用于中性束输入系统的低温泵组件运行控制方法

本发明涉及一种中性束输入系统技术领域，尤其涉及的是一种用于中性束输入系统的低温泵组件运行控制方法。

背景技术：

中性束注入系统是一个复杂而分散的托卡马克注入加热装置，包括注入器系统、真空系统、电源系统、连锁保护系统、束诊断系统和控制系统等。其中，注入器系统由强流离子源、中性化室、偏转磁铁、离子吞食器、束流限制靶、漂移段、功率测量靶和真空室组成。对注入器来说，最重要的是产生高能粒子的离子源和将高能粒子中性化的中性化室。实验中，强流离子源利用大电流气体放电产生初始等离子体，温度一般只有几个电子伏，密度大约1019m-³。初始等离子体中的离子经过精心设计的电极结构而得到加速(20～200kev)。加速后的高能离子再经过中性化室，从中性化室气体中捕获电子而变成高能中性粒子。从中性化室出来的粒子流中除了高能中性粒子外还有部分尚未捕获电子的高能离子和再电离产生的高能离子，这些离子经过偏转磁铁时发生偏转，进入离子吞食器。从真空室出来的中性束经过漂移段后注入等离子体。

中性束注入系统的真空性能的优劣关系着束传输效率的高低并影响到整个束线内其他部件的使用寿命与使用安全；真空系统是中性束注入系统中非常重要的一个子系统；当前，大都采用低温泵系统作为主抽气泵。

上一代装置east采用的是低温冷凝泵；而下一代可控核聚变装置cfetr的低温泵验证样机包括依次连接的束源真空室、束源真空隔断阀、中性化器、电偏转器、低温泵组、功率测量靶、束线真空室、高真空阀等，其中低温泵组件位于中性化器、电偏转器、功率测量靶的两侧，呈8*2.7*0.35m的板状结构，低温泵组采用基于吸附原理，与上一代装置east采用的低温冷凝泵有了根本上区别，cfetr中性束注入系统验证样机的工作脉冲宽度、束能量和气体负载等相较于east要求更高，工作脉冲宽度3600s，束能量200kev。上一代装置采用冷凝吸附，其工作状态容易在5k-10k之间波动，不稳定，不能有效的吸附,低温冷凝原理下，氢气需低于3.8k，稳定环境下才能有效抽除，对抽氢气更是无能为力，而低温吸附泵，在活性炭的作用下，低于5k的环境就能有效抽氢气和氦气，下一代可控核聚变装置cfetr的低温泵验证样机，加入活性炭实现吸附，可以实现在低于5k的环境下，有效吸附氢气和氦气，从而达到抽除的目的。

如申请号：201410075005.0一种低温泵，具备：低温板；低温泵容器，容纳所述低温板；及控制部，构成为为了所述低温板的再生而控制所述低温泵容器的排气和向所述低温泵容器的吹扫气体的供给，所述控制部执行如下工序：第1粗抽及吹扫工序，包括在第1压力范围内交替进行所述低温泵容器的第1排气和所述吹扫气体的供给；及第2粗抽及吹扫工序，包括交替进行使所述低温泵容器排气直至低于所述第1压力范围的低压区域的第2排气和所述吹扫气体的供给，所述第2粗抽及吹扫工序包括如下步骤：在所述低压区域至少判定一次是否结束所述第2粗抽及吹扫工序；及在首次判定是否结束所述第2粗抽及吹扫工序之前，向所述低温泵容器供给吹扫气体。

该专利虽然利用了活性炭进行吸附，然而中性束注入系统的复杂性，现有市面上的普通的采用活性炭吸附的低温泵无法满足中性束输入系统的工作要求。

低温泵组件运行过程中为保证安全、稳定、高效运行，需要设计一套运行控制方法，保证运行过程中管道压力、气体浓度等在安全范围内，运行过程高效进行；且世界范围内此相似参数指标下的低温泵组件运行过程控制尚无成熟的研究。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于：如何解决现有技术中没有适应于中性束输入系统的低温泵组件运行控制的问题，在于解决涉及一套新一代中性束系统超大抽速低温吸附泵运行控制系统。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

