一种基于全超导托卡马克装置的水冷控制系统的制作方法

本发明涉及设备温控领域，具体为一种基于全超导托卡马克装置的水冷控制系统。

背景技术：

全超导托卡马克是国家发展计划委员会正式批准建设的国家“九五”重大科学工程。它的科学目标是建造一个具有非圆截面的大型超导托卡马克装置及其实验系统，发展并建立在超导托卡马克装置上进行稳态运行所需要的多种技术，开展稳态、安全和高效运行的先进托卡马克聚变反应堆基础物理问题的实验研究，为我国下一代聚变工程试验堆的概念设计奠定坚实基础。托卡马克的三大目标为：产生≥1兆安培的等离子体电流；持续时间将达到1千秒；在高功率加热下温度将超过1亿度。托卡马克装置于2006年完成总装调试，并进行了首次等离子体放电调试，2014年实现了28秒h模（h98因子从2012年的0.9提高到1.2），2016年实现5千万度1百秒的运行参数；这些性能提升是建立在2012年开始的一系列托卡马克工程部件升级基础之上的。

全超导托卡马克装置设置有水冷系统，水冷系统的主要功能是为托卡马克主机及电源、辅助加热、真空等子系统提供一定压力、流量和温度的冷却水，以转移其在运行过程中产生的热负荷，保证托卡马克物理实验的安全稳定运行。

但是，现有的水冷控制系统设计落后，属于半自动半手工模式。在托卡马克物理实验期间，与其它系统主要靠人工电话的方式进行通讯。目前托卡马克水冷系统在安全性、可靠性和及时性方面不能满足托卡马克高参数实验运行要求，已经严重影响到托卡马克装置及其子系统的安全、稳定运行，对其进行改造升级已经迫在眉睫。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述问题，提供一种基于全超导托卡马克装置的水冷总控制系统。

本发明实施例是这样实现的，一种基于全超导托卡马克装置的水冷总控制系统，包括：

控制模块，包括总控制模块和子控制模块，所述总控制模块用于根据各个子系统上传的冷却水运行数据，在等离子体运行期间为主功率环路提供温度、压力和流量的设定和人工干预，并且提供主功率环路的排热测量，所述子控制模块包括冷却水控制模块和水质控制模块，所述冷却水控制模块用于冷却水温度、压力及流量的自动控制，所述水质控制模块用于水质的自动调节；

监测模块，包括冷却水监测模块和水质监测模块，所述冷却水监控模块用于冷却水温度、压力及流量的在线监测，并将监测到的数据传输给所述冷却水控制模块，所述水质监测模块用于在线监测水质，并将监测到的数据传输给所述水质控制模块；

调节模块，包括冷却水调节模块和水质调节模块，所述冷却水调节模块用于接收所述冷却水控制模块的控制指令对水冷系统冷却水的温度、压力及流量进行直接的控制和调节，所述水质调节模块用于接收所述水质控制模块的控制指令对水质进行调节，所述水冷系统包括托卡马克水冷系统和设备水冷系统。

本发明实施例提供的一种基于全超导托卡马克装置的水冷总控制系统，包括控制模块，所述控制模块包括总控制模块和子控制模块；监测模块，所述监测模块包括冷却水监测模块和水质监测模块，用于冷却水温度、压力、流量及水质的监测；调节模块，包括冷却水调节模块和水质调节模块，所述冷却水调节模块用于接收所述冷却水控制模块的控制指令对水冷系统冷却水的温度、压力及流量进行直接的控制和调节，所述水质调节模块用于接收所述水质控制模块的控制指令对水质进行调节，所述水冷系统包括托卡马克水冷系统和设备水冷系统。该系统采用分级控制的方法，将自动控制与人工干预相结合，安全、可靠、及时，能够满足托卡马克装置运行中对冷却系统稳定性的高要求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于全超导托卡马克装置的水冷总控制系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于全超导托卡马克装置的水冷总控制系统中托卡马克水冷系统管路示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于全超导托卡马克装置的水冷总控制系统中设备水冷系统管路示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于全超导托卡马克装置的水冷总控制系统系统组成图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-4及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供的一种基于全超导托卡马克装置的水冷总控制系统，包括控制模块，所述控制模块包括总控制模块和子控制模块；监测模块，所述监测模块包括冷却水监测模块和水质监测模块，用于冷却水温度、压力、流量及水质的监测；调节模块，包括冷却水调节模块和水质调节模块，所述冷却水调节模块用于接收所述冷却水控制模块的控制指令对水冷系统冷却水的温度、压力及流量进行直接的控制和调节，所述水质调节模块用于接收所述水质控制模块的控制指令对水质进行调节，所述水冷系统包括托卡马克水冷系统和设备水冷系统。该系统采用分级控制的方法，将自动控制与人工干预相结合，安全、可靠、及时，能够满足托卡马克装置运行中对冷却系统稳定性的高要求。

