Способ регулировки устройства для криогенного охлаждения и соответствующее устройство - RU2671479C1

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к способу регулировки устройства для криогенного охлаждения и к соответствующему устройству.

Конкретнее, изобретение относится к способу регулировки устройства для криогенного охлаждения, содержащего несколько рефрижераторов/ожижителей, расположенных параллельно друг другу, для охлаждения одного и того же прибора; при этом каждый рефрижератор/ожижитель содержит рабочий контур для рабочего газа, снабженный по меньшей мере одним клапаном для регулирования потока рабочего газа; при этом параллельные рефрижераторы/ожижители используют рабочий газ одинакового типа, такой как чистый газообразный гелий; каждый из рефрижераторов/ожижителей содержит компрессорную станцию для рабочего газа, блок охлаждения, предназначенный для охлаждения потока рабочего газа, выходящего из компрессорной станции, до криогенной температуры, по меньшей мере близкой к его температуре ожижения, причем указанные потоки рабочего газа, охлаждаемые каждым из соответствующих блоков охлаждения рефрижераторов/ожижителей, смешиваются и затем приводятся в теплообменный контакт с прибором для передачи ему фригорий, холодный рабочий газ после теплообмена с прибором разделяется затем на несколько обратных потоков, распределяемых соответственно через соответствующие компрессорные станции.

Изобретение относится к так называемым "крупномасштабным" холодильным устройствам, в которых параллельно используются несколько рефрижераторов/ожижителей для охлаждения одного и того же прибора пользователя.

"Рефрижератор/ожижитель" означает устройство, в котором рабочий газ (например, гелий) совершает термодинамический рабочий цикл (сжатие/расширение), что приводит к снижению температуры рабочей жидкости до криогенной (например, несколько градусов Кельвина в случае гелия) и в надлежащих случаях – к ожижению этого рабочего газа.

Один неограничивающий пример такого устройства описан в заявке № FR2980564A1.

Холодильные циклы (которые генерируют холод) являются, как говорят, "закрытыми" на уровне каждого рефрижератора. Под этим имеется в виду, что поток рабочего газа, который поступает в блок охлаждения рефрижератора/ожижителя, вновь выходит в основном из этого же блока охлаждения. В противоположность этому говорят, что поток рабочего газа является "открытым" на уровне прибора, который должен охлаждаться, что означает, что газ из различных рефрижераторов/ожижителей при этом смешивается. Поток рабочего газа, подаваемый рефрижераторами/ожижителями, следовательно, объединяется для охлаждения прибора и затем возвращается отдельно к каждому рефрижератору с помощью системы распределения.

Регулировка рефрижераторов такого устройства обычно включает в себя ручное расположение регулирующих клапанов рабочего контура (по направлению от и к прибору, который должен охлаждаться).

Надлежащая регулировка становится более трудной, когда устройство содержит множество интерфейсов и когда тепловые нагрузки, которые должны охлаждаться, изменяются с течением времени. Это происходит, потому что статическая регулировка клапанов может быть неподходящей, если расход газа и/или давление системы изменяются.

Переменные тепловые нагрузки прибора действительно генерируют изменения расхода газа через компрессоры.

Если это не будет корректироваться, регенерация рабочего газа и холода в некоторых рефрижераторах/ожижителях будет больше, чем в других. Таким образом, в некоторых рефрижераторах/ожижителях может происходить отклонение от их номинальной рабочей точки. Некоторые компоненты этих рефрижераторов/ожижителей могут, следовательно, использоваться на их пределе (компрессоры, турбины и т.д.), в то время как другие рефрижераторы/ожижители будут использоваться недостаточно. Общая мощность охлаждения устройства и его эффективность, следовательно, будут снижаться.

Обеспечение систем для управления и регулировки независимых потоков для каждого рефрижератора/ожижителя может привести к системе, которая неустойчива в целом, в которой нагрузки и расходы газа будут несовместимо распределены между рефрижераторами/ожижителями. Кроме того, специфические свойства гелия (плотность, которая значительно изменяется в зависимости от температуры) приводят к явлению увеличения дисбалансов между рефрижераторами.

Распределение расхода гелия между рефрижераторами осуществляется в основном посредством общего давления подачи гелия и сопротивления (перепада давления) контура, возвращающегося к источнику давления (компрессорам).

Когда один рефрижератор/ожижитель получает в относительном выражении более холодный газ, поступающий от прибора, средняя температура обратного контура понижается и поэтому перепад давления в контуре уменьшается. В частности, плотность газа может изменяться быстрее, чем скорость газа через контур. Это уменьшение перепада давления в контуре приводит к относительному увеличению расхода холодного газа, принятого в контур, и, следовательно, приводит к отклонению внутри устройства.

