CN106249771B - 氦压调谐器压力精密控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于核能利用技术领域，特别涉及氦压调谐器。其技术方案是：一种氦压调谐器压力精密控制装置，包括：减压补气系统，缓冲系统，调节系统，稳压系统，集气系统；控制方法为：首先高纯高压氦气通过减压补气系统进入缓冲系统后形成低压氦气；装置运行时，缓冲罐内的氦气通过调节系统进入稳压系统，稳压系统跟氦压调谐器串联，通过控制进气系统和排气系统的氦气流量实现了对氦压调谐器位移量的精确控制从而达到了腔体中心频率的稳定。本发明通过精确控制稳压罐内的压力实现了对氦压调谐器位移量的精确控制，能够迅速、准确的把腔体的频率调节到中心频率附近，最终相对误差不超过0.03％。

Description

氦压调谐器压力精密控制装置及方法

技术领域

本发明属于核能利用技术领域，特别涉及一种氦压调谐器。

背景技术

核能作为当今社会非常重要的能源，相对于煤，石油，天然气，因其清洁的生产方式、高效的能量转化而被各个国家广泛运用。如核电站通过核裂变的技术手段得到大量热能，通过动力装置将热能转化为电能。这一过程中，不会产生火力发电厂所产生的大量废气和可吸入颗粒排放，但是核废料的处理成为一个巨大的难题。国际上现有“开环”和“闭式”两种核原料循环模式，在开环模式中，核乏料在经过冷却和封装后直接深埋于地层深处，这种方式需要在地层中存放上万年的时间才可以基本消除对环境的影响。“闭式”循环则是将核乏料通过后处理再次制作成核燃料。近年来，在闭式循环的后处理基础上，进一步的采用嬗变反应将长寿命、高放射的核元素转化为中短寿命、低放射的核素。该方法利用高速粒子撞击核废料，使其发生裂变。这样做的好处是，核废料进一步裂变，可以充分利用核燃料，产生更多的能量，同时，裂变之后，半衰期大大降低。

通常嬗变装置采用半波长谐振型超导腔，用以加速的射频四级场在运行过程中外界因素比如氦压波动、洛伦兹力作用会使高频腔体谐振频率和功率源频率有偏差，从而导致功率馈送效率的下降和束流品质的变化。为了使高频腔能在设计的频率范围内正常工作，不仅需要精确的加工和调整，使其谐振在选定的中心频率上，还要设计一套调谐装置，与控制环路一起构成反馈自动调谐系统，来消除温度变化，外部噪声，洛伦兹力以及腔与功率源之间耦合变化对腔造成的频率漂移。因此，及时的调谐对质子能否被加速起着至关重要的作用。

目前机械调谐是一种广泛运用的调谐方式，这种调谐方式技术相对成熟，可以有效的通过机械传动装置收到的控制信号，对调谐器施加相应的压力，改变腔体的体积大小，进而调节腔体频率。但是这种方法在调控过程中，机械传动机构本身的震动会对腔体的频率信号造成一定的干扰，此外，由于机械机构本身的缺陷，当一个控制信号发送给传动装置之后，机械机构不能快速的做出相应的调整，特别是对微小的外界噪音，机械机构的反应并不敏感，这样极大降低了每次反馈的速度，使得整个控制系统循环的周期很长，当外界干扰变化较快时，无法做出及时的调整以适应外界干扰对腔体频率的影响。

发明内容

本发明的目的是：提供一种精密的氦压调谐器气压调节装置及方法，当超导腔的频率偏离中心频率时，能够迅速、准确的把腔体的频率调节到中心频率附近，最终相对误差不超过0.03％。

本发明的技术方案是：一种氦压调谐器压力精密控制装置，它包括：缓冲罐、稳压罐、集气罐以及氦压调谐器；

缓冲罐的输入端设有第一电磁隔断阀，第一电磁隔断阀通过不锈钢管路依次连接有第一压力传感器，第一减压阀；缓冲罐上设有用于监控其内氦气压力的第二压力传感器以及用于控制其内氦气压力范围的第一自动排气阀；缓冲罐输出端设有第二电磁隔断阀；

稳压罐上设有用于监测其内氦气压力、温度的第三压力传感器和温度传感器；稳压罐与第二电磁隔断阀之间并联接有第一高精度质量流量控制器和第一电磁调节阀；当超导腔的频率偏离中心频率时，第一电磁调节阀用于供气量的粗调节，第一高精度质量流量控制器用于供气量的精调节；

集气罐上设有用于监测其内部压力的第四压力传感器以及用于集气罐紧急或临时排气的第二自动排气阀；集气罐与稳压罐之间并联接有第二高精度质量流量控制器以及第二电磁调节阀；第二高精度质量流量控制器以恒定流量向集气罐内排入氦气，第二电磁调节阀用于检修时排气以及开机运行初始化；集气罐与缓冲罐之间串接有第三电磁隔断阀以及压缩机；

