EP2411745A1 - Systeme cryogenique pour le refroidissement d'un consommateur presentant une charge thermique variable dans le temps - Google Patents

Systeme cryogenique pour le refroidissement d'un consommateur presentant une charge thermique variable dans le temps

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EP2411745A1
EP2411745A1 EP10712464A EP10712464A EP2411745A1 EP 2411745 A1 EP2411745 A1 EP 2411745A1 EP 10712464 A EP10712464 A EP 10712464A EP 10712464 A EP10712464 A EP 10712464A EP 2411745 A1 EP2411745 A1 EP 2411745A1
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EP
European Patent Office
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gas
valves
consumer
supply
pressure
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EP10712464A
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German (de)
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EP2411745B1 (fr
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Guy Bornard
Patrick Bonnay
Fanny Clavel
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B49/00—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F25B49/02—Arrangement or mounting of control or safety devices for compression type machines, plants or systems

Definitions

  • the invention relates to a cryogenic system for cooling a consumer having a variable thermal load over time; it applies in particular to the cooling of superconducting magnets.
  • a cryogenic system for cooling a consumer generally comprises a fluid circuit in which pressurized heat transfer gas (N 2 or He) flows from a compression stage to a "cold box", where it is cooled and partially liquefied by relaxation.
  • the cold box contains a bath of liquefied gas, in thermal contact with the consumer to cool.
  • the heat transferred by the consumer to the bath (“heat load”) causes the evaporation of a portion of the gas, which is removed from the cold box to the compression stage, so as to close the circuit.
  • a system of this type is particularly suitable for the cooling of a consumer having a constant or slowly variable heat load, but is not very effective when the thermal load varies significantly on a time scale of the order of minutes or seconds. Such conditions are encountered especially during the cooling of the superconducting magnets, and in particular magnets used in research tokamaks on controlled nuclear fusion.
  • the document FR 2 919 713 describes a method and a cryogenic installation particularly suitable for cooling consumers with a variable thermal load over time.
  • the solution proposed by this document is to provide, in the cold section of the installation, a liquefied gas accumulator.
  • This accumulator makes it possible to store cold fluid when the value of the thermal load is low, and to supply it to the consumer when the heat load increases.
  • the accumulator thus behaves like a filter that decouples the variability of the thermal load of the cryogenic circuit, which can continue to operate at constant speed and be sized on the basis of the average thermal load - and no peak - of the consumer.
  • the invention aims to provide a cryogenic system for cooling a consumer having a variable thermal load over time, not having the aforementioned drawbacks of the prior art.
  • An idea underlying the invention is to modify the system so as to allow operation of the cryogenic circuit in dynamic mode, instead of circumventing the problem by "filtering" the variability of the thermal load by a cold fluid accumulator.
  • a cryogenic system of conventional type can work satisfactorily in dynamic mode, provided to be provided with a suitable control means.
  • the inventors have understood that the adaptation of a conventional cryogenic system to a variable load can be achieved by means of automatic techniques, without the need for significantly modify its material structure, and in particular that of its cold part.
  • the adaptation of an existing installation can therefore be carried out at a limited cost, and the design of installations specifically dedicated to consumers with variable thermal load is greatly simplified.
  • An object of the invention is therefore a cryogenic system for cooling a consumer having a variable thermal load over time, comprising: a cold box in thermal contact with said consumer, supplied with compressed heat transfer gas by a supply duct and connected to a discharge pipe for discharging said gas at a lower pressure; and a pressure control assembly in said supply and discharge conduits having a plurality of controlled valves and a control device for controlling the opening of said valves; characterized in that said control device is a multivariable controller adapted to generate opening control signals of said valves as a function of measured values and pressure setpoints in said supply and discharge conduits on the basis of a mathematical model of the system taking into account a coupling between the pressure values in the supply and discharge pipes via said cold box.
  • Said control device may comprise: a first controller for generating a first control signal of said valves based on a first partial model of the system; a second regulator for generating a second driving signal of said valves based on a second partial model of the system, different from said first partial model; and a control selector for selectively applying to said valves the first or second control signal.
  • said regulating system may comprise: a heat transfer gas storage tank at an intermediate pressure between that of said supply duct and that of said discharge duct; a first controlled valve disposed between said storage tank and said discharge pipe for allowing gas injection therefrom from said tank; a second controlled valve, disposed between said storage tank and said supply pipe, to allow evacuation of gas from the latter to said tank; and a third controlled valve, disposed between said supply conduit and said delivery conduit, to allow bypass of the cold box.
  • Said first regulator may be adapted to generate a first opening control signal of the first and third valves, excluding said second valve, based on said first partial model of the system; and said second regulator may be adapted to generate a second opening control signal of the second and third valves, excluding said first valve, based on said second partial model of the system.
  • Said first partial model can model the behavior of the system when a volume of gas is injected into the discharge pipe
  • said second partial model can model the behavior of the system when a volume of gas is extracted from the supply duct.
  • Said mathematical model of the system can model heat transfer flow disturbances induced by temporal variations of the thermal load of a consumer in thermal communication with said cold box by virtual variations of the openings of the valves of the control system, the latter being supplied to said control device as input variables next to measured values and pressure setpoints
  • Said control device can be adapted to minimize a cost function depending on the differences between the pressures measured in the supply and discharge pipes and the values of respective setpoints, as well as the amplitude of the generated control signals.
  • it can be a quadratic linear regulator.
  • the cold box may contain a liquefied heat transfer gas reserve which evaporates in part under the effect of the heat load of a consumer, the evaporated gas being discharged through the discharge pipe and replaced by the liquefaction of at least one part of the gas from said supply duct, the variability over time of evaporation rates and liquefaction of the gas thereby inducing disturbances in the pressure inside said supply and discharge ducts.
  • the consumer may be a superconducting magnet having a pulsed thermal load.
