低溫制冷機(jī)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于制冷與低溫工程學(xué)科領(lǐng)域，尤其涉及一種低溫制冷機(jī)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 大科學(xué)裝置中托卡馬克間歇的產(chǎn)生等離子體，在等離子體生成時，產(chǎn)生的熱功率 升高到相對高的水平，在托卡馬克裝置不再生成等離子體時，產(chǎn)生的熱功率降低到相對較 低的水平。因此，需要設(shè)計的制冷機(jī)能夠適應(yīng)托卡馬克裝置的熱負(fù)載的變化。
[0003] 在制冷機(jī)設(shè)計過程中，通常是按照時均平均熱負(fù)載進(jìn)行設(shè)計的。傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng) 的流程圖如圖1所示。傳統(tǒng)的制冷機(jī)1用于冷卻熱負(fù)載單元12。制冷機(jī)1包括壓縮機(jī)單元 3、多級預(yù)冷單元5和冷端單元6。冷端單元6包括熱交換器7、JT閥9和儲罐11。因此，在 低負(fù)載的情況下，通過負(fù)載產(chǎn)生的蒸汽量比較低，制冷機(jī)的返流的質(zhì)量流量減??；在高負(fù)載 的情況下，負(fù)載產(chǎn)生的蒸汽量比較大，因此，制冷機(jī)的返流的質(zhì)量流量增大。由于透平、壓縮 機(jī)等的設(shè)計流量波動范圍有限，當(dāng)返流的質(zhì)量流量波動過大時，將會影響透平/壓縮機(jī)的 性能，極端情況下會造成制冷機(jī)的停機(jī)。
[0004] 傳統(tǒng)技術(shù)中，通常是采用電加熱器將低負(fù)載時多余的冷量消耗掉。此種方式雖然 構(gòu)成簡單，但是需要將高負(fù)載作為制冷機(jī)的設(shè)計負(fù)載，設(shè)備尺寸大，系統(tǒng)效率低。
[0005]在Kuendig.A等的文章"HeliumRefrigeratorDesignforPulsedHeatLoadin Tokamaks.AIPConferenceProceedings1995, 823"提出利用熱氣噴射和浮動中壓的方式 來應(yīng)對制冷機(jī)負(fù)載的波動。SAT0H等在"Conceptualdesignofcryogenicrefrigeration fortheLargeHelicalDevice[J].FusionEngineeringandDesignl993(20) :129-136'， 中介紹了在不同的負(fù)載情況下所需的換熱器的面積和透平數(shù)量。然而，以上兩種形式都需 要對整個制冷機(jī)進(jìn)行調(diào)試，容易引起制冷機(jī)的不穩(wěn)定。
[0006]近年來，Rohandutta等的文章"Applicationofparallelheatexchangers inheliumrefrigeratorsformitigatingeffectsofpulsedloadfromfusion devices[J].FusionEngineeringandDesign, 2011. 86 (4-5): 296-306"中提出了將負(fù)載波 動的影響消除在冷端的思路，將平行板翅式換熱器，超臨界儲罐，冷壓縮機(jī)等組合起來，形 成一種能完全消除負(fù)載波動的冷端構(gòu)成形式（回流流量的最大波動控制在4% )。但是，冷 壓縮機(jī)控制復(fù)雜，效率需要達(dá)到75%，目前國際上沒有與之相匹配的。此外超臨界儲罐的體 積達(dá)到24m3,這對于儲罐的結(jié)構(gòu)和保溫等提出了高的要求，且需要占用額外的空間。此種形 式在實際中應(yīng)用挑戰(zhàn)較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 鑒于此，有必要提供一種返流的質(zhì)量流量波動較小，且易于實現(xiàn)易于操作的低溫 制冷機(jī)及其控制方法。
[0008] -種低溫制冷機(jī)，用于冷卻熱負(fù)載單元，包括依次連通并形成回路的壓縮機(jī)單元、 多級預(yù)冷單元和冷端單元；