Целью настоящего изобретения является устранение всех или некоторых из указанных выше недостатков предшествующего уровня техники.

С этой целью способ в соответствии с изобретением, в других отношениях в соответствии с родовым определением, предоставленным в приведенной выше вводной части, по существу отличается тем, что он включает этап одновременного измерения для каждого из рефрижераторов/ожижителей мгновенного значения по меньшей мере одного и того же рабочего параметра из следующего: расхода газа в так называемом "обратном потоке" рабочего газа, возвращающегося в компрессорную станцию; расхода газа в так называемом "выходном потоке" рабочего газа, циркулирующего через блок охлаждения после выхода из компрессорной станции; разности температур рабочего газа между, с одной стороны, температурой выходного потока рабочего газа и, с другой стороны, температурой обратного потока рабочего газа, при этом оба потока находятся в блоке охлаждения в одном и том же интервале температур; при этом способ включает этап вычисления в реальном времени динамического среднего значения по меньшей мере одного рабочего параметра для всех рефрижераторов/ожижителей; при этом устройство выполняет в реальном времени управление по меньшей мере одним клапаном регулирования потока рабочего газа по меньшей мере одного рефрижератора/ожижителя в зависимости от разности между мгновенными значениями параметра и указанным динамическим средним значением для обеспечения сходимости указанных мгновенных значений указанного рабочего параметра для различных рефрижераторов/ожижителей к данному динамическому среднему значению.

Эта конкретная особенность позволяет динамически регулировать устройство для автоматического реагирования на изменения в параметрах рефрижератора (температура, давление, расход газа, уровень и т.д.).

Эта регулировка позволяет приблизиться как можно ближе к предопределенному оптимальному режиму работы (рассчитанному заранее), в котором различные рефрижераторы/ожижители работают одинаково (одинаковые расходы газа/давление/температура рабочего газа в контуре).

Для выполнения этого требования в способе согласно настоящему изобретению один из динамических параметров, являющийся признаком работы рефрижератора, считывают и сравнивают со средним значением этого же параметра во всех остальных рефрижераторах. Регулирующее действие по данному способу использует эту разницу в значении параметра для модификации рабочей точки регуляторов, имеющихся на каждом рефрижераторе и влияющих на параметр. Это, в свою очередь, также изменяет среднее значение параметров и, следовательно, рабочая точка также обновляется. Эта система управления может быть определена как "каскад" с "динамической" рабочей точкой, которая вынуждает каждый параметр сходиться к среднему значению этого параметра по различным рефрижераторам.

Кроме того, варианты осуществления настоящего изобретения могут включать один или несколько из следующих признаков:

- рефрижераторы/ожижители идентичны, устройство выполняет управление в реальном времени по меньшей мере одним клапаном регулирования потока рабочего газа по меньшей мере одного рефрижератора/ожижителя в зависимости от разности между мгновенными значениями параметра и указанным динамическим средним значением для обеспечения сходимости указанных мгновенных значений указанного рабочего параметра для различных рефрижераторов/ожижителей к определенному одинаковому значению,

- рефрижераторы/ожижители идентичны, устройство выполняет управление в реальном времени по меньшей мере одним клапаном регулирования потока рабочего газа по меньшей мере одного рефрижератора/ожижителя в зависимости от разности между мгновенными значениями параметра и указанным динамическим средним значением для того, чтобы одновременно обеспечить сходимость указанных мгновенных значений расхода газа в обратном потоке рабочего газа, возвращающегося в направлении компрессорных станций, к определенному одинаковому значению расхода газа, чтобы обеспечить сходимость разности температур рабочего газа между температурой выходного потока рабочего газа в блоке охлаждения и температурой обратного потока рабочего газа, возвращающегося в направлении компрессорной станции, к определенному одинаковому значению разности температур, и чтобы обеспечить сходимость расхода газа в потоке охлажденного рабочего газа на выходе из каждого блока охлаждения к определенному одинаковому значению расхода газа,

- компрессорная станция каждого рефрижератора/ожижителя содержит два компрессора, расположенных последовательно на рабочем контуре, соответственно обозначенных "компрессор низкого давления" и "компрессор среднего давления", при этом перепускной контур для избирательного обхода компрессора низкого давления содержит по меньшей мере один перепускной клапан с регулируемым переменным отверстием, при этом способ включает одновременное измерение для каждого из рефрижераторов/ожижителей рабочего параметра, состоящего из мгновенного значения расхода газа в обратном потоке рабочего газа, возвращающегося в направлении компрессорной станции, при этом способ включает этап вычисления в реальном времени динамического среднего значения рабочего параметра для всех рефрижераторов/ожижителей, при этом устройство выполняет управление в реальном времени открытием/закрытием каждого перепускного клапана в зависимости от разности между мгновенными значениями рабочего параметра соответствующего рефрижератора/ожижителя с целью обеспечения сходимости указанных мгновенных значений указанного рабочего параметра различных рефрижераторов/ожижителей к данному динамическому среднему значению,