用于中性束输入系统的低温泵组件运行控制方法，低温泵组件包括液氮杜瓦、液氦杜瓦、分子泵、罗茨泵、低温泵、温度测量控制装置，所述液氮杜瓦与低温泵内防辐射挡板连接，所述液氦杜瓦与所述低温泵内低温吸附面连接，低温吸附面上具有活性炭和加热丝，温度测量控制装置连接加热丝，分子泵、罗茨泵分别与低温泵连接；

包括以下步骤：

降温，开启液氮冷却低温泵的防辐射挡板，使其温度稳定在80±5k；开启液氦冷却低温泵的低温吸附面，使其温度维持在4.5-6k；

稳态运行，通过调节液氮液氦的流量，使低温吸附面维持在4.5-6k，防辐射挡板维持在80±5k；

再生过程，包括多次循环进行升温，抽空和制冷，次数大于等于5；通过加热丝加热进行升温，并通过温度测量控制装置实时监测加热温度，加热过程中，抽出释放的气体，待降温到工作温度，打开液氦，逐步降温，降温完成；

回温，关闭液氦，温度上升到80±5k时，关闭液氮直至低温吸附面、防辐射挡板温度回到常温状态，回温完成。

本发明通过降温、稳态运行、再生、回温四个过程的控制来实现低温吸附泵高效稳定安全的运行；降温过程的降温的效率大大升高；稳态运行过程可控；再生过程通过设置的温度测量控制装置控制加热丝的加热功率，配合液氦液氮阀门和抽气的协同工作，使整个再生过程时间压缩到一小时左右，相比没有控制系统的自然再生过程6-8小时，大大缩短了再生时间，回温过程能够实现安全稳定快速的回温。

优选的，所述低温泵组件还包括设置在所述液氮杜瓦与低温泵的液氮连接管道上的液氮阀门、所述液氦杜瓦与所述低温泵的液氦连接管道上的液氦阀门、压力测量装置、报警装置、控制装置，所述压力测量装置分别连接在液氮连接管道和液氦连接管道上，所述压力测量装置位于所述液氮阀门和所述液氦阀门的后端，所述压力测量装置连接所述报警装置，所述控制装置连接所述液氮阀门、液氦阀门、压力测量装置、报警装置。

优选的，所述降温的具体过程为：首先采用罗茨泵粗抽，再用分子泵抽中等真空，再开启液氮阀门，冷却低温泵防辐射挡板，通过监测防辐射挡板表面温度、液氮管进出口温度来监测降温过程；防辐射挡板降到80±5k后，保持液氮阀门一定开度，维持温度保持在80±5k；开启液氦阀门，通过监测低温吸附面的温度来监测降温过程；低温吸附面温度降到4.5±0.5k后，保持液氦阀门一定开度，维持低温冷凝板温度在4.5-6k，同时调节液氮阀门开度，维持辐射挡板温度在80±5k，使整个系统保持稳定，降温过程结束。

压力测量装置、报警装置、控制装置可以实现在超过压力阈值时提供图文、声、光报警信息。

优选的，所述稳态运行具体过程为：降温到位后，以液氮液氦出口温度为目标值，通过调节液氮阀门和液氦阀门的开度调节实现液氮液氦出口温度的稳定，同时，压力测量装置设置压力保护阈值，超过压力阈值时，所述报警装置动作；控制装置调节液氮阀门和液氦阀门的开度，使低温吸附面维持在4.5-6k，防辐射挡板维持在80±5k，系统保持稳态运行。

优选的，所述再生过程为部分再生，循环次数为5-10次。

优选的，所述防辐射挡板和所述低温吸附面上设置有温度传感器，温度传感器连接温度测量控制装置。

优选的，所述部分再生包括以下步骤：关闭液氦；加热低温泵吸附面上加热丝到90±5k，温度测量控制装置通过温度传感器测得的温度实时监控加热过程；加热过程中抽出释放的气体，通过监测压力的变化来监控抽气过程；抽气完成后，停止抽气，待降温到工作温度；打开液氦，逐步降温到4.5-6k，降温完成。