  • FIG. 1A a diagram of a cryogenic system according to the prior art
  • FIG. 2 a principle diagram of the regulation means of a cryogenic system according to one embodiment of the invention.
  • FIGS. 3A, 3B and 3C and 4A, 4B, 4C graphs illustrating the behavior of a cryogenic system according to the invention under pulsed thermal load, and its comparison with the prior art.
  • FIG. 1A illustrates, in a simplified way, the structure and the operation of a conventional type CRY helium-liquefier refrigerator.
  • Such an installation comprises a cryogenic circuit comprising a high pressure line CHP 1 a low pressure line CBP, a compression stage CMP and a cold box BF.
  • the compression stage CMP may comprise one or more compressors, for example of the screw type, as well as an unrepresented deoiler.
  • the gas - Helium in particular - compressed by the compression stage flows in the high-pressure pipe, or supply pipe CHP, at a pressure PHP of the order of 15 -20 bar, towards the box cold BF; the mass flow rate of the compressor, assumed to be constant, is indicated by QCMP.
  • the flow of heat transfer gas (Helium) is subdivided in two: a flow rate Q JT passes through a Joule-Thomson V JT expansion valve (after a possible pre-cooling with liquid nitrogen , not shown), while the remaining flow passes through an expansion turbine TD.
  • a flow rate Q JT passes through a Joule-Thomson V JT expansion valve (after a possible pre-cooling with liquid nitrogen , not shown), while the remaining flow passes through an expansion turbine TD.
  • the gas cooled by its passage through the turbine TD is injected into countercurrent exchangers and used to pre-cool the flow through the Joule-Thomson valve, upstream of the latter, according to the principle of Claude's cycle.
  • the Q V JT / Q L JT ratio depends in particular on the upstream temperature of the expansion valve.
  • a consumer CONS represented by an electrical resistance, is in thermal communication with the bath BT.
  • This consumer dissipates in the form of heat a power ⁇ ("thermal load") which causes the evaporation of a flow Qw of liquid gas.
  • This flow Qw and the Q v j ⁇ flow and the flow through the expansion turbine are discharged from the cold box by CBP low-pressure delivery duct (P B p of the order of 1, 05 bar) to the CMP compressor.
  • a gas storage tank RS at a pressure PRS, intermediate between P B P and PHP (for example, of the order of 9 bar) is connected to the low pressure pipe CBP via a first valve controlled VC 1 , and the high-pressure pipe CHP through a second valve controlled VC 2 .
  • valves VCi, VC 2 When the first valve VCi is open, a flow Qvci gas is injected into the installation from the reserve RS; conversely, when the second valve VC 2 is open, a flow rate Q V c 2 of gas is removed from the installation to be stored in the reserve RS. Both valves VCi, VC 2 must never be opened at the same time.
  • a third controlled valve VC 3 sets the operating point of the installation by opening and closing a bypass path of the cold box, crossed by a flow Qvc 3 gas.
  • valves VC 1 , VC 2 and VC 3 are controlled by two independent regulators, generally of the PID type (proportional - integral - derivative) to maintain the pressure values P B p and PHP close to respective set values P ° B P and P ° HP-
  • a first PID1 controller generates a control signal SC 3 VC valve 3 according to the difference P B P p ° BP in order to regulate the pressure in the delivery duct CBP.
  • a second regulator PID2 generates a control signal SC 12 of the valves VCi and VC 2 as a function of the difference PHP-P 0 HP in order to regulate the pressure in the supply duct CHP.
  • the signal SC 12 can control the two valves VC 1 and VC 2 by means of a "split-range" mechanism SR, the operation of which is illustrated in FIG. 1B. It is assumed that the value of the signal SCi 2 can vary between 0 and 1.
  • PID1 reacts to neutralize it; but because of the coupling introduced by the cold box, the action of PID1 inevitably disturbs the value of PHP, which triggers the intervention of the second PID2 regulator. In turn, it again disrupts the value of PBP, and so on.
  • quadrattic linear The multivariable control method known as "quadratic linear" is well known from the prior art; see for example the works:
  • the optimal control (that is to say, which minimizes the cost function) can be obtained by solving an algebraic equation of Riccati.
  • this problem can be solved by applying a technique known as "control switching".
  • the system to be controlled is modeled by a plurality of independent subsystems, each with its own controller, of which the actual system "switches".
  • the cryogenic plant SYS can be modeled using two partial models describing the operation of the plant in material supply and withdrawal respectively.
  • two vector control signals are generated, one for each partial model; a control selector chooses which of these control signals must be effectively applied to the installation.
  • the partial models are linearized around the point of operation of the installation, which can not be done for a "global" model that is supposed to account for the behavior of the system in both regimes at the same time.
  • the pressure values PHP and PBP, measured in the CHP and CBP conduits respectively, are input to a mathematical model MOD of the CRY installation, constituted by two sub-models or partial models MPi, MP 2 , representing the operation of the installation in the system of intake and removal of material respectively.
  • a mathematical model MOD of the CRY installation constituted by two sub-models or partial models MPi, MP 2 , representing the operation of the installation in the system of intake and removal of material respectively.
  • These models make it possible to associate with the temporal variations of the pressures PHP and P B p "virtual" variations of opening of the valves CV 1 , CV 2 .
  • the partial models make it possible to calculate "virtual openings" O V i, O V 2 of said valves which, if they were real, would produce the observed pressure fluctuations (which, in reality, are caused essentially by load variations thermal, not measured directly). It is said that the disturbances of the system are "brought back to the entrances".
  • the two virtual openings depend on both PHP
  • the first DC regulator 1 is intended to control the CRY cryogenic installation in material supply regime: to do this, it generates control signals (or a first vector signal of control) SC 1 and SC 3 for controlling the valves CV 1 and CV 3 respectively. On the other hand, this regulator does not act on the valve CV 2 which, in material supply regime, is supposed to remain in the closed state.