- способ включает одновременное измерение для каждого из рефрижераторов/ожижителей разности температур рабочего газа между, с одной стороны, обратным потоком, и, с другой стороны, выходным потоком на том же температурном уровне в блоке охлаждения, управление каждого перепускного клапана корректируется в зависимости от расхождения между указанной разницей температуры для соответствующего рефрижератора/ожижителя и средним значением указанной разности температур, вычисленной для всех рефрижераторов/ожижителей, открытие/закрытие каждого перепускного клапана уменьшается, когда разность температур для соответствующего рефрижератора/ожижителя увеличивается по абсолютной величине по отношению к среднему значению указанной разности температур,

- на выходе из компрессорной станции каждый рефрижератор/ожижитель содержит выпускной клапан с регулируемым переменным отверстием, при этом способ включает одновременное измерение для каждого из рефрижераторов/ожижителей рабочего параметра, состоящего из мгновенного значения расхода газа в выходном потоке рабочего газа, причем способ включает этап вычисления в реальном времени динамического среднего значения рабочего параметра для всех рефрижераторов/ожижителей, при этом устройство выполняет управление в реальном времени открытием/закрытием каждого выпускного клапана в зависимости от разности между мгновенными значениями рабочего параметра соответствующего рефрижератора/ожижителя с целью обеспечения сходимости указанных мгновенных значений указанного рабочего параметра для различных рефрижераторов/ожижителей к данному динамическому среднему значению,

- каждый выпускной клапан регулируется в соответствии с заданной величиной давления, измеренной на выходе из указанного клапана, при этом устройство выполняет управление в реальном времени открытием/закрытием каждого выпускного клапана таким образом, чтобы уменьшить заданную величину давления, когда мгновенное значение расхода газа в потоке газа на выходе из компрессорной станции соответствующего рефрижератора/ожижителя больше, чем указанное динамическое среднее значение, и наоборот,

- рабочий контур содержит, в блоке охлаждения каждого рефрижератора/ожижителя, основной трубопровод, содержащий охлаждающий рабочий газ теплообменник, погруженный в криогенный резервуар сжиженного рабочего газа, и вторичный трубопровод, образующий обход основного трубопровода выше по потоку от криогенного резервуара и открывающийся в последний с возможностью поставки в него сжиженного рабочего газа, произведенный блоком охлаждения, при этом основной трубопровод содержит клапан поточного типа с регулируемым переменным отверстием, расположенный ниже по потоку от охлаждающего теплообменника, при этом способ включает одновременное измерение для каждого из рефрижераторов/ожижителей рабочего параметра, состоящего из мгновенного значения расхода газа в выходном потоке рабочего газа в указанном основном трубопроводе ниже по потоку от охлаждающего теплообменника, при этом способ включает этап вычисления в реальном времени динамического среднего значения данного рабочего параметра для всех рефрижераторов/ожижителей, при этом устройство выполняет управление в реальном времени открытием/закрытием каждого клапана поточного типа в зависимости от разности между мгновенными значениями данного рабочего параметра для соответствующего рефрижератора/ожижителя с целью обеспечения сходимости указанных мгновенных значений указанного рабочего параметра для различных рефрижераторов/ожижителей к данному динамическому среднему значению,

- вторичный трубопровод снабжен распределительным клапаном с переменным отверстием, открытие которого увеличивается в случае увеличения производства сжиженного рабочего газа в блоке охлаждения, таким образом управление каждым клапаном поточного типа корректируется в зависимости от состояния открытия распределительного клапана с тем, чтобы уменьшить открытие клапана поточного типа, когда открытие распределительного клапана увеличивается, и наоборот,

- блок охлаждения каждого рефрижератора/ожижителя содержит несколько теплообменников для охлаждения рабочей жидкости и перепускной трубопровод для обхода по меньшей мере некоторых из указанных теплообменников, поставляющих рабочий газ на выход из блока охлаждения, при этом указанный перепускной трубопровод соединен с остальной частью рабочего контура с возможностью теплообмена с теплообменниками через соответствующие перепускные клапаны c регулируемым переменным отверстием, при этом способ включает одновременное измерение для каждого из рефрижераторов/ожижителей рабочего параметра, состоящего из мгновенного значения расхода газа в потоке газа в указанном перепускном трубопроводе, при этом способ включает этап вычисления в реальном времени динамического среднего значения данного рабочего параметра для всех рефрижераторов/ожижителей, при этом устройство выполняет управление в реальном времени открытием/закрытием по меньшей мере одного из перепускных клапанов в зависимости от разности между мгновенными значениями и динамическим средним значением данного рабочего параметра для соответствующего рефрижератора/ожижителя с целью обеспечения сходимости указанных мгновенных значений указанного рабочего параметра для различных рефрижераторов/ожижителей к данному динамическому среднему значению,