优选的，所述再生过程还包括完全再生，所述完全再生过程位于多次部分再生循环后。

优选的，所述完全再生包括以下步骤：关闭液氦、液氮，加热丝工作，温度测量控制装置监控加热到300±10k；加热过程中将释放的气体抽出，通过监测压力的变化来监控抽气过程；抽气完成后，停止抽气，完全再生完成。

优选的，所述回温的具体过程为：先关闭液氦，通过温度测量控制装置监测低温吸附面的温度来监测回温过程；温度上升到80±5k时，关闭液氮，通过监测防辐射挡板表面温度、液氮进出口温度来监测回温过程；待低温吸附面、防辐射挡板的温度回到常温后，系统即回到常温状态，回温完成。

优选的，所述降温之前，通过控制器实现液氦阀门、液氮阀门的自动控制，控制过程中，将液氦阀门、液氮阀门的状态纳入控制器的系统状态巡检流程中，在中性束输入系统未回到常温以前，液氦阀门、液氮阀门处于常开状态，若巡检到其中任一阀门处于关闭状态，则应立即报警并将其无条件开启，并同时给出图文、声、光报警信息；

若液氦阀门、液氮阀门中的任一或全部处于关闭状态且无法开启，则应立即给出图文、声、光报警信息并将其对应通道上的液氦阀门或/和液氮阀门强行开启；

开启液氦阀门、液氮阀门进行降温前，首先检测确认液氦出口调节阀、液氮出口调节阀处于开启状态，否则应封锁开启液氦阀门、液氮阀门的功能并给出提示信息；

当出现某种原因导致液氦、液氮出入口温度或者低温调节阀开度或者阀前阀后压力等相关信息丢失或出错时，维持当前阀门开度不变，并开启图文、声、光报警信息，提醒值班人员检查核实原因并进行准确的下一步手动操作。

优选的，通过控制器对液氮阀门与液氦阀门的开度进行自动控制时，要求在液氮阀门、液氦阀门附近，设置有自动/手动选择按钮，由运行人员自行选择采用何种运行模式；

提供液氮阀门与液氦阀门允许的最大开度和最小开度设置界面，在液氮阀门或液氦阀门选择为自动运行模式时，供运行人员设置其对应的最大开度和最小开度，并在自动控制程序的计算开度超过设定的最大开度或最小开度时，给出明确的图文、声、光报警信息，提醒运行人员立即干预；

提供液氮阀门与液氦阀门的调节速度设置界面，采用分段异速调节模式；

液氮阀门和液氦阀门的阀前和阀后的压力报警阈值由运行人员自主设置，在任何情况下，任一压力超过报警阈值均应立即给出明确的图文、声、光报警信息，提醒运行人员立即干预；当对应的阀后压力达到或超过报警阈值时，除立即给出明确的图文、声、光报警信息外，并进入逐步关闭模式，关闭亦采用分段异速调节模式，调节速度应由运行人员自主设置。

优选的，所述分段异速调节模式为：当温度偏离设定值n1时，阀门调节速度为v1；当温度偏离设定值n2时，阀门调节速度为v2；依此类推，当温度偏离设定值nz时，阀门调节速度为vz；其中n1至nz是等差数值，v1至vz为等差数值。

本发明的优点在于：

本发明通过再生过程通过设置的温度测量控制装置控制加热丝的加热功率，配合液氦液氮阀门和抽气的协同工作，使整个再生过程时间压缩到一小时左右，相比没有控制系统的自然再生过程6-8小时，大大缩短了再生时间，回温过程能够实现安全稳定快速的回温；