  • the second DC 2 regulator is intended to control the CRY cryogenic installation in material removal regime: to do this, it generates control signals (or a second vector control signal) SC 2 and SC 3 intended to drive the valves CV 2 and CV 3 respectively.
  • this regulator does not act on the valve CVi which, in material removal regime, is supposed to remain in the closed state.
  • the first regulator provides a control signal SCi of the valve CVi even when the system is in a material withdrawal regime; in this case, however, this control signal will correspond to an opening level of said non-physically feasible valve - for example negative.
  • SC 2 generated by the second regulator when the system is, in fact, in the material supply regime.
  • Non-linear DC 1 , DC 2 controllers could also be used, providing only physically feasible opening signals; in this case, the control selection would be by identifying which of the signals SC 1 and SC 2 is closest to zero.
  • the control selection would be by identifying which of the signals SC 1 and SC 2 is closest to zero.
  • Qvc 3 linearly depends on P H p and non-linearly the opening level of the valve VC 3 , represented by open 3 ; the gas flow in the path of contouement being sonic, the flow does not depend on the downstream pressure P B p.
  • Open 3 The can write: Open 3 ).
  • - Qvci linearly depends on P RS and non-linearly the opening level of the valve VCi, represented by OUv 1 ; the gas flow in the path of contouement being sonic, the flow does not depend on the downstream pressure P B p.
  • QCMP depends linearly on P B p, assuming that the volumetric flow rate of the compressor is constant and that the density of the gas is proportional to its pressure: QCMP ⁇ KCMP-PBP. with constant KCMP.
  • V JT depends essentially on the gas temperature at the expansion valve V JT ; it is a parameter independent of the others, which can be considered constant.
  • the linearization of these equations makes it possible to write the two subsystems corresponding to said operating points in the form of state representations in which the pressure values P B p, PHP define the states, the opening levels of the valves OUV 1 , open 2 and open 3 represent the controls and the thermal load ⁇ constitutes an external disturbance.
  • the linearized equations also make it possible to calculate the "virtual openings" O V i, O V 2 as a function of the measured PBP, PHP pressures.
  • FIGS. 3A-3C make it possible to compare the behavior of a system according to the invention with a system of the prior art, of the type represented in FIG. 1A.
  • the heat transfer gas is helium, and the thermal bath B is at a temperature of 4.2 K.
  • Tests were carried out by sending to a consumer (electrical resistance) power pulses of 300W of rectangular shape, lasting 50 s and with a period of 100 s.
  • Curves ⁇ INV and ⁇ REF in FIG. 3A show the corresponding thermal loads, the variation of which is damped by the thermal inertia of the consumer.
  • the exponent "INV” indicates the measurements relating to the system of the invention, while “REF” denotes the reference measurements, made on the conventional system.
  • Figures 4A-4C show the curves ⁇ lNV , P INV BP and

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Abstract

Système cryogénique pour le refroidissement d'un consommateur présentant une charge thermique variable dans le temps, tel qu'un aimant supraconducteur, comprenant : une boîte froide en contact thermique avec ledit consommateur, alimentée en gaz caloporteur comprimé par un conduit d'amenée et reliée à un conduit de refoulement pour évacuer ledit gaz à une pression plus faible; et un ensemble de régulation des pressions dans lesdits conduits d'amenée et de refoulement comportant une pluralité de vannes commandées (CV1, CV2, CV3) et un dispositif de commande (MC) pour piloter l'ouverture desdites vannes; caractérisé en ce que ledit dispositif de commande est un régulateur multivariable adapté pour générer des signaux de commande d'ouverture (SCS 1, SCS 2, SCS 3) desdites vannes en fonction de valeurs mesurées (PHP, PBP) et de valeurs de consigne (P0 HP, P0 BP) des pressions dans lesdits conduits d'amenée et de refoulement sur la base d'un modèle mathématique du système prenant en compte un couplage entre les valeurs de pression dans les conduites d'amenée et de refoulement par l'intermédiaire de ladite boîte froide.

Description

SYSTEME CRYOGENIQUE POUR LE REFROIDISSEMENT D'UN CONSOMMATEUR PRESENTANT UNE CHARGE THERMIQUE VARIABLE
DANS LE TEMPS
L'invention porte sur un système cryogénique pour le refroidissement d'un consommateur présentant une charge thermique variable dans le temps ; elle s'applique notamment au refroidissement des aimants supraconducteurs.
Un système cryogénique pour le refroidissement d'un consommateur comporte généralement un circuit fluidique dans lequel du gaz caloporteur sous pression (N2 ou He) circule d'un étage de compression à une « boîte froide », où il est refroidit et partiellement liquéfié par détente. La boîte froide contient un bain de gaz liquéfié, en contact thermique avec le consommateur à refroidir. La chaleur cédée par le consommateur au bain (« charge thermique ») provoque l'évaporation d'une partie du gaz, qui est évacué de la boîte froide vers l'étage de compression, de manière à boucler le circuit. Un tel système est décrit, par exemple, dans l'article de J.-C. Boissin et al. « Cryogénie : mise en œuvre des basses températures », Technique de l'ingénieur, traité Génie énergétique, B 2 382, voir en particulier la section 1.3.7 et la figure 20. Un système de ce type convient particulièrement pour le refroidissement d'un consommateur présentant une charge thermique constante ou lentement variable, mais s'avère peu efficace lorsque la charge thermique varie d'une manière importante sur une échelle temporelle de l'ordre des minutes, voire des secondes. De telles conditions se rencontrent notamment lors du refroidissement des aimants supraconducteurs, et en particulier des aimants utilisés dans les tokamaks de recherche sur la fusion nucléaire contrôlée.
La manière conventionnelle de gérer le refroidissement des consommateurs présentant des charges thermiques variables, par exemple puisées, consiste à surdimensionner le système cryogénique sans modifier sensiblement son architecture. Une telle solution est peu satisfaisante du point de vue économique.