- рабочий контур содержит, внутри блока охлаждения каждого рефрижератора/ожижителя, несколько теплообменников для подогрева холодной рабочей жидкости после теплообмена с прибором, при этом рабочий контур содержит трубопровод для возврата обратного потока рабочего газа, возвращающегося в компрессорную станцию, при этом обратный трубопровод содержит участок, который подразделен на две параллельные ветви, называемые соответственно "горячая" ветвь и "холодная" ветвь, причем горячая ветвь обходит по меньшей мере некоторые из подогревающих теплообменников, причем холодная ветвь термически соединена с подогревающими теплообменниками, при этом рабочая жидкость после теплообмена с прибором возвращается в компрессорную станцию с распределением по горячей ветви, когда ее температура выше определенного порога, или по холодной ветви, когда ее температура ниже определенного порога, при этом каждая горячая ветвь содержит регулирующий клапан с регулируемым переменным отверстием, при этом способ включает одновременное измерение для каждого из рефрижераторов/ожижителей рабочего параметра, который состоит из мгновенного значения расхода газа в потоке газа в указанной горячей ветви, при этом способ включает этап вычисления в реальном времени динамического среднего значения данного рабочего параметра для всех рефрижераторов/ожижителей, при этом устройство выполняет управление в реальном времени открытием/закрытием клапана горячей ветви в зависимости от разности между мгновенными значениями и динамическим средним значением данного рабочего параметра для соответствующего рефрижератора/ожижителя с целью обеспечения сходимости указанных мгновенных значений указанного рабочего параметра для различных рефрижераторов/ожижителей к данному динамическому среднему значению,

- каждая холодная ветвь содержит регулирующий клапан с регулируемым переменным отверстием, при этом способ включает одновременное измерение для каждого из рефрижераторов/ожижителей рабочего параметра, состоящего из мгновенного значения расхода газа в потоке газа в указанной холодной ветви, причем способ включает этап вычисления в реальном времени динамического среднего значения данного рабочего параметра для всех рефрижераторов/ожижителей, при этом устройство выполняет управление в реальном времени открытием/закрытием клапана холодной ветви в зависимости от разности между мгновенными значениями и динамическим средним значением данного рабочего параметра для соответствующего рефрижератора/ожижителя с целью обеспечения сходимости указанных мгновенных значений указанного рабочего параметра для различных рефрижераторов/ожижителей к данному динамическому среднему значению.

Изобретение также может относиться к любому альтернативному устройству или способу, которые включают в себя любую комбинацию признаков, изложенных выше или ниже.

Изобретение может также относиться к устройству для криогенного охлаждения, содержащему несколько рефрижераторов/ожижителей, расположенных параллельно друг другу, для охлаждения одного и того же прибора, причем каждый рефрижератор/ожижитель содержит рабочий контур для рабочего газа, снабженный по меньшей мере одним клапаном для регулирования потока рабочего газа, причем параллельные рефрижераторы/ожижители используют рабочий газ одинакового типа, такой как чистый газообразный гелий, причем каждый рефрижератор/ожижитель содержит компрессорную станцию для рабочего газа, блок охлаждения, предназначенный для охлаждения потока рабочего газа, выходящего из компрессорной станции, до криогенной температуры, по меньшей мере близкой к его температуре ожижения, при этом указанные потоки рабочего газа, охлаждаемые каждым из соответствующих блоков охлаждения рефрижераторов/ожижителей, смешиваются, а затем приводятся в теплообменный контакт с прибором для передачи ему фригорий, при этом холодный рабочий газ после теплообмена с прибором затем разделяется на несколько обратных потоков, распределяемых соответственно через соответствующие компрессорные станции, при этом устройство содержит электронную логическую схему управления, соединенную со средствами одновременного измерения для измерения, для каждого из рефрижераторов/ожижителей, мгновенного значения по меньшей мере одного и того же рабочего параметра из следующего: расхода газа в так называемом "обратном" потоке рабочего газа, возвращающегося в компрессорную станцию, расхода газа в так называемом "выходном" потоке рабочего газа, циркулирующего через блок охлаждения, после его выхода из блока охлаждения, разности температур рабочего газа между, с одной стороны, выходным потоком рабочего газа в блоке охлаждения и, с другой стороны, обратным потоком рабочего газа в блоке охлаждения, при этом электронная логическая схема сконфигурирована для вычисления в реальном времени динамического среднего значения по меньшей мере одного рабочего параметра для всех рефрижераторов/ожижителей и для выполнения управления в реальном времени по меньшей мере одним регулирующим клапаном, который регулирует поток рабочего газа по меньшей мере из одного рефрижератора/ожижителя в соответствии с разностью между мгновенными значениями параметра по сравнению с указанным динамическим средним значением для обеспечения сходимости указанных мгновенных значений указанного рабочего параметра для различных рефрижераторов/ожижителей к данному динамическому среднему значению.