本发明可根据使用需求实现部分再生和完全再生；以上再生过程可人工操作,也可用计算机自动控制，控制过程灵活方便。

附图说明

图1是本发明低温泵组件的结构示意图；

图2是本发明用于中性束输入系统的低温泵组件运行控制方法的控制逻辑图；

图3是防辐射挡板与低温吸附面的结构示意图；

图中标号：

1、液氮杜瓦；2、液氦杜瓦；3、分子泵；4、罗茨泵；5、低温泵；51、低温吸附面；52、防辐射挡板；6、温度测量控制装置；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1所示，用于中性束输入系统的低温泵组件包括液氮杜瓦1、液氦杜瓦2、分子泵3、罗茨泵4、低温泵5、温度测量控制装置6，结合图3所示，所述液氮杜瓦1通过液氮管与低温泵5内防辐射挡板52连接，用于冷却防辐射挡板52，所述液氦杜瓦2通过液氦管与所述低温泵5内低温吸附面51连接，用于冷却低温吸附面51，低温吸附面51上具有活性炭和加热丝，活性炭用于吸附，加热丝用于加热，温度测量控制装置6连接加热丝，所述防辐射挡板52和所述低温吸附面51上设置有温度传感器，温度传感器连接温度测量控制装置，温度测量控制装置6用于测量温度，以及根据温度来控制加热丝的加热功率，分子泵3、罗茨泵4分别与低温泵连接，分子泵3用来抽中等真空，罗茨泵4用来抽低等真空。

所述低温泵组件还包括设置在所述液氮杜瓦1与低温泵5的液氮连接管道上的液氮阀门，所述液氦杜瓦2与所述低温泵5的液氦连接管道上的液氦阀门，压力测量装置、报警装置、控制装置，所述压力测量装置分别连接在液氮连接管道和液氦连接管道上，所述压力测量装置位于所述液氮阀门和所述液氦阀门的后端，所述压力测量装置连接所述报警装置，所述控制装置连接所述液氮阀门、液氦阀门、压力测量装置、报警装置，用于控制阀门的开度、报警等。

用于中性束输入系统的低温泵组件运行控制方法，包括以下步骤：

在降温开始之前，整个控制系统根据现有技术中的控制器、控制软件等实现自动控制，控制过程基本要求如下：

(1)将液氦阀门、液氮阀门的状态纳入系统状态巡检流程，在中性束输入系统未回到常温以前，必须严格确保处于常开(开度大于90％)状态，若巡检到其中任一阀门处于关闭状态(开度小于90％)则应立即报警并将其无条件开启，并同时给出图文、声、光报警信息；

(2)液氦阀门、液氮阀门中的任一或全部处于关闭状态且无法开启，则应立即给出图文、声、光报警信息并将其对应通道上的阀门强行开启；

(3)开启液氦阀门、液氮阀门(该阀门指用于入口调节用的阀门)进行降温前，首先应检测确认液氦出口调节阀、液氮出口调节阀阀处于开启状态，否则应封锁开启液氦、液氮入口调节阀的功能并给出提示信息；液氦出口调节阀、液氮出口调节阀是指流经低温泵后的出口管道上的阀门；

(4)当出现某种原因导致液氦、液氮出入口温度或者低温调节阀开度或者阀前阀后压力等相关信息丢失或出错时，从自动控制角度应维持当前阀门开度不变(除非现场断电)并开启图文、声、光报警信息，提醒值班人员检查核实原因并进行准确的下一步手动操作；

其中，关于液氮阀门与液氦阀门的开度的自动控制的基本要求：

(1)在液氮阀门、液氦阀门附近，设置有“自动/手动”选择按钮，由运行人员自行选择采用何种运行模式；

(2)提供一个阀门允许的最大开度和最小开度设置界面，在液氮阀门或液氦阀门选择为“自动”运行模式时，供运行人员设置其对应的最大开度和最小开度，无论出口温度如何，自动控制程序都只能在设定的最大开度与最小开度范围内进行自动调节，并要求在自动控制程序的计算开度超过设定的最大开度或最小开度时给出明确的图文、声、光报警信息，提醒运行人员立即干预；

(3)提供一个阀门的调节速度设置界面，采用分段异速调节模式。例如：当温度偏离设定值1k(其中，1k，只是个示例，其具体数值要求可由运行人员自主设置)时，阀门调节速度为1％/10s(其中，1％/10s，只是个示例，其具体数值要求可由运行人员自主设置)；当温度偏离设定值2k(其中，2k只是个示例，其具体数值要求可由运行人员自主设置)时，阀门调节速度为2％/10s(其中，2％/10s，只是个示例，其具体数值要求可由运行人员自主设置)；依此类推。