Le document FR 2 919 713 décrit un procédé et une installation cryogénique particulièrement adaptés au refroidissement de consommateurs présentant une charge thermique variable dans le temps. La solution proposée par ce document consiste à prévoir, dans la section froide de l'installation, un accumulateur de gaz liquéfié. Cet accumulateur permet de stocker du fluide froid lorsque la valeur de la charge thermique est faible, et de le fournir au consommateur lorsque la charge thermique augmente. L'accumulateur se comporte ainsi comme un filtre qui découple la variabilité de la charge thermique du circuit cryogénique, qui peut continuer à fonctionner à régime constant et être dimensionné sur la base de la charge thermique moyenne - et pas de pic - du consommateur.
L'inconvénient de cette solution est qu'elle comporte une augmentation significative du volume et de la complexité de la région froide de l'installation, ce qui a des répercussions défavorables sur son encombrement et son coût.
L'invention vise à procurer un système cryogénique pour le refroidissement d'un consommateur présentant une charge thermique variable dans le temps, ne présentant pas les inconvénients précités de l'art antérieur.
Une idée à la base de l'invention consiste à modifier le système de manière à permettre un fonctionnement du circuit cryogénique en régime dynamique, au lieu de contourner le problème en « filtrant » la variabilité de la charge thermique par un accumulateur de fluide froid.
En outre, les inventeurs se sont rendus compte du fait qu'un système cryogénique de type conventionnel peut fonctionner de manière satisfaisante en régime dynamique, à condition d'être pourvu d'un moyen de régulation adapté. Autrement dit, les inventeurs ont compris que l'adaptation d'un système cryogénique conventionnel à une charge variable peut être obtenue grâce à des techniques relevant de l'automatique, sans besoin de modifier de manière significative sa structure matérielle, et en particulier celle de sa partie froide. L'adaptation d'une installation existante peut donc être réalisée à un coût limité, et la conception d'installations spécifiquement dédiées à des consommateurs à charge thermique variable se trouve fortement simplifiée.
Un objet de l'invention est donc un système cryogénique pour le refroidissement d'un consommateur présentant une charge thermique variable dans le temps, comprenant : une boîte froide en contact thermique avec ledit consommateur, alimentée en gaz caloporteur comprimé par un conduit d'amenée et reliée à un conduit de refoulement pour évacuer ledit gaz à une pression plus faible ; et un ensemble de régulation des pressions dans lesdits conduits d'amenée et de refoulement comportant une pluralité de vannes commandées et un dispositif de commande pour piloter l'ouverture desdites vannes ; caractérisé en ce que ledit dispositif de commande est un régulateur multivariable adapté pour générer des signaux de commande d'ouverture desdites vannes en fonction de valeurs mesurées et de valeurs de consigne des pressions dans lesdits conduits d'amenée et de refoulement sur la base d'un modèle mathématique du système prenant en compte un couplage entre les valeurs de pression dans les conduites d'amenée et de refoulement par l'intermédiaire de ladite boîte froide.
Selon des modes de réalisation particuliers de l'invention :
Ledit dispositif de commande peut comporter : un premier régulateur pour générer un premier signal de pilotage desdites vannes sur la base d'un premier modèle partiel du système ; un deuxième régulateur pour générer un deuxième signal de pilotage desdites vannes sur la base d'un deuxième modèle partiel du système, différent dudit premier modèle partiel ; et un sélecteur de commande pour appliquer sélectivement auxdites vannes le premier ou le deuxième signal de commande. - Ledit système de régulation peut comprendre : une réserve de stockage de gaz caloporteur à une pression intermédiaire entre celle dudit conduit d'amenée et celle dudit conduit de refoulement ; une première vanne commandée, disposée entre ladite réserve de stockage et ledit conduit de refoulement, pour permettre une injection de gaz dans ce dernier à partir de ladite réserve ; une deuxième vanne commandée, disposée entre ladite réserve de stockage et ledit conduit d'amenée, pour permettre une évacuation de gaz depuis ce dernier vers ladite réserve ; et une troisième vanne commandée, disposée entre ledit conduit d'amenée et ledit conduit de refoulement, pour permettre un contournement de la boîte froide. - Ledit premier régulateur peut être adapté pour générer un premier signal de commande d'ouverture de la première et de la troisième vanne, à l'exclusion de ladite deuxième vanne, sur la base dudit premier modèle partiel du système ; et ledit deuxième régulateur peut être adapté pour générer un deuxième signal de commande d'ouverture de la deuxième et de la troisième vanne, à l'exclusion de ladite première vanne, sur la base dudit deuxième modèle partiel du système.
Ledit premier modèle partiel peut modéliser le comportement du système lorsqu'un volume de gaz est injecté dans le conduit de refoulement, et ledit deuxième modèle partiel peut modéliser le comportement du système lorsqu'un volume de gaz est extrait du conduit d'amenée.
Ledit modèle mathématique du système peut modéliser des perturbations de débit du gaz caloporteur induites par des variations temporelles de la charge thermique d'un consommateur en communication thermique avec ladite boîte froide par des variations virtuelles des ouvertures des vannes du système de régulation, ces dernières étant fournies audit dispositif de commande en tant que variables d'entrée à côté des valeurs mesurées et de consigne des pressions
Ledit dispositif de commande peut être adapté pour minimiser une fonction de coût dépendant des écarts entre les pressions mesurées dans les conduites d'amenée et de refoulement et les valeurs de consigne respectives, ainsi que de l'amplitude des signaux de commande générés. En particulier, il peut être un régulateur linéaire quadratique.