如图1-4所示，本发明一个实施例中，一种基于全超导托卡马克装置的水冷总控制系统，包括：

控制模块，包括总控制模块100和子控制模块，所述总控制模块100用于根据各个子系统上传的冷却水运行数据，在等离子体运行期间为主功率环路提供温度、压力和流量的设定和人工干预，并且提供主功率环路的排热测量，所述子控制模块包括冷却水控制模块110和水质控制模块120，所述冷却水控制模块110用于冷却水温度、压力及流量的自动控制，所述水质控制模块120用于水质的自动调节；

监测模块，包括冷却水监测模块111和水质监测模块121，所述冷却水监控模块111用于冷却水温度、压力及流量的在线监测，并将监测到的数据传输给所述冷却水控制模块110，所述水质监测模块121用于在线监测水质，并将监测到的数据传输给所述水质控制模块120；

调节模块，包括冷却水调节模块112和水质调节模块122，所述冷却水调节模块112用于接收所述冷却水控制模块110的控制指令对水冷系统冷却水的温度、压力及流量进行直接的控制和调节，所述水质调节模块122用于接收所述水质控制模块120的控制指令对水质进行调节，所述水冷系统包括托卡马克水冷系统和设备水冷系统。

在本发明中，所述控制模块包括总控制模块100和子控制模块。所述总控制模块100用于处理所述子控制模块上传的有效有数据，同时对子控制模块的运行状态进行监控，总控制模块100用于水冷系统的总控制，直接接受人工设定和调节，并且连入整个托卡马克装置的总控制中心，属于整个托卡马克装置的总控制中心的一个组成部分；总控制模块100的另一个重要功能在于，在运行期间可以通过冷却系统进出口流量及温度的相关数据，给出所述托卡马克装置排热量的测量，即控制冷却系统带走的热量值。

在本发明中，所述子控制模块包括冷却水控制模块110和水质控制模块120，分别按照预设的参数调节该子系统内各个节点，其主要控制节点的运行参数直接传递给所述总控制模块100，在运行期间，接受所述总控制模块100的人工干预，如直接更改冷却水的温度、压力、流量值，调节水质，以及故障处理，系统的各个部分的启停控制等，均设置于所述总控制模块100下，子控制模块的作用在于保证设定的参数能够稳定运行，并且向总控制模块100上传处理过后的有效信息。

在本发明中，所述监测模块包括冷却水监测模块111和水质监测模块121。在本发明中，如图2-3所示，所述托卡马克装置各部分的冷却回路为封闭环路，冷却水在该封闭环路内运行，与外界隔离，与水质处理回路并联，各个封闭回路通过换热装置与外环冷却回路进行热交换。所述监测模块主要设置于所述封闭回路内，监测的包括冷却水的水压、流量、温度以及水质，当然，也可以按实际需要采集其它参数。

在本发明中，所述调节模块为所述水冷总控制系统参数调节的主要执行部分，既直接接受所述子控制的调节指令，调节系统的运行状态，也接受所述部控制模块的间接调控。

本发明实施例提供的一种基于全超导托卡马克装置的水冷总控制系统，包括控制模块，所述控制模块包括总控制模块100和子控制模块；监测模块，所述监测模块包括冷却水监测模块111和水质监测模块121，用于冷却水温度、压力、流量及水质的监测；调节模块，包括冷却水调节模块112和水质调节模块122，所述冷却水调节模块112用于接收所述冷却水控制模块110的控制指令对水冷系统冷却水的温度、压力及流量进行直接的控制和调节，所述水质调节模块122用于接收所述水质控制模块120的控制指令对水质进行调节，所述水冷总控制系统400包括托卡马克水冷系统410和设备水冷系统420。该水冷总控制系统400采用分级控制的方法，将自动控制与人工干预相结合，安全、可靠、及时，能够满足托卡马克装置运行中对冷却系统稳定性的高要求。