Настоящее изобретение относится также к любому альтернативному устройству или способу, которые включают в себя любую комбинацию признаков, изложенных выше или ниже.

Дальнейшие особенности и преимущества станут очевидными после прочтения последующего описания, приведенного со ссылкой на чертежи, на которых:

- на фиг. 1 изображен схематический и частичный вид, иллюстрирующий один пример конструкции и функционирования устройства с возможностью осуществления настоящего изобретения,

- на фиг. 2 изображен схематический и частичный вид детали устройства, показанного на фиг. 1, иллюстрирующий пример конструкции и функционирования части компрессорных станций и блоков охлаждения рефрижераторов/ожижителей устройства,

- на фиг. 3 изображен схематичный и частичный вид детали устройства, показанного на фиг. 1, иллюстрирующий один пример конструкции и функционирования части рабочего контура на выходе из компрессорных станций,

- на фиг. 4 изображен схематический и частичный вид детали устройства, показанного на фиг. 1, иллюстрирующий один пример конструкции и функционирования части рабочего контура на уровне резервуаров для хранения сжиженного рабочего газа,

- на фиг. 5 изображен схематический и частичный вид детали устройства, показанного на фиг. 1, иллюстрирующий один пример конструкции и функционирования части рабочего контура на перепускном трубопроводе, обходящем охлаждающие теплообменники блока охлаждения,

- на фиг. 6 изображен частичный и схематический вид детали устройства, показанного на фиг. 1, иллюстрирующий один пример конструкции и функционирования части рабочего контура на обратном трубопроводе, возвращающем рабочий газ в компрессорную станцию.

На фиг. 1 схематически изображено устройство для криогенного охлаждения, содержащее три параллельно расположенных рефрижератора/ожижителя (L/R) для охлаждения одного и того же прибора 1. Обычно каждый рефрижератор/ожижитель L/R содержит рабочий контур для рабочего газа, который снабжен по меньшей мере одним клапаном регулирования потока рабочего газа.

Каждый рефрижератор/ожижитель содержит свою собственную станцию 2 для сжатия рабочего газа и свой собственный блок 3 охлаждения, предназначенный для охлаждения потока 30 рабочего газа, выходящего из компрессорной станции 2, до криогенной температуры, по меньшей мере близкой к его температуре ожижения.

Потоки 30 рабочего газа, охлаждаемые каждым из соответствующих блоков 3 охлаждения рефрижераторов/ожижителей L, R, смешиваются и затем приводятся в теплообменный контакт с прибором 1 для передачи ему фригорий. Холодный рабочий газ после теплообмена с прибором 1 разделяется затем на несколько обратных потоков 31, соответственно распределяемых через компрессорные станции 2.

Параллельные рефрижераторы/ожижители L/R используют рабочий газ одной и той же природы, такой как чистый газообразный гелий.

Устройство 100 предпочтительно содержит электронную логическую схему 50 управления, содержащую, например, микропроцессор (компьютер и/или контроллер). Электронная логическая схема 50 соединена с измерительными элементами для одновременного измерения, для каждого из рефрижераторов/ожижителей L/R, мгновенного значения по меньшей мере одного и того же рабочего параметра, относящегося к рабочему газу в ходе рабочего цикла каждого из рефрижераторов/ожижителей L/R. Для простоты на фиг. 1 не изображены эти измерительные элементы (их примеры будут проиллюстрированы на фигурах 2–6).

По меньшей мере один рабочий параметр, измеряемый для каждого рефрижератора/ожижителя L/R, предпочтительно содержит по меньшей мере одно из следующего: расход газа в обратном потоке рабочего газа, возвращающегося в компрессорную станцию (после теплообмена с прибором или обратным потоком рабочего газа, возвращающегося непосредственно в компрессорную станцию без прохождения через прибор 1 или определенные части блока 3 охлаждения), расход газа в потоке охлажденного рабочего газа на выходе из блока охлаждения (после выхода из компрессорной станции), разность температур рабочего газа между, с одной стороны, потоком рабочего газа в блоке охлаждения (направляющегося к прибору) и, с другой стороны, обратным потоком рабочего газа, возвращающегося в компрессорную станцию (от прибора).