La boîte froide peut contenir une réserve de gaz caloporteur liquéfié qui s'évapore en partie sous l'effet de la charge thermique d'un consommateur, le gaz évaporé étant évacuée par le conduit de refoulement et remplacé par la liquéfaction d'au moins une partie du gaz provenant dudit conduit d'amenée, la variabilité dans le temps des taux d'évaporation et de liquéfaction du gaz induisant de ce fait des perturbations dans la pression à l'intérieur desdits conduits d'amenée et de refoulement.
Le consommateur peut être un aimant supraconducteur présentant une charge thermique puisée.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement :
La figure 1A, un schéma d'un système cryogénique selon l'art antérieur ;
La figure 1B, le principe de « commande partagée » (« split range ») mis en œuvre dans le système de la figure 1A ; - La figure 2, un diagramme de principe du moyen de régulation d'un système cryogénique selon un mode de réalisation de l'invention ; et
- Les figures 3A, 3B et 3C et 4A, 4B, 4C, des graphiques illustrant le comportement d'un système cryogénique selon l'invention sous charge thermique puisée, et sa comparaison avec l'art antérieur.
La figure 1A illustre, de manière simplifiée, la structure et le fonctionnement d'un réfrigérateur-liquéfacteur à hélium CRY de type conventionnel.
Une telle installation comporte un circuit cryogénique comprenant une conduite à haute pression CHP1 une conduite à basse pression CBP, un étage de compression CMP et une boîte froide BF. L'étage de compression CMP peut comporter un ou plusieurs compresseurs, par exemple de type à vis, ainsi qu'un déhuileur non représenté. Le gaz - Hélium en particulier - comprimé par l'étage de compression s'écoule dans la conduite à haute pression, ou conduite d'amenée CHP, à une pression PHP de l'ordre de 15 -20 bar, en direction de la boîte froide BF ; on indique par QCMP le débit massique du compresseur, supposé constant.
A l'intérieur de la boîte froide, le flux de gaz caloporteur (Hélium) se subdivise en deux : un débit QJT traverse une vanne de détente à effet Joule-Thomson VJT (après un pré-refroidissement éventuel à l'azote liquide, non représenté), tandis que le débit restant traverse une turbine de détente TD. Bien que cela ne soit pas représenté sur la figure, le gaz refroidi par son passage à travers la turbine TD est injecté dans des échangeurs à contre-courant et utilisé pour pré-refroidir le flux qui traverse la vanne de Joule-Thomson, en amont de cette dernière, selon le principe du cycle de Claude.
Une fraction QL JT du débit QJT traversant la vanne Joule- Thomson VJT est liquéfiée suite à la détente dans ladite vanne. Le gaz liquide ainsi produit alimente un bain thermique BT, tandis que la fraction QVJT= QJT- QLJT demeure à l'état gazeux. Le rapport QVJT/QLJT dépend notamment de la température amont de la vanne de détente.
Un consommateur CONS, représenté par une résistance électrique, est en communication thermique avec le bain BT. Ce consommateur dissipe sous la forme de chaleur une puissance Θ (« charge thermique ») qui provoque l'évaporation d'un débit Qw de gaz liquide. Ce débit Qw, ainsi que le débit Qvjγ et le débit traversant la turbine de détente sont évacués de la boîte froide par le conduit de refoulement à basse pression CBP (PBp de l'ordre de 1 ,05 bar) vers le compresseur CMP.
Comme ledit compresseur fonctionne à vitesse - et donc à débit volumétrique - constant, la pression dans les conduits CHP et CBP est régulée grâce à un système de vannes commandées VCi, VC2 βt VC3. Une réserve de stockage de gaz RS à une pression PRS, intermédiaire entre PBP et PHP (par exemple, de l'ordre de 9 bar) est connectée au conduit à basse pression CBP par l'intermédiaire d'une première vanne commandée VC1, et au conduit à haute pression CHP par l'intermédiaire d'une deuxième vanne commandée VC2. Lorsque la première vanne VCi est ouverte, un débit Qvci de gaz est injecté dans l'installation à partir de la réserve RS ; inversement, lorsque la deuxième vanne VC2 est ouverte, un débit QVc2 de gaz est évacué de l'installation pour être stocké dans la réserve RS. Les deux vannes VCi, VC2 ne doivent jamais être ouvertes en même temps.
Une troisième vanne commandée VC3 fixe le point de fonctionnement de l'installation en ouvrant et fermant une voie de contournement de la boîte froide, traversée par un débit Qvc3 de gaz.
D'une manière conventionnelle (voir l'article précité de J.-C. Boissin et al.), les vannes VCi, VC2 et VC3 sont commandées par deux régulateurs indépendants, généralement de type PID (proportionnel - intégral - dérivée) pour maintenir les valeurs de pression PBp et PHP proches de valeurs de consigne respectifs P°BP et P°HP-
Comme le montre la figure 1A, un premier régulateur PID1 engendre un signal de commande SC3 de la vanne VC3 en fonction de la différence PBp- P°BP afin de réguler la pression dans le conduit de refoulement CBP. De même, un deuxième régulateur PID2 engendre un signal de commande SC12 des vannes VCi et VC2 en fonction de la différence PHP- P0HP afin de réguler la pression dans le conduit d'amenée CHP. Le signal SC12 peut commander les deux vannes VC1 et VC2 grâce à un mécanisme de « commande partagée » (« split range ») SR, dont le fonctionnement est illustré sur la figure 1B. On suppose que la valeur du signal SCi2 puisse varier entre 0 et 1. Pour SC12=O, la vanne VC1 est complètement ouverte, tandis que la vanne VC2 est fermée. Pour 0<SC12<0,5 l'ouverture de la vanne VCi diminue linéairement et la vanne VC2 reste fermée. Pour SCi2=0,5 les deux vannes sont fermées, et pour 0,5<SCi2<1 la vanne VC2 s'ouvre linéairement tandis que la vanne VC1 reste fermée. De cette manière on peut assurer que les deux vannes ne soient jamais ouvertes en même temps.