在本发明一个实施例中，如图4所示，所述托卡马克水冷系统410和所述设备水冷系统420各自的内部及两者之间设置有连锁保护。

在本实施例中，具体的连锁保护包括：所述托卡马克装置和所述水冷总控制系统400的连锁（包括两个系统之间的连锁以及托卡马克装置各个运行部分和与之对应的冷却水路的连锁），各个封闭水冷回路（图2-3中，上偏滤器水冷环路201、上偏滤器水冷环路202、第一壁水冷环路203、真空壁水冷环路204、执行器件水冷环路205、快控线圈水冷环路206、共振磁振动线圈水冷环路207、诊断类器件水冷环路208、中性束注入颈瓦水冷环路209，低杂波水冷环路301、极向场电源水冷环路302、纵向场电源水冷环路303、共振磁振动电源水冷环路304、电源水冷电缆环路305）和与之配套的水质调控回路的连锁，封闭水冷环路和外围水冷环路（图2-3中，托卡马克水冷系统外围水冷环路210、设备水冷系统外围水冷环路306）的连锁。其基本要求在于：对于一个运行过程中必须进行冷却的组件，其开启的条件是水冷与之对应的水冷回路已经开启，而对于运行过程中冷却并非一定的组件，则不能使水冷系统的开启与否成为其运行的能否启动的条件，同时，对于任何一个封闭水冷环路，其水质监控回路必须开启该封闭水冷回路才能开启。

在本实施例中，所述托卡马克水冷系统410和所述设备水冷系统420各自的内部及两者之间设置有连锁保护，保证了系统各部分之间的相互协调，防止了意外的发生，提高了系统的可靠及案例性。

在本发明一个实施例中，所述水质监测模块监测的监测内容包括电导率、ph值、二氧化硅含量、溶解氧、toc以及悬浮物含量。

在本发明中，所述封闭水冷回路中运行的冷却水为为去离子水，需要严格控制其水质，其水质控制主要从两个方面进行，一方面是控制去离子水性质的稳定，如控制运行过程中去氧气的溶入；另一方面主要从设备及管道保护角度考虑，防止设备及管道的腐蚀以及结垢、滑伤管道内壁等情形的出现。

在本实施例中，具体给出了水质调控的具体项目，通过对所述水质项目进调控，保证了冷却水化学性质及物理性质的稳定，延长设备及管道的使用年限，同时减少冷却水的更换，保持系统的稳定运行。

在本发明一个实施例中，所述子控制模块上传的数据具有时间戳，数据上传至所述总控制模块用于分析、归档、记录、监控和显示，数据类型包括模拟量输入和输出、开关量的输入和输出。

在本发明中，数据类型包括模拟量输入和输出、开关量的输入和输出，模拟量是4～20ma、+/-10v，开关量是24vdc信号。温度信号采用热电偶或pt100；气动信号范围是0.2～1bar，利用压力/电流变换器转换为4～20ma信号，用于气动比例控制阀的控制；气动信号0～6-8bar的用于非比例气/电动控制阀和气/电动吸合阀的控制和吸合。

在本实施例中，所用的信息类型为工业通用信号类型，使系统能够采用标准化设计，元器件的选用无需重新设计，直接从现有产品中选择即可。而对于信号的处理则规定了其基本内容包括分析、归档、记录、监控和显示，针对的是设备的现场监控及实验数据的记录，特别是实验进程参数的清晰可靠记录，比常规设备要求更为严密，保证了实验的稳定进行，有利于过程参数的采集记录，方便了后续的数据分析。

在本发明一个实施例中，所述总控制模块具备系统管理功能、数据描述功能、报警功能和故障跟踪记录功能；所述系统管理功能包括重启、配置、启动、停止、本地/远控选择；所述数据描述功能便于托卡马克总控制中心的软件配置采用统一方式来描述系统特征，自描述数据在系统运行过程中不会变化；报警功能的目的是向托卡马克总控制中心提供报警信息，用于故障诊断和校正，内容包括时间戳、等级、量值、报警描述；所述故障跟踪记录功能记录的信息包括时间戳、进程标识符、事件文本解释和信息等级。

在本实施例中，规定了所述总控制模块的具体功能，使得所述总控制模块能够控制整个水冷系统状态，且对于数据采集分析严格遵守设定流程，使得数据可以清晰归类、存档。

在本发明一个实施例中，所述冷却水调节模块包括但不限于各环路的仪表、阀门、热交换器、泵以及管路容器，上述各元件通过串联或者并联的方式设置于冷却水回路或者水质调节回路内，与所述子控制模块电连接，由所述子控制模块直接控制。

在本实施例中，通过仪表、阀门、热交换器、泵以及管路容器待执行元件实现对冷却水路压力、流量、温度及水质的直接调节，控制方便，易于实现，且上述元器件属于管路的基本元器件，减少了系统的复杂程度，增加了可靠性。