Электронная логическая схема 50 сконфигурирована (например, запрограммирована) для выполнения вычисления в реальном времени динамического среднего значения по меньшей мере одного рабочего параметра для всех рефрижераторов/ожижителей L/R и для осуществления управления в реальном времени по меньшей мере одним клапаном управления потоком рабочего газа по меньшей мере одного рефрижератора/ожижителя L/R в зависимости от разности между мгновенными значениями параметра и указанным динамическим средним значением. Более конкретно, электронная логическая схема сконфигурирована так, чтобы обеспечить сходимость указанных мгновенных значений указанного рабочего параметра для различных рефрижераторов/ожижителей R/L к данному динамическому среднему значению.

Под этим имеется в виду, что каждый рефрижератор/ожижитель L/R управляется в рабочем цикле в зависимости от рабочего среднего значения по всему ряду рефрижераторов/ожижителей L/R таким образом, чтобы рабочие показатели всех рефрижераторов/ожижителей L/R сходились к данному среднему значению.

Эта регулировка может быть реализована с помощью контроллеров "пропорционально-интегрального" (PI) типа для управления контурами рабочего газа.

Предпочтительно устройство выполняет управление в реальном времени по меньшей мере одним клапаном регулирования потока рабочего газа по меньшей мере одного рефрижератора/ожижителя (L/R) в зависимости от разности между мгновенными значениями параметра и указанным динамическим средним значением так, чтобы обеспечить сходимость указанных мгновенных значений указанного рабочего параметра для различных рефрижераторов/ожижителей R/L к данному динамическому среднему значению.

Различные примеры управления устройством будут описаны со ссылкой на фигуры 2–6, соответственно. Все или некоторые из этих различных примеров могут быть осуществлены в совокупности или альтернативно для того, чтобы регулировать работу такого устройства 100.

Как частично показано на фиг. 2, компрессорная станция 2 каждого рефрижератора/ожижителя может содержать два компрессора 12, 22, расположенных последовательно по рабочему контуру и называемых соответственно "компрессором низкого давления" 12 и "компрессором среднего давления" 12. Компрессор 12 низкого давления получает относительно горячий рабочий газ, возвращающийся под низким давлением (обратный поток 31) после того, как он прошел или не прошел через блок 3 охлаждения.

Каждая компрессорная станция 2 содержит перепускной контур 14 для селективного обхода компрессора 12 низкого давления, оснащенный перепускным клапаном 4 с регулируемым переменным отверстием.

Устройство содержит, для каждого из рефрижераторов/ожижителей L/R, датчик 13 для измерения рабочего параметра, состоящего из мгновенного значения расхода газа Q в обратном потоке 31 рабочего газа, возвращающегося в компрессорную станцию 2. Этот измерительный датчик 13 расположен, например, в блоке 3 охлаждения выше по потоку от одного или нескольких теплообменников 26, которые как охлаждают рабочий газ, направляющийся к прибору, так и нагревают рабочий газ, возвращающийся к компрессорной станции 2.

Электронная логическая схема 50 может выполнять вычисление в реальном времени динамического среднего значения данного рабочего параметра для всех рефрижераторов/ожижителей L/R. Электронная логическая схема 50 осуществляет управление в реальном времени открытием/закрытием каждого перепускного клапана 14 в зависимости от разности между мгновенными значениями рабочего параметра соответствующего рефрижератора/ожижителя таким образом, чтобы обеспечить сходимость указанных мгновенных значений указанного рабочего параметра для различных рефрижераторов/ожижителей R/L к данному динамическому среднему значению.

Например, открытие/закрытие каждого перепускного клапана 14 регулируется в соответствии с заданной величиной СР давления в соответствии с формулой вида CP=A-B.ДQ, где А представляет собой предопределенное значение давления, В представляет собой предопределенный коэффициент (размерность=давление /расход газа) и ДQ является разностью (размерность=расход газа) между, с одной стороны, динамическим средним значением расхода газа трех охладителей и, с другой стороны, мгновенным значением расхода газа соответствующего рефрижератора/ожижителя.

Кроме того, каждый рефрижератор/ожижитель L/R может содержать датчик 15 для измерения разности температур DT = Т31-T32 рабочего газа обратного потока 31 (возвращающегося к компрессорной станции) и "выходного" потока 32 (в направлении прибора 1), которые расположены в блоке (3) охлаждения в части контура, которая имеет один и тот же определенный интервал температур.

Выражение "один и тот же интервал температур в в блоке охлаждения" означает точки на рабочем контуре, в которых выходной поток 32 (по направлению к прибору 1, которое необходимо охладить) и обратный поток 31 (по направлению к компрессорной станции 2) расположены на одном и том же уровне по отношению к охлаждающим теплообменникам блока 3 охлаждения (например, две точки измерения расположены в ветвях контура, которые расположены между двумя одинаковыми охлаждающими теплообменниками). Под этим имеется в виду, что две точки на контуре имеют относительно подобные температуры, например, отличающиеся на несколько градусов Кельвина (как правило, с разницей от 0,1 до 4°К).