Les inventeurs ce sont rendus compte du fait que cette stratégie de régulation est responsable du comportement dynamique peut satisfaisant de l'installation CRY. En effet, les valeurs de pression dans les conduits à haute et à basse pression sont couplés par l'intermédiaire de la boîte froide BF, mais ce couplage n'est pas pris en compte par les deux régulateurs indépendants PID1 et PID2 ; cela engendre un effet de « pompage » en cas de variation rapide de la charge thermique Θ. En effet, si une perturbation modifie rapidement la valeur de PBH. le premier régulateur
PID1 réagit pour la neutraliser ; mais à cause du couplage introduit par la boîte froide, l'action de PID1 perturbe inévitablement la valeur de PHP, ce qui déclenche l'intervention du deuxième régulateur PID2. A son tour, ce dernier perturbe à nouveau la valeur de PBP, et ainsi de suite.
Cette découverte a permis aux inventeurs de proposer une nouvelle stratégie de commande prenant en compte ledit couplage haute pression/basse pression par l'utilisation d'un régulateur multivariable, par exemple du type linéaire quadratique, en remplacement des deux régulateurs PID indépendants de l'art antérieur.
La méthode de commande multivariable dite « linéaire quadratique » est bien connue de l'art antérieur ; voir par exemple les ouvrages :
« Contrôle optimal : théorie et applications », Emmanuel Trelat, Editions Vuibert, collections : Mathématiques concrètes, 2e édition ISBN : 9782711722198, en particulier le chapitre 1 ; et
« Optimal control: linear quadratics methods » ; de B.D.O Anderson et J. B Moore, Dover publications, ISBN 9780486457666.
Fondamentalement, il s'agit d'un schéma de commande optimale d'un système dynamique défini par un système d'équations différentielles linéaires, dans lequel la fonction de coût est représentée par une fonctionnelle quadratique de l'écart entre les variables de commande (PHP, PBP) et leurs consignes respectives (P°HP, P°BP), et des intensités des signaux de commande. Dans ces conditions, la commande optimale (c'est à dire qui minimise la fonction de coût) peut être obtenue par résolution d'une équation algébrique de Riccati.
En fait, la mise en œuvre d'une régulation multivariable dans l'installation cryogénique de la figure 1A est difficile à cause de la commande partagée SR, qui constitue une contrainte intrinsèquement non-linéaire. En effet, les équations qui régissent le fonctionnement de l'installation ne sont pas les mêmes en régime d'apport de matière (vanne VCi ouverte) et en régime de retrait de matière (vanne VC2 ouverte).
Conformément à l'invention, ce problème peut être résolu en appliquant une technique connue comme « commutation de commande ». Dans cette technique, on modélise le système à commander par une pluralité de sous-systèmes indépendants, chacun pourvu d'un régulateur propre, parmi lesquels le système réel « commute ». En l'espèce, l'installation cryogénique SYS peut être modélisée à l'aide de deux modèles partiels décrivant le fonctionnement de l'installation en régime d'apport et de retrait de matière respectivement. A chaque instant, deux signaux de commande vectoriels sont générés, un pour chaque modèle partiel ; un sélecteur de commande choisit lequel de ces signaux de commande doit être effectivement appliqué à l'installation.
Les modèles partiels sont linéarisés autour du point de fonctionnement de l'installation, ce qui ne peut pas être fait pour un modèle « global » censé rendre compte du comportement du système dans les deux régimes à la fois.
Le principe de la commutation de commande est connu, par exemple, des publications suivantes :
D. Liberzon et S. Morse, « Basic Problems in Stability and Design of Switched Systems », IEEE Control Systems Magazine, Octobre 1999, pages 59 - 70 ; et M. Zefran et J. W. Burdick « Design of switching controllers for System with changing dynamics », Proceedings of 37th Conférence on Décision and Control, 1998.
Un régulateur mettant en œuvre les principes de l'invention sera décrit plus en détail en référence à la figure 2.
Les valeurs de pression PHP et PBP, mesurées dans les conduits CHP et CBP respectivement, sont fournies en entrée à un modèle mathématique MOD de l'installation CRY, constitué par deux sous-modèles ou modèles partiels MPi, MP2, représentant le fonctionnement de l'installation en régime d'apport et de retrait de matière respectivement. Ces modèles permettent d'associer aux variations temporelles des pressions PHP et PBp des variations « virtuelles » d'ouverture des vannes CV1, CV2. Autrement dit, les modèles partiels permettent de calculer des « ouvertures virtuelles » OVi, OV2 desdites vannes qui, si elles étaient réelles, produiraient les fluctuations de pression observées (qui, en réalité, sont engendrées essentiellement par les variations de charge thermique, non mesurées directement). On dit que les perturbations du système sont « ramenées sur les entrées ». Il est important de noter que les deux ouvertures virtuelles dépendent à la fois de PHP et PBP : les modèles du système prennent en compte les couplages existants entre les régions à haute et à basse pression de l'installation.
On dispose ainsi d'un vecteur constitué par six variables scalaires d'entrée, dépendantes du temps : les pressions mesurées dans les conduits, PHp et PBP ; les valeurs de consigne respectives, P°HP, P°BP ; et les « ouvertures virtuelles » OVi, Ov 2. Ce vecteur est fourni en entrée à un dispositif de commande DC, constitué par un premier et un deuxième régulateurs, DCi et DC2. Ces deux régulateurs - mutuellement indépendants - sont du type linéaire quadratique et basés sur le premier et le deuxième modèle partiel, respectivement.
Le premier régulateur DC1 est destiné à commander l'installation cryogénique CRY en régime d'apport de matière : pour ce faire, il engendre des signaux de commande (ou un premier signal vectoriel de commande) SC1 et SC3 destinés à piloter les vannes CV1 et CV3 respectivement. Par contre, ce régulateur n'agit pas sur la vanne CV2 qui, en régime d'apport de matière, est censée rester à l'état fermé.