(4)阀门的阀前和阀后的压力报警阈值应可由运行人员自主设置，在任何情况下，任一压力超过报警阈值均应立即给出明确的图文、声、光报警信息，提醒运行人员立即干预；在入口调节阀自动控制模式下，当对应的阀后压力达到或超过报警阈值时，除立即给出明确的图文、声、光报警信息外，对应的入口调节阀应进入逐步关闭模式，关闭亦采用分段异速调节模式，调节速度应可由运行人员自主设置。

上述对于阀门开度的控制，以及人工设置参数的方法，通过现有技术中的技术皆可实现。

参照图2所示，

降温：

(1)液氮杜瓦1、液氦杜瓦2环境正常，其余条件准备完善，可以开始低温泵5的降温冷却；首先罗茨泵4粗抽，再用分子泵3抽中等真空，首先开启液氮阀门冷却低温泵5的防辐射挡板52，通过监测防辐射挡板52表面温度、液氮管进出口温度来监测降温过程；

(2)一级降温，防辐射挡板52降到80±5k后，保持液氮阀门一定开度，以维持温度保持在80k左右；

(3)二级降温，开启液氦阀门，通过监测低温吸附面51的温度来监测降温过程；

(4)低温吸附面51温度降到4.5k左右后，保持液氦阀门一定开度，以维持低温冷凝板温度在4.5-6k左右，同时适当调节液氮阀门开度以维持辐射挡板温度在80k左右，使整个系统保持稳定，降温过程结束。

稳态运行：

(1)降温到位后，考虑到实验室偶尔供液出现压力波动，本实施例以液氮液氦出口温度为目标值，通过液氮液氦入口调节阀开度的控调节实现液氮液氦出口温度的稳定，同时辅以各对应调节阀的阀后压力作为保护信号，要求压力测量装置的压力阈值可以根据降温后实际情况由运行人员自行设定(弹出对话框，可由运行人员手动输入)，超过压力阈值时，通过报警装置提供图文、声、光报警信息；液氮液氦入口调节阀开度的最大值由运行人员通过控制界面设定；阀门调节速度应根据温度偏离设定值的大小进行自适应调整，即偏离大则调节快，偏离小则调节缓。

低温吸附面51维持在4.5-6k左右，防辐射挡板52维持在80k左右，或者两者维持在设定的温度范围内，通过以上方式调节液氦阀门、液氮阀门保持在一定开度，管道压力和泵内真空度在允许范围内。

再生过程：

低温泵工作时，被抽气体分子冷凝或吸附在低温表面上，泵工作一段时间后，就在低温表面建立起被抽气体的冷凝和吸附层。低温吸附泵所抽走的气体不是被立即排出泵外，而是贮存在泵内。随着低温表面上的气体凝结层厚度逐渐加厚，凝结层表面温度逐渐上升，它将影响泵的抽速，当泵的抽速降低到某一限定值时，泵就无法继续工作，即需要再生。在捕集型泵中，再生就是使贮存的气体解吸和脱附，从而使泵再恢复到最佳工作状态。

本实施例中的再生过程包括5-10次循环进行升温，抽空和制冷；所述再生过程为部分再生；具体的：

(1)关闭液氦进口阀门；

(2)加热低温吸附面51上加热丝到90k，通过在面板上设置的温度传感器来监控加热过程，通过温度测量控制装置6内预设的pid和经验控制逻辑程序来控制加热过程；

(3)加热到90k过程中，温度升高，活性炭吸附的气体逐步释放；

(4)加热过程中打开抽气泵，逐步抽出释放的气体，通过监测压力的变化来监控抽气过程；

(5)抽气完成后，关闭抽气阀，待降温到工作温度；

(6)三级降温，打开液氦阀门，逐步降温到4.5-6k，降温完成；

上述低温泵的再生包括升温，抽空和制冷这三部分。

需要说明的是：

低温泵的升温分自然升温和强迫升温：自然升温就是在切断低温泵低温制冷源后，低温表面在金属传导热、高温璧面的辐射热和气体分子的传导热等热源作用下，使低温表面温度上升，被抽气体随着低温表面的升温而不断解吸。自然升温一般要4-6小时。