[0009] 所述壓縮機(jī)單元用于壓縮工作流體，提高工作流體的壓力；
[0010] 所述多級預(yù)冷單元用于將工作流體的溫度冷卻至設(shè)計溫度；
[0011] 所述冷端單元包括第一換熱器、第二換熱器、控制器、制冷裝置、流量控制閥、第 一三通管件、第二三通管件和儲罐，所述多級預(yù)冷單元的高壓出口與第一換熱器的高壓入 口連通，所述第一換熱器的高壓出口與所述第二換熱器的高壓入口連通，所述第二換熱器 的高壓出口與所述制冷裝置的入口連通，所述儲罐設(shè)有第一入口、第二入口、第一出口和第 二出口，所述制冷裝置的出口和所述儲罐的第一入口連通，所述儲罐的第一出口與所述第 一三通管件的入口連通，所述第一三通管件的一個出口與所述流量控制閥的入口連通，所 述第一三通管件的另一個出口與所述第二換熱器的低壓入口連通，所述流量控制閥的出口 與第二三通管件的一個入口連通，所述第二換熱器的低壓出口與所述第二三通管件的另一 個入口連通，所述第二三通管件的出口與所述第一換熱器的低壓入口連通，所述第一換熱 器的低壓出口和所述多級預(yù)冷單元連通，所述控制器分別與所述制冷裝置入口、所述流量 控制閥、所述儲罐以及所述熱負(fù)載單元連接；
[0012] 所述儲罐的第二出口與所述熱負(fù)載單元連接，所述儲罐流出的工作流體和所述熱 負(fù)載單元進(jìn)行熱交換后流入所述儲罐的第二入口。
[0013] 在其中一個實施例中，所述制冷裝置為JT閥或濕式膨脹機(jī)。
[0014] 在其中一個實施例中，所述熱負(fù)載單元為周期性和對稱性的周期熱負(fù)載。
[0015] 在其中一個實施例中，所述儲罐的底部設(shè)有加熱裝置。
[0016] 一種低溫制冷機(jī)的控制方法，包括以下步驟：
[0017] 使用所述壓縮機(jī)單元壓縮所述工作流體；
[0018] 使用所述多級預(yù)冷單元將所述工作流體的溫度冷卻至設(shè)計溫度；
[0019] 根據(jù)所述熱負(fù)載單元的熱負(fù)載的變化，在所述冷端單元通過所述控制器控制所述 流量控制閥的開度，調(diào)節(jié)進(jìn)入所述第二換熱器的低壓入口的所述工作流體的流量，從而調(diào) 節(jié)所述制冷裝置入口的所述工作流體的溫度，在高負(fù)載的情況下，使所述低溫制冷機(jī)提供 匹配高負(fù)載的冷卻功率，在低負(fù)載的情況下，使所述低溫制冷機(jī)提供匹配低負(fù)載的冷卻功 率，減緩返流工作流體質(zhì)量流量的波動。
[0020] 在其中一個實施例中，所述控制器根據(jù)熱負(fù)載的數(shù)值、所述制冷裝置的入口的所 述工作流體的溫度和所述儲罐的液位，控制所述流量控制閥的開度。
[0021] 在其中一個實施例中，所述控制器控制所述流量控制閥的開度包括如下步驟：
[0022] 判斷所述儲罐的液位是否在正常值范圍之內(nèi)；
[0023] 當(dāng)所述儲罐的液位在正常值范圍內(nèi)時，在高負(fù)載的情況下，所述控制器控制關(guān)閉 所述流量控制閥，使低壓工作流體依次通過所述第二換熱器和所述第一換熱器；
[0024] 當(dāng)所述儲罐的液位在正常值范圍內(nèi)時，在低負(fù)載的情況下，所述控制器控制打開 所述流量控制閥，并通過計算發(fā)出執(zhí)行指令對所述流量控制閥進(jìn)行開度控制；
[0025] 當(dāng)所述儲罐的液位高于正常值范圍時，所述控制器控制打開所述流量控制閥；
[0026] 當(dāng)所述儲罐的液位低于正常范圍時，所述控制器控制關(guān)閉所述流量控制閥。
[0027] 在其中一個實施例中，所述控制器對于所述流量控制閥的控制采用PID控制、預(yù) 測控制或線性最優(yōu)控制。
[0028] 在其中一個實施例中，還包括如下步驟：
[0029] 當(dāng)返流的工作流體的質(zhì)量流量小于設(shè)計質(zhì)量流量時，使用所述加熱裝置對所述儲 罐中的工作流體加熱，增大返流的工作流體的質(zhì)量流量，使得返流的質(zhì)量流量接近設(shè)計質(zhì) 量流量；
[0030] 當(dāng)返流的工作流體的質(zhì)量流量大于等于設(shè)計質(zhì)量流量時，所述加熱裝置不加熱。