，集成了控制、電氣、熱能等專業部件庫，同時用戶可以基于面向對象方法自定義部件[6]。EcosimPro具有2種建模方式，一是運用其仿真語言EL，編寫部件和實驗代碼；二是提供了圖形界面工具，通過部件組合連接可以創建多學科耦合的系統模型[7]。EcosimPro部件代碼的可繼承性與易擴展性為用戶提供了便捷的建模方式。

2.2 低溫部件模型

歐洲核子中心（CERN）的低溫研究人員合作開發出的低溫部件庫CRYOLIB提供了豐富的低溫系統部件，分為容性部件、感性部件、混合性部件三類[8]。容性部件具有恒定的內部體積，根據質量守恒與能量守恒方程構建熱力學模型：

式中：M為容積內流體質量；min為入口質量流量；mout為出口質量流量；u為流體內能；hin為入口焓值；hout為出口焓值；Qi為外界與流體之間不同方式的交換熱。典型的容性部件有管道、氣罐、相分離器等。感性部件沒有內部容積，出入口的質量流量相等且由出入口的壓差決定，閥門是典型的感性部件，流體通過閥門是一個絕熱過程，焓值保持不變，式（3）用來計算等百分比開度類型的調節閥流量系數：

式中：CVmax是100%開度下的流量系數；R是閥門開度范圍；v是閥門百分比開度值。通過閥門的質量流量由式（4）所示的微分方程計算：

式中：Y是可膨脹性系數；ρ為流體密度；ΔP為壓差。

混合性部件由容性與感性部件組合構成，壓縮機是具有混合屬性的拓撲組件，其進出端口為感性部件，同時具有內部體積。CRYOLIB提供的壓縮機部件Ideal_Compressor具有4個端口，分別是流體通道入口和出口，執行開始命令的布爾變量端口start以及給定能量滑閥位置的模擬量端口CV120。滑閥位置為100%時流經Ideal_Compressor的體積流量為常數，需要根據實際給定，質量流量則由式（5）計算：

式中： fvol為體積流量；CV120，signal［1］是能量滑閥位置百分比信號。模型忽略壓縮過程的熱損失，滿足能量守恒方程：

式中：Wfluid是壓縮機所做的機械功。除此之外，還需要在屬性編輯器中給出直徑、壁厚、初始溫度和壓力等參數，模型根據這些參數和方程計算壓縮過程中流體的壓力、密度、焓等變量的值。

2.3 壓縮機站及其控制系統建模

在EcosimPro中建立壓縮機站模型，首先從CRYOLIB選擇2個Ideal_Compressor作為低壓級和高壓級壓縮機串聯構成實際系統中集成為一體的單臺螺桿壓縮機模型，Gas_tank代替中壓筒與懸浮式氣柜，Pipe作為管道，Valve作為各調節閥門，WorkingFluid定義流體介質的類型。

構建控制系統時，分別以LP，MP及HP過程為被控對象，將多輸入多輸出壓縮機站控制系統分解為多輸入單輸出的子系統，進一步地為各執行機構設計單回路控制，采用PID控制算法，各控制回路的構成見表2。結合實際系統的控制要求，部分控制器需要加入專家規則，動態調整PID參數和設定值，實現順序邏輯和事件調度控制，滿足壓縮機站系統在不同狀態下的自動運行。

表2 壓縮機站模型PID控制回路構成Tab.2 Composition of PID control loops of the compressor station model

從PLC庫中選擇控制部件，對于庫中沒有的復雜控制模塊需要二次開發。一是基于控制邏輯，利用已有部件組合連接，再封裝成新的部件，包括低壓級能量滑閥控制器與中壓控制器。低壓級能量滑閥控制器輸出滑閥開度控制量，具有自動和手動2種工作模式，自動模式下，低壓級壓縮機滑閥的增減載受V1775的開度控制，開度小于20%時控制增載，開度大于80%時控制減載，增減載的速度可在相應的輸入端口給定。中壓控制器控制閥V1117、V1770、V1772的開度，實現互鎖的逆向分程控制，V1770受PID反作用，V1772受PID正作用，只有當其中一個閥門關閉時，另一個閥門才能啟動工作。V1117作為保護閥，當中壓高于上限值時，控制其打開向低壓路泄壓。二是基于EL語言編輯部件代碼，針對系統的補氣開發了補氣控制模塊，實時檢測高壓級入口壓力與HP判斷系統是否需要補氣，當HP小于19.98 bar且高壓級入口壓力小于3.2 bar時，提高補氣閥V1810控制器的設定值為1.06 bar，控制V1810快速打開，通過抬升低壓壓力LP給系統進行補氣。