Выходной поток 32 является, например, потоком рабочего газа, выходящим из охлаждающего теплообменника блока охлаждения (например, на выходе из первого теплообменника, который охлаждает рабочий газ после прохождения через компрессорную станцию 2). Обратный поток 31 в том же интервале температур является частью рабочего контура, по которому рабочий газ возвращается в направлении компрессорной станции 2 перед входом в тот же теплообменник. В соответствии с одним предпочтительным признаком управление каждым перепускным клапаном 14 может корректироваться в зависимости от расхождения между указанной разностью температур DT=T31-T32 для соответствующего рефрижератора/ожижителя L/R и средним значением указанной разности температур DT=T31-T32, вычисленной для всех рефрижераторов/ожижителей L/R. Эта разность температур DT=T31-T32 является показателем дисбаланса в расходе рабочего газа между обратным потоком 31 (по направлению к компрессорной станции) и выходным потоком 32 (по направлению к прибору 1).

Например, отверстие каждого перепускного клапана 14 может увеличиваться, когда разность температур DT=Т31-Т32 для соответствующего рефрижератора/ожижителя L/R возрастает (по абсолютной величине) по отношению к среднему значению указанной разности температур. Такая регулировка будет иметь эффект снижения дисбаланса в расходе рабочего газа между обратным потоком 31 (по направлению к компрессорной станции) и выходным потоком 32 (по направлению к прибору 1).

Как показано схематически на фиг. 3, на выходе из компрессорной станции 2 каждый рефрижератор/ожижитель L/R может, на выпускной трубе 30, содержать выпускной клапан 11 с регулируемым переменным отверстием.

Кроме того, каждый рефрижератор/ожижитель L/R может содержать измерительный датчик 16 для измерения рабочего параметра, состоящего из мгновенного значения расхода газа в потоке 30 газа на выходе из компрессорной станции 2.

Как и ранее, электронная логическая схема 50 может быть сконфигурирована так, чтобы выполнять вычисление в реальном времени динамического среднего значения этого рабочего параметра для всех рефрижераторов/ожижителей L/R. Электронная логическая схема 50 может выполнять управление в реальном времени открытием/закрытием каждого выпускного клапана 11 в соответствии с разностью между мгновенными значениями рабочего параметра соответствующего рефрижератора/ожижителя таким образом, чтобы обеспечить сходимость указанных мгновенных значений указанного рабочего параметра для различных рефрижераторов/ожижителей R/L к данному динамическому среднему значению.

Например, открытие/закрытие каждого выпускного клапана 11 управляется в соответствии с заданной величиной СР давления в соответствии с формулой вида СР=С+D.ДQ, где В представляет собой предопределенное значение давления, С представляет собой предопределенный коэффициент (размерность=давление/расход газа) и ДQ является разностью (размерность=расход газа) между, с одной стороны, динамическим средним значением расхода газа для трех охладителей и, с другой стороны, мгновенным значением расхода газа для соответствующего рефрижератора/ожижителя.

Как показано на фиг. 4, рабочий контур каждого рефрижератора/ожижителя может, в блоке 3 охлаждения, содержать основной трубопровод 19, содержащий теплообменник 20 для охлаждения рабочего газа, который погружен в криогенный резервуар 21 сжиженного рабочего газа, и вторичный трубопровод 23, образующий обход основного трубопровода выше по потоку от криогенного резервуара 21. Вторичный трубопровод 23 открывается в этот резервуар 21, в который он доставляет сжиженный рабочий газ, полученный с помощью блока 3 охлаждения.

Каждый основной трубопровод 19 содержит клапан 5 поточного типа с регулируемым переменным отверстием, расположенный ниже по потоку от охлаждающего теплообменника 20. Каждое устройство содержит датчик 24 рабочего параметра, состоящего из мгновенного значения расхода газа в потоке рабочего газа в указанном основном трубопроводе 23 ниже по потоку от охлаждающего теплообменника 20.

Электронная логическая схема 50 может быть сконфигурирована так, чтобы выполнять вычисление в реальном времени динамического среднего значения данного рабочего параметра для всех рефрижераторов/ожижителей L/R и выполнять управление в реальном времени открытием/закрытием каждого клапана 5 поточного типа в зависимости от разности между мгновенными значениями данного рабочего параметра для соответствующего рефрижератора/ожижителя таким образом, чтобы обеспечить сходимость указанных мгновенных значений указанного рабочего параметра для различных рефрижераторов/ожижителей R/L к данному динамическому среднему значению.