氦压调谐器接入稳压罐，通过对稳压罐内压力的精确控制实现对超导腔频率的精确控制；

第一减压阀，第一压力传感器和第一电磁隔断阀组成减压补气系统；

缓冲罐，第二压力传感器，第一自动排气阀和第二电磁隔断阀组成缓冲系统；

第一高精度质量流量控制器和第一电磁调节阀组成调节系统；

稳压罐，第三压力传感器和温度传感器组成稳压系统；

集气罐，第二高精度质量流量控制器，第二电磁调节阀，第四压力传感器，第二自动排气阀，第三电磁隔断阀和压缩机组成集气系统。

本发明的另一个技术方案是：一种氦压调谐器压力精密控制方法，它使用如上所述的氦压调谐器压力精密控制装置，并包括以下步骤：

A.氦压调谐器压力精密控制装置开机后开始初始化过程，即：根据缓冲罐、稳压罐、集气罐内的压力状况，通过控制第一电磁隔断阀、第一自动排气阀、第二电磁隔断阀、第一电磁调节阀、第二电磁调节阀、第二自动排气阀的开断以达到各个罐体内的压力初始值；

B.初始化完成2S后，氦压调谐器压力精密控制装置自动进入运行状态，实时监控超导腔反馈的频率值F1并与腔体内的功率源频率F2进行比较，当F1高于F2时，判断F1-F2的差值，当F1-F2＞1000Hz时，开启第一电磁调节阀进行粗调节，直到F1-F2＜400Hz时，断开第一电磁调节阀，开启第一高精度质量流量控制器进行精调节，最终使-20≤F1-F2≥20Hz；

C.第二高精度质量流量控制器以恒定流速300SLM向集气罐排气，当F2-F1＞1000Hz时，开启第二电磁调节阀，直至-400≤F2-F1≤400Hz时关闭第二电磁调节阀，恢复第二高精度质量流量控制器的流量；

D.当集气罐内的压力P3与稳压罐内的压力P1差值大于0.15MPa时，开启压缩机向缓冲罐内充气，直至P3下降到0.05Ma；

E.氦压调谐器压力精密控制装置检修时，通过打开第一自动排气阀、第二电磁调节阀、第二自动排气阀进行放气，直至各罐体内的压力恢复至大气压。

有益效果：本发明通过精确控制稳压罐内的压力实现了对氦压调谐器位移量的精确、快速闭环控制，从而把腔体的频率调节到中心频率附近，最终相对误差不超过0.03％。

附图说明

图1为本发明原理框图。

具体实施方式

实施例1，参见附图，一种氦压调谐器压力精密控制装置，它包括：减压补气系统，缓冲系统，调节系统，稳压系统以及集气系统；

减压补气系统包括：通过不锈钢管路依次连接的第一减压阀1，第一压力传感器2以及第一电磁隔断阀3；

缓冲系统包括：连接第一电磁隔断阀3的缓冲罐20，监控缓冲罐20内氦气压力的第二压力传感器4，控制缓冲罐20内氦气压力范围的第一自动排气阀5，连接在缓冲罐20输出端的第二电磁隔断阀6；

调节系统包括：在第二电磁隔断阀6与稳压系统之间并联的第一高精度质量流量控制器7和第一电磁调节阀8，当超导腔的频率偏离中心频率时，第一电磁调节阀8用于供气量的粗调节，第一高精度质量流量控制器7用于供气量的精调节；

稳压系统包括：连接在调节系统输出端的稳压罐21，用于监测稳压罐21内氦气压力、温度的第三压力传感器10和温度传感器9；稳压罐21连接氦压调谐器23，氦压调谐器23安装在超导腔上，通过对稳压罐21内压力的精确控制实现对氦压调谐器23压力的精确控制，从而达到了对腔体中心频率的精密调节，即稳压罐21内压力作用在氦压调谐器23上后改变了氦压调谐器23的伸缩量，氦压调谐器23通过挤压的方式使超导腔腔体发生形变，从而改变了腔体的频率；

集气系统包括：集气罐22，连接稳压罐21与集气罐22以恒定流量向集气罐22内排入氦气的第二高精度质量流量控制器12，与第二高精度质量流量控制器12相并联用于检修时排气以及开机运行初始化的第二电磁调节阀11，监测集气罐22内部压力的第四压力传感器14，用于集气罐22紧急或临时排气的第二自动排气阀13，串接在集气罐22与缓冲罐20之间的第三电磁隔断阀15和压缩机16。

上述方案中：缓冲罐20为316L不锈钢制作的圆柱罐体，体积为25L；稳压罐21为316L不锈钢制作的圆柱罐体，体积为15L。

实施例2，一种氦压调谐器压力精密控制方法,它使用如实施例1所述的氦压调谐器压力精密控制装置，并包括以下步骤：

A.氦压调谐器压力精密控制装置开机后开始初始化过程，即：根据缓冲罐20、稳压罐21、集气罐22内的压力状况，通过控制第一电磁隔断阀3、第一自动排气阀5、第二电磁隔断阀6、第一电磁调节阀8、第二电磁调节阀11、第二自动排气阀13的开断以达到各个罐体内的压力初始值；