Réciproquement, le deuxième régulateur DC2 est destiné à commander l'installation cryogénique CRY en régime de retrait de matière : pour ce faire, il engendre des signaux de commande (ou un deuxième signal vectoriel de commande) SC2 et SC3 destinés à piloter les vannes CV2 et CV3 respectivement. Par contre, ce régulateur n'agit pas sur la vanne CVi qui, en régime de retrait de matière, est censée rester à l'état fermé. II est intéressant de noter que le premier régulateur fournit un signal de commande SCi de la vanne CVi même lorsque le système se trouve en régime de retrait de matière ; dans ce cas, cependant, ce signal de commande correspondra à un niveau d'ouverture de ladite vanne non physiquement réalisable - par exemple négatif. Il en va de même pour le signal de commande SC2 engendré par le deuxième régulateur lorsque le système se trouve, en réalité, en régime d'apport de matière. Cela permet à un sélecteur de commande SELC de sélectionner les signaux de commande SC 1, SC 2l SC 3 qui seront réellement appliqués aux vannes CVi, CV2 et CV3 respectivement. Par exemple : - Si Sd<0, alors : SCSi= 0 ; SCS 2= SC2 ; SCS 3= SC3
(fonctionnement en régime de retrait de matière, le régulateur DC2 commande le système) ;
- Si SC2O, alors : SCSi= SC1; SCS 2= 0 ; SCS 3 = SC3 (fonctionnement en régime de retrait de matière, le régulateur DC2 commande le système).
On pourrait également utiliser des régulateurs DC1, DC2 non linéaires, fournissant uniquement des signaux d'ouverture physiquement réalisables ; dans ce cas, la sélection de commande se ferait en identifiant lequel parmi les signaux SC1 et SC2 est le plus proche de zéro. On discutera maintenant, de manière synthétique, quelle peut être la forme des modèles partiels utilisés pour la mise en œuvre de la commande du système.
Le point de départ pour obtenir ces modèles est constitué par les équations de conservation de la masse à l'intérieur des sections à basse pression (mBp) et à haute pression (mHp) du système SYS :
Qvc3 + Qvα ~ QCMP + Qw + QJT ~Q VC3 ~ QvC2 + QcMP ~ Q W ~~ QjT
Tous les termes à la droite de ces équations ont été décrits plus haut, en référence à la figure 1A. Or :
Qvc3 dépend linéairement de PHp et non-linéairement du niveau d'ouverture de la vanne VC3, représenté par ouv3 ; le flux gazeux dans le chemin de contoumement étant sonique, le débit ne dépend pas de la pression aval PBp. On peut donc écrire : ouv3). - Qvci dépend linéairement de PRS et non-linéairement du niveau d'ouverture de la vanne VCi, représenté par OUv1 ; le flux gazeux dans le chemin de contoumement étant sonique, le débit ne dépend pas de la pression aval PBp. Comme la pression de la réserve PRs est considéré constante, on peut écrire : - QVc2 dépend non-linéairement à la fois de PHP, de la différence PHP-PRS (le flux est subsonique, car la pression amont PHP est inférieur à deux fois la pression aval PRS, par conséquent la pression aval doit être prise en considération) et du niveau d'ouverture de la vanne VC2, représenté par ouv2. En « cachant » la constante PRS dans la fonction non- linéaire f2 on peut donc écrire : ouv2).
Qw dépend linéairement du flux thermique (ou charge thermique) Θ du consommateur : Qw=Kw-Θ. QCMP dépend linéairement de PBp, en supposant que le débit volumétrique du compresseur est constant et que la densité du gaz est proportionnelle à sa pression : QCMP≈KCMP- PBP. avec KCMP constant.
QV JT dépend essentiellement de la température du gaz au niveau de la vanne de détente VJT ; il s'agit d'un paramètre indépendant des autres, qui peut être considéré constant.
L'équation d'état du gaz (qui peut être supposé parfait) permet de lier les masses ΓTIBP, ΠΓIHP aux pressions correspondantes PBP, PHP. En remplaçant ces expressions dans les équations de conservation de la masse on obtient un système de deux équations différentielles non linéaires pour les pressions PBP, PHP : dP, BP
= FBP (PBP . PHP , OUV1 , OUV3 ,< dt dP
TT" = FHP (PBP » PHP .0UV2 » OUV3 » Θ) dt
FBP et FHp sont deux fonctions non-linéaires qui peuvent être linéarisées autour de deux points de fonctionnement : - un premier point de fonctionnement correspondant au régime d'apport de matière, caractérisé par ouv2=0 ; et un deuxième point de fonctionnement correspondant au régime de retrait de matière, caractérisé par OUv1=O.
La linéarisation de ces équations permet d'écrire les deux sous-systèmes correspondant auxdits points de fonctionnement sous la forme de représentations d'état dans lesquelles les valeurs de pression PBp, PHP définissent les états, les niveaux d'ouverture des vannes OUV1, ouv2 et ouv3 représentent les commandes et la charge thermique Θ constitue une perturbation externe. Les équations linéarisées permettent également de calculer les « ouvertures virtuelles » OVi, OV 2 en fonction des pressions PBP, PHP mesurées.
Il est donc possible de concevoir deux régulateurs multivariables pour ces deux sous-systèmes par des techniques conventionnelles. Il est particulièrement avantageux d'utiliser une commande optimale de type linéaire quadratique.
Les figures 3A - 3C permettent de comparer le comportement d'un système selon l'invention avec un système de l'art antérieur, du type représenté sur la figure 1A. La seule différence entre les deux systèmes, basés sur le réfrigérateur-liquéfacteur cryogénique « 400W@1 ,8K » du Service des Basses Températures de l'Institut de Nanosciences et Cryogénie, Grenoble, France, tient dans la stratégie de régulation adoptée. Le gaz caloporteur est l'Hélium, et Ie bain thermique B est à une température de 4,2 K.