在本发明一个实施例中，所述水质调节模块包括离子交换器、精密过滤器、氮气稳压系统、膨胀罐以及纯水脱氧装置，上述各装置串联设置于水质处理回路中，与所述子控制模块电连接，由所述子控制模块直接控制。

在本实施例中，离子交换器选用进口非再生树脂作为原料进行特殊配比，正常运行状态下，单台离子交换器树脂可连续使用4年，操作温度：≤60℃，罐体材质：316l。精密过滤器设置于所述离子交换器出口，目的为拦截可能破碎流出的树脂颗粒，采用可更换滤芯方式，罐体材质：316l，过滤精度：10μm。在水处理回路上串联有氮气稳压系统，由氮气瓶、气路、调压阀、仪表、压力传感器、压力开关、膨胀罐等组成。在膨胀罐的顶部充有稳定压力的高纯氮气，当冷却介质因少量外渗或电解而损失时，氮气自动扩张，把冷却介质压入循环管路系统，以保持管路的压力恒定和冷却介质的充满，膨胀罐可缓冲冷却水因温度变化而产生的体积变化，氮气密封使冷却介质与空气隔绝，对管路中冷却介质的溶解氧等指标的稳定起着重要的作用。氮气管路主要由减压阀、电磁阀、安全阀、氮气瓶及监控仪表等组成，由plc控制实现气源的自动减压、补充、排气等。本体共设置供气系统，另配置外接氮气接口，分别采用氮气瓶和低压氮气供气。膨胀罐：配置电容式液位计、磁翻板式液位计，装在膨胀罐外侧，可显示膨胀罐中的液位，设置有低液位报警。当液位到达低点时，发出警告信号，提示操作人员启动补液泵。若液位到达超低点时，发出报警信号，提示操作人员检修系统。膨胀罐的液位传感器为线性连续信号，若下降速率超过设定值，则系统判断管路可能有泄漏。其中一台底部设置曝气装置，增加氮气溶解度，脱气时更有效地带走氧气。罐体材质：316l。纯水脱氧装置：纯水脱氧装置根据“亨利定理”，采用纯度≥99.995%的氮气和真空泵，采用脱气膜装置，对流经脱气膜管的纯水进行脱氧。如图2-3所示，上述各装置串联于水质处理回路中。

本实施例中给出了水质调节模块的具体组成，保证了冷却水水质的稳定，有效防止了管道可以发生的腐蚀、结垢以及水质的化学性质不稳定等情形，保证了系统的稳定运行。

在本发明的一个实施例中，所述托卡马克水冷系统的动力设备采用冗余设计，同一回路中并联设置一套以上动力设备，当一套设备出现故障时可自动切换至另一套动力设备；所述动力设备与所述子控制模块电连接，由所述子控制模块直接控制。各水冷环路配备有专用动力元件，主要为各类水泵，为各环路内冷却水的输送提供动力。由于运行时间长，水泵容易出现故障，为了保证水泵的突然故障不影响系统的运行，所述托卡马克水冷系统的主要水泵均采用冗余设计，至少两套动力元件并联，当其中一套动力元件出现故障时，系统可以根据流量或者压力或者转速的变化，启动另备用动力元件，提高了系统对故障的自处理能力。

在本发明一个实施例中，如图4所示，所述托卡马克水冷系统410包括偏滤器水冷系统411、第一壁水冷系统412、真空室水冷系统413、执行器件水冷系统414、内部线圈水冷系统415以及窗口器件水冷系统416；所述设备水冷系统420包括低杂波水冷系统421和电源水冷系统422。

本实施例给出了所述托卡马克水冷系统410和所述设备水冷系统420的具体构成，各冷却系统与所述卡马克装置的各部分紧密联系，是所述托卡马克装置运行中不可或缺的一个部分，保证了所述托卡马克装置的稳定运行。

在本发明一个实施例中，如图4所示，所述偏滤器水冷系统411包括上偏滤器水冷系统4111和下偏滤器水冷系统4112；所述内部线圈水冷系统415包括快控线圈水冷系统4151和共振磁振动线圈水冷系统4152；所述窗口器件水冷系统416包括诊断类器件水冷系统4161和中性束注入颈瓦水冷系统4162；所述电源水冷系统422包括极向场电源水冷系统4221、纵向场电源水冷系统4222、共振磁振动电源水冷系统4223以及电源水冷电缆系统4224。

本实施例进一步给出了所述托卡马克水冷系统410和所述设备水冷系统420的具体构成，各冷却系统与所述卡马克装置的各部分紧密联系，是所述托卡马克装置运行中不可或缺的一个部分，保证了所述托卡马克装置的稳定运行。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。