確定部件后將相對應的部件端口連接起來，圖2給出了EcosimPro中所建的EAST壓縮機站模型，然后依據實際系統數據確定部件參數，再編譯并選定邊界變量生成數值計算模型。

圖2 基于EcosimPro建立的壓縮機站模型Fig.2 Model of the compressor station in EcosimPro

3 故障模擬與應急控制策略設計

3.1 故障過程模擬與動態響應分析

完成壓縮機站建模后，基于EL語言設計實驗程序模擬壓縮機站的啟動和故障停機過程。100 s時，C9壓縮機啟動，先控制高壓級壓縮機能量滑閥增載，低壓級壓縮機能量滑閥控制器處于自動模式，跟隨高壓級而增載，經120 s高壓級壓縮機滿載。為防止滑閥反復波動，待兩級壓縮機均增至滿載，將其低壓級能量滑閥控制切換為手動模式，維持滿載狀態，而高壓級能量滑閥開始受PID控制調節C9高壓級入口壓力。1180 s時啟動另一臺壓縮機C8，啟動方式和C9相同。待系統進入穩定運行狀態，2200 s時模擬C9故障停機，經12 s流經C9的流量減為0，3000 s時模擬結束，整個過程流經高壓級壓縮機的流量如圖3所示。

圖3 壓縮機流量變化Fig.3 Mass flow rate within the compressors

圖4 曲線顯示了三級壓力的變化，由于緊急停機，C9流量迅速減小至0，而負載回氣經過冷箱，具有較長的延遲，低壓路與中壓路流量不能很快降低，因此會造成LP與MP升高。而高壓路為負載供氣流量隨C9停機迅速減小，同時由于LP和MP上升，一是造成C8兩級入口壓力增大使C8出口流量增加，二是高壓路至低壓路與中壓路的旁通閥會迅速關閉，造成高壓路流量累積使HP短暫上升。經調節，三級壓力均能重新跟蹤設定值。表3給出了控制系統在啟動過程的動態性能指標、故障過程的抗干擾性能指標以及穩態誤差，其快速性與抗干擾性能均滿足實際系統的要求。

圖4 三級壓力模擬結果Fig.4 Simulation results of three stages pressure

表3 控制系統的性能指標Tab.3 Performance index of the control system

3.2 應急控制策略設計與仿真驗證

實際系統停機時會造成壓縮機高壓級入口壓力升高，這與圖5所示的模擬結果相符，通過分析響應發現，是因為C9緊急停機造成MP升高，而V1772作為MP的調節閥會增大開度，中壓路流入壓縮機高壓級入口的流量增大，而此時C9由于停機使得氦氣在高壓級入口處累積造成壓力升高。對于C8，如果故障造成MP過高而C8高壓級增載滯后或已經滿載，有可能使高壓級入口壓力超過7 bar保護值，這種情況下C8保護停機，進而給系統造成更大的影響。另外，壓縮機的保護停機由程序執行，停機同時自動關閉油泵，高壓級入口處的高壓氦氣進入腔內推動轉子干磨給機械部件造成損傷。

根據分析響應設計應急控制策略，在中壓控制器加入故障監測與處理模塊，實時監測壓縮機高壓級入口壓力及其變化率，只要其中一個變量超過上限值則判斷發生停機故障，此時立即關閉V1770與V1772，并降低V1117的設定值使其迅速增大開度進行泄壓，將MP與壓縮機入口處壓力都控制在合理范圍內，圖6為改進的中壓控制器。故障發生時應急控制策略對于高壓級入口壓力調節的模擬結果如圖7所示，C9高壓級入口壓力維持在6 bar以內，C8高壓級入口壓力經較小波動后恢復正常。圖8給出了V1117、V1770、V1772的開度變化曲線，表明故障發生時受到控制器調節能夠快速響應，有效避免了壓力進一步升高。

圖5 故障停機造成高壓級入口壓力升高Fig.5 Fault make the suction pressure of HP stage rise

圖7 應急控制策略模擬結果Fig.7 Simulation results of the emergency control strategies

圖8 MP_Controller控制的閥門開度變化Fig.8 Opening of the valves controlled by MP_Controller

4 結語

利用過程模擬軟件EcosimPro建立的EAST低溫系統壓縮機站模型能夠模擬實際系統的運行狀態，并取得了良好的控制效果。通過模擬緊急停機故障并分析由此造成壓縮機高壓級入口壓力升高的原因，基于模型設計了應急控制策略，仿真結果表明該策略調節有效，起到了壓力超限保護作用，將應用于EAST低溫系統DCS控制程序的優化。

圖6 改進的中壓控制器Fig.6 Improved MP_Controller

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