Des essais ont été réalisés en envoyant à un consommateur (résistance électrique) des impulsions de puissance de 300W de forme rectangulaire, d'une durée de 50 s et avec une période de 100 s. Les courbes ΘINV et ΘREF sur la figure 3A montrent les charges thermiques correspondantes, dont la variation est amortie par l'inertie thermique du consommateur. L'exposant « INV » indique les mesures se rapportant au système de l'invention, tandis que « REF » dénote les mesures de référence, réalisées sur le système conventionnel.
Les figures 3B et 3C montrent l'évolution des basses pressions (PINV BP, PREFBP) et des hautes pressions (PINV Hp, PREFHP), respectivement. On peut remarquer que l'amplitude des variations de PHp et PBP autour de leurs valeurs nominales (P°Hp=16 bar ; P°Bp=1 ,05 bar) est réduite d'environ un facteur trois à cinq par l'utilisation de la stratégie de commande de l'invention. Les figures 4A - 4C montrent les courbes ΘlNV, PINVBP et
PINVHP pour un essai utilisant des créneaux de puissance thermique de 1000 W. Dans ces conditions, le système de l'art antérieur cesse de fonctionner (le compresseur s'arrête), alors que dans le système de l'invention les fluctuations de pression se maintiennent à des niveaux acceptables.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système cryogénique pour le refroidissement d'un consommateur (CONS) présentant une charge thermique (Θ) variable dans le temps, comprenant : une boîte froide (BF) en contact thermique avec ledit consommateur, alimentée en gaz caloporteur comprimé par un conduit d'amenée (CHP) et reliée à un conduit de refoulement (CBP) pour évacuer ledit gaz à une pression plus faible ; et - un ensemble de régulation des pressions dans lesdits conduits d'amenée et de refoulement comportant une pluralité de vannes commandées (CV1, CV2, CV3) et un dispositif de commande (MC) pour piloter l'ouverture desdites vannes ; caractérisé en ce que ledit dispositif de commande est un régulateur multivariable adapté pour générer des signaux de commande d'ouverture (SCSi, SCS 2, SCS 3) desdites vannes en fonction de valeurs mesurées (PHP, PBP) et de valeurs de consigne (P°HP, P°BP) des pressions dans lesdits conduits d'amenée et de refoulement sur la base d'un modèle mathématique du système prenant en compte un couplage entre les valeurs de pression dans les conduites d'amenée et de refoulement par l'intermédiaire de ladite boîte froide.
2. Système selon la revendication 1 , dans lequel ledit dispositif de commande comporte : - un premier régulateur (MCi) pour générer un premier signal de pilotage desdites vannes sur la base d'un premier modèle partiel du système ; un deuxième régulateur (MC2) pour générer un deuxième signal de pilotage desdites vannes sur la base d'un deuxième modèle partiel du système, différent dudit premier modèle partiel ; et un sélecteur de commande (SELC) pour appliquer sélectivement auxdites vannes le premier ou le deuxième signal de commande.
3. Système cryogénique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit système de régulation comprend : une réserve de stockage (RS) de gaz caloporteur à une pression intermédiaire entre celle dudit conduit d'amenée et celle dudit conduit de refoulement ; - une première vanne commandée (VCi)1 disposée entre ladite réserve de stockage et ledit conduit de refoulement, pour permettre une injection de gaz dans ce dernier à partir de ladite réserve ; une deuxième vanne commandée (VC2), disposée entre ladite réserve de stockage et ledit conduit d'amenée, pour permettre une évacuation de gaz depuis ce dernier vers ladite réserve ; et une troisième vanne commandée (VCi), disposée entre ledit conduit d'amenée et ledit conduit de refoulement, pour permettre un contournement de la boîte froide.
4. Système selon les revendications 2 et 3, dans lequel ledit premier régulateur est adapté pour générer un premier signal de commande (SC1, SC3) d'ouverture de la première et de la troisième vanne, à l'exclusion de ladite deuxième vanne, sur la base dudit premier modèle partiel du système ; et ledit deuxième régulateur est adapté pour générer un deuxième signal de commande (SC2, SC3) d'ouverture de la deuxième et de la troisième vanne, à l'exclusion de ladite première vanne, sur la base dudit deuxième modèle partiel du système.
5. Système selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel ledit premier modèle partiel modélise le comportement du système lorsqu'un volume de gaz est injecté dans le conduit de refoulement, et ledit deuxième modèle partiel modélise le comportement du système lorsqu'un volume de gaz est extrait du conduit d'amenée.
6. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit modèle mathématique du système modélise des perturbations de débit du gaz caloporteur induites par des variations temporelles de la charge thermique d'un consommateur en communication thermique avec ladite boîte froide par des variations virtuelles des ouvertures des vannes du système de régulation, ces dernières étant fournies audit dispositif de commande en tant que variables d'entrée à côté des valeurs mesurées et de consigne des pressions
7. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit dispositif de commande est adapté pour minimiser une fonction de coût dépendant des écarts entre les pressions mesurées dans les conduites d'amenée et de refoulement et les valeurs de consigne respectives, ainsi que de l'amplitude des signaux de commande générés.
8. Système selon la revendication 7, dans lequel ledit dispositif de commande est un régulateur linéaire quadratique.
9. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la boîte froide contient une réserve de gaz caloporteur liquéfié (BT) qui s'évapore en partie sous l'effet de la charge thermique d'un consommateur, le gaz évaporé étant évacuée par le conduit de refoulement et remplacé par la liquéfaction d'au moins une partie du gaz provenant dudit conduit d'amenée, la variabilité dans le temps des taux d'évaporation et de liquéfaction du gaz induisant de ce fait des perturbations dans la pression à l'intérieur desdits conduits d'amenée et de refoulement.
10. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le consommateur est un aimant supraconducteur présentant une charge thermique puisée.
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