强迫升温是低温表面在切断制冷源后，在外界热源作用下升温，这样可缩短升温时间。部分再生时，加热温度一般不超过90℃；本实施中，低温吸附泵的加热丝安装在低温吸附面51上，这样再生加热时升温较快，冷凝在一级屏上的h2o蒸发后就不会再冷凝到吸附剂上，去污染吸附剂而影响泵的再生。

再者，是在低温泵的低温表面升温过程中，禁止用机械泵对低温泵抽气，以避免油蒸汽进人低温泵冷凝或吸附到吸附剂上，污染吸附剂，只有当低温泵的低温表面温度达到或高于环境温度时方可用机械泵抽气。

低温泵再生升温时，被泵抽走的气体随着低温表面温度的上升不断解吸和脱附，泵内压强迅速上升，当泵内压力上升到0.3-0.5个大气压时，安全阀动作，排出被释放的气体。为使低温泵继续工作，就必须在泵内建立一个预真空，一般为5x10-²托，低温板升温到室温后，启动机械泵对低温泵预抽，在抽气过程中注意防止机械泵油蒸汽的返流。防止油蒸汽返流办法：一是在预抽管路中接一个活性氧化铝吸附阱；二是不要在10-²托以下压强范围长时间抽气。实验证明在10-²托压强范围内，机械泵的油燕汽会大量返流；

当低温吸附剂充分解吸再生后，并在泵内建立了低于5x10-²托的隔离真空，机械泵停止工作，制冷系统开始制冷，大约90分钟左右，泵就冷却到20k，再生完成。低温泵又可正常工作。

以上再生过程可人工操作,也可用计算机自动控制。

回温：

(1)系统结束运行后，需要低温泵5回到常温状态，先关闭液氦阀门，通过监测低温吸附面51的温度来监测回温过程；

(2)温度上升到80k左右时，关闭液氮阀门，通过监测防辐射挡板52表面温度、液氮管进出口温度来监测回温过程；

(3)等到系统的温度传感器测得低温吸附面51、防辐射挡板52等位置温度回到常温后，系统即回到常温状态，回温完成。

本实施例通过降温、稳态运行、再生、回温四个过程的控制来实现低温吸附泵高效稳定安全的运行；降温过程，首先罗茨泵4粗抽，再用分子泵3抽高真空，然后在相应节点通液氮和液氦，阀门同时根据控制逻辑来工作，使降温的效率大大升高；稳态运行时，系统会以声光电等方式实时反馈故障信息，可依据控制策略计算机或人工控制，使稳态运行可控；通过设置的温度反馈控制电路控制加热丝的加热功率，配合液氦液氮阀门和抽气阀等的协同工作，使整个再生过程时间压缩到一小时左右，相比没有再生过程的系统控制策略，整个再生过程通过人工调控需要6-8小时，大大缩短了再生时间；回温过程依据控制策略，使安全稳定快速的回温。

实施例二：

本实施例在上述实施例一的基础上，所述再生过程还包括完全再生，所述完全再生过程位于5-10个部分再生循环后。

所述完全再生包括以下步骤：

(1)关闭液氦阀门；

(2)关闭液氮阀门；

(3)加热低温吸附面51到300k，通过在面板上设置的温度传感器来监控加热过程；

(4)加热到300k过程中，温度升高，活性炭吸附的气体逐步释放；

(5)伴随加热过程打开抽气泵，逐步抽出释放的气体，通过监测压力的变化来监控抽气过程；

(6)抽气完成后，关闭抽气阀，完全再生完成。

是选择部分再生还是部分再生后再进行完全再生由使用情况而定；即可以单独进行部分再生，也可以部分再生后进行完全再生。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。