超导托卡马克大型氦低温系统基于故障诊断的协调控制策略研究

The future superconducting tokamak with high operation parameters has a higher requirement of safety, stability and economy for long time operation of the large-scale helium cryogenic system. Because the test research related to fault or malfunction is forbidden in actual process, the fault-tolerance control ability of the existing large-scale helium cryogenic system in superconducting tokamak is limited. This problem seriously influences the operation safety and stability of the cryogenic system even the fusion device. This project tries to use the method combining dynamic simulation with experimental analysis based on fault diagnosis to study the dynamic response characteristics and safety analysis of the helium cryogenic system and its unit components in emergency fault conditions, such as the quench of superconducting magnets, the compressors or the turbines trip. Based on fault level and importance, this project uses coordinated control idea to study a set of effective and feasible control strategies for fault response, in order to improve its capability of dealing with emergent faults. This research will reveal the operation mode and dynamic characteristics of the large-scale cryogenic system further. It will provide the direct theory base for emergency control decision and the system upgrade. Also, it will lay the foundation for future China Fusion Engineering Experimental Reactor to design and manufacture the large-scale helium cryogenic system with high stability, multi-mode shift and fully automatic control by ourselves.

未来高参数运行的超导托卡马克对大型氦低温系统长期运行的安全性、稳定性与经济性有着更高要求。由于不允许在实际过程中进行与故障相关的试验研究，使得现有的大型氦低温系统的容错控制能力有限，严重影响了氦低温系统甚至聚变装置运行的安全性与稳定性。本项目在故障诊断的基础上，试图通过动态模拟与实验分析相结合的方法，研究紧急故障态下，如超导磁体失超、压缩机透平膨胀机等核心动力部件故障停机时，氦低温系统及其各部件的动态响应特性和安全性分析。以协调控制的思想，根据故障等级与响应级别，研究一套有效而又切实可行的故障响应控制策略，从而增强超导托卡马克大型氦低温系统的应急处理能力。本项目的开展将进一步揭示大型氦低温系统的运行模式与动态特性，为应急控制决策及系统升级改造提供最直接的理论依据，并为未来中国聚变工程实验反应堆(CFETR)自主设计建造高稳定性、多模式转换和全自动控制的大型氦低温系统奠定基础。

未来高参数运行的超导托卡马克对大型氦低温系统长期运行的安全性、稳定性与经济性有着更高要求。由于不允许在实际过程中进行与故障相关的试验研究，使得现有的大型氦低温系统的容错控制能力有限，严重影响了氦低温系统甚至聚变装置运行的安全性与稳定性。 .本项目基于EAST氦低温系统多年的实验运行经验，研究了EAST低温系统的典型故障模式、影响及其危害度，并提出了提高系统可靠性的降低风险措施；搭建了基于EcosimPro的EAST氦低温系统动态模拟平台，并在此基础上完成了EAST低温系统的建模、4.5K稳态下三种典型紧急故障态下系统动态响应特性的实验与模拟分析、以及用于应急处理的系统协调控制策略研究。.本项目研究提出的降低风险措施已应用于EAST氦低温系统中，为系统的运行维护与升级改造提供了指导方向；通过实验分析与动态模拟，揭示了紧急故障态下低温系统的动态传热传质特性；设计的用于应急处理的系统协调控制策略，经动态模拟验证可将故障对低温系统造成的影响降至最低，保障了紧急故障态下大型氦低温系统运行的稳定性、安全性。本项目的研究成果为未来中国聚变工程实验反应堆(CFETR)自主设计建造高稳定性、多模式转换和全自动控制的大型氦低温系统奠定了基础。