B.初始化完成2S后，氦压调谐器压力精密控制装置自动进入运行状态，实时监控超导腔的频率反馈值F1，并与超导腔体内的功率源频值F2进行比较，当F1高于F2时，判断F1-F2的差值，当F1-F2＞1000Hz时，开启第一电磁调节阀8进行粗调节，直到F1-F2＜400Hz时，断开第一电磁调节阀8，开启第一高精度质量流量控制器7进行精调节，最终使-20≤F1-F2≥20Hz；

C.第二高精度质量流量控制器12以恒定流速300SLM向集气罐22排气，当F2-F1＞1000Hz时，开启第二电磁调节阀11，直至-400≤F2-F1≥400Hz时关闭第二电磁调节阀11，恢复第二高精度质量流量控制器12的流量；

D.当集气罐22内的压力P3与稳压罐21内的压力P1差值大于0.15MPa时，开启压缩机16向缓冲罐20内充气，直至P3下降到0.05Ma；

E.氦压调谐器压力精密控制装置检修时，通过打开第一自动排气阀5、第二电磁调节阀11、第二自动排气阀13进行放气，直至各罐体内的压力恢复至大气压。

Claims (3)

1.一种氦压调谐器压力精密控制装置，其特征是：它包括：缓冲罐(20)、稳压罐(21)、集气罐(22)以及氦压调谐器(23)；

所述缓冲罐(20)的输入端设有第一电磁隔断阀(3)，所述第一电磁隔断阀(3)通过不锈钢管路依次连接有第一压力传感器(2)，第一减压阀(1)；所述缓冲罐(20)上设有用于监控其内氦气压力的第二压力传感器(4)以及用于控制其内氦气压力范围的第一自动排气阀(5)；所述缓冲罐(20)输出端设有第二电磁隔断阀(6)；

所述稳压罐(21)上设有用于监测其内氦气压力、温度的第三压力传感器(10)和温度传感器(9)；所述稳压罐(21)与所述第二电磁隔断阀(6)之间并联接有第一高精度质量流量控制器(7)和第一电磁调节阀(8)；当超导腔的频率偏离中心频率时，所述第一电磁调节阀(8)用于供气量的粗调节，所述第一高精度质量流量控制器(7)用于供气量的精调节；

所述集气罐(22)上设有用于监测其内部压力的第四压力传感器(14)以及用于所述集气罐(22)紧急或临时排气的第二自动排气阀(13)；所述集气罐(22)与所述稳压罐(21)之间并联接有第二高精度质量流量控制器(12)以及第二电磁调节阀(11)；所述第二高精度质量流量控制器(12)以恒定流量向所述集气罐(22)内排入氦气，所述第二电磁调节阀(11)用于检修时排气以及开机运行初始化；所述集气罐(22)与所述缓冲罐(20)之间串接有第三电磁隔断阀(15)以及压缩机(16)；

所述氦压调谐器(23)接入所述稳压罐(21)，通过对所述稳压罐(21)内压力的精确控制实现对所述超导腔频率的精确控制。

2.根据权利要求1所述的氦压调谐器压力精密控制装置，其特征是：所述缓冲罐(20)为316L不锈钢制作的圆柱罐体，体积为25L；所述稳压罐(21)为316L不锈钢制作的圆柱罐体，体积为15L。

3.一种氦压调谐器压力精密控制方法，其特征是：它使用如权利要求1或2所述的氦压调谐器压力精密控制装置，并包括以下步骤：

A.所述氦压调谐器压力精密控制装置开机后开始初始化过程，即：根据所述缓冲罐(20)、所述稳压罐(21)、所述集气罐(22)内的压力状况，通过控制所述第一电磁隔断阀(3)、所述第一自动排气阀(5)、所述第二电磁隔断阀(6)、所述第一电磁调节阀(8)、所述第二电磁调节阀(11)、所述第二自动排气阀(13)的开断以达到各个罐体内的压力初始值；

B.初始化完成2S后，所述氦压调谐器压力精密控制装置自动进入运行状态，实时监控超导腔反馈的频率值F1并与腔体内的功率源频率F2进行比较，当F1高于F2时，判断F1-F2的差值，当F1-F2＞1000Hz时，开启所述第一电磁调节阀(8)进行粗调节，直到F1-F2＜400Hz时，断开所述第一电磁调节阀(8)，开启所述第一高精度质量流量控制器(7)进行精调节，最终使-20≤F1-F2≥20Hz；

C.所述第二高精度质量流量控制器(12)以恒定流速300SLM向所述集气罐(22)排气，当F2-F1＞1000Hz时，开启所述第二电磁调节阀(11)，直至-400≤F2-F1≤400Hz时关闭所述第二电磁调节阀(11)，恢复所述第二高精度质量流量控制器(12)的流量；

D.当所述集气罐(22)内的压力P3与所述稳压罐(21)内的压力P1差值大于0.15MPa时，开启所述压缩机(16)向所述缓冲罐(20)内充气，直至P3下降到0.05Ma；

E.所述氦压调谐器压力精密控制装置检修时，通过打开所述第一自动排气阀(5)、所述第二电磁调节阀(11)、所述第二自动排气阀(13)进行放气，直至各罐体内的压力恢复至大气压。

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