Например, вторичный трубопровод 23 снабжен распределительным клапаном 25 с переменным отверстием, открытие которого увеличивается в случае увеличения производства сжиженного рабочего газа в блоке 3 охлаждения. Кроме того, управление каждым клапаном 5 поточного типа может корректироваться в зависимости от степени открытия распределительного клапана 25 для того, чтобы уменьшить открытие клапана 5 поточного типа при увеличении открытия распределительного клапана 25, и наоборот.

Как показано на фиг. 5, блок 3 охлаждения каждого рефрижератора/ожижителя L/R может содержать несколько теплообменников 26 для охлаждения рабочей текучей среды и перепускной трубопровод 27, обходящий по меньшей мере некоторые из указанных теплообменников 26. Этот перепускной трубопровод 27, обходящий теплообменники 26, обеспечивает выход направленного по потоку рабочего газа из блока 3 охлаждения.

Как показано, перепускной трубопровод 27 соединен с несколькими участками рабочего контура с возможностью теплообмена с теплообменниками 26 через соответствующие регулируемые перепускные клапаны 6, 7, 8 (клапаны с переменным отверстием).

Каждый рефрижератор/ожижитель может содержать измерительный датчик 28 для измерения рабочего параметра, состоящего из мгновенного значения расхода газа в потоке газа в указанном перепускном трубопроводе 27. Электронная логическая схема 50 может включать в себя этап вычисления в реальном времени динамического среднего значения данного рабочего параметра для всех рефрижераторов/ожижителей L/R и управления в реальном времени открытием/закрытием по меньшей мере одного из перепускных клапанов 6, 7, 8 в зависимости от разности между мгновенными значениями и динамическим средним значением данного рабочего параметра для соответствующего рефрижератора/ожижителя с тем, чтобы обеспечить сходимость указанных мгновенных значений указанного рабочего параметра для различных рефрижераторов/ожижителей R/L к данному динамическому среднему значению.

Например, открытие/закрытие перепускного клапана 7 регулируется в соответствии с с заданной величиной СР давления в соответствии с формулой вида СР=G+H.ДQ, где G представляет собой предопределенное значение давления, G представляет собой предопределенный коэффициент (размерность=давление/расход газа) и ДQ является разностью (размерность=расход газа) между, с одной стороны, динамическим средним значением расхода газа для трех охладителей и, с другой стороны, мгновенным значением расхода газа для соответствующего рефрижератора/ожижителя. Другие перепускные клапаны 6, 8 позволяют регулировать температуру контура для соответствующего рефрижератора/ожижителя. Как показано на фиг. 6, рабочий контур может, в блоке 3 охлаждения каждого рефрижератора/ожижителя L/R, содержать несколько теплообменников 26 для прогрева холодной рабочей жидкости после ее обмена теплом с прибором 1. Рабочий контур дополнительно содержит обратный трубопровод 29 для потока 30 рабочего газа, возвращающегося к компрессорной станции 2, при этом обратный трубопровод 29 содержит участок, который разделен на две параллельные ветви 129, 229, называемые соответственно "горячей" и "холодной" ветвями. Горячая ветвь 129 не обменивается теплом по меньшей мере с частью нагревающих теплообменников 26. Холодная ветвь 229 сама обменивается теплом с несколькими прогревающими теплообменниками. Рабочая жидкость после теплообмена с прибором возвращается к компрессорной станции 2 и распределяется в горячую ветвь 129, когда ее температура выше определенного порога, или в холодную ветвь 229, когда ее температура находится ниже определенного порога. Каждая горячая ветвь 129 содержит регулирующий клапан 9 с регулируемым переменным отверстием.

Каждый блок 3 охлаждения содержит измерительный датчик 130 для измерения рабочего параметра, состоящего из мгновенного значения расхода газа в потоке газа в указанной горячей ветви 129.

Электронная логическая схема 50 может быть сконфигурирована так, чтобы выполнять вычисление в реальном времени динамического среднего значения данного рабочего параметра для всех рефрижераторов/ожижителей и выполнять управление в реальном времени открытием/закрытием клапана 9 горячей ветви 129 в зависимости от разности между мгновенными значениями и динамическим средним значением рабочего параметра для соответствующего рефрижератора/ожижителя для того, чтобы обеспечить сходимость указанных мгновенных значений указанного рабочего параметра для различных рефрижераторов/ожижителей к данному динамическому среднему значению.

Например, открытие/закрытие каждого клапана 9 горячей ветви регулируется в соответствии с заданной величиной СР давления в соответствии с формулой вида СР=I+J.ДQ, где I представляет собой предопределенное значение давления, J представляет собой предопределенный коэффициент (размерность=давление/расход газа) и ДQ является разностью (размерность=расход газа) между, с одной стороны, динамическим средним значением расхода газа для трех охладителей и, с другой стороны, мгновенным значением расхода газа для соответствующего рефрижератора/ожижителя.

Подобным образом, каждая холодная ветвь 229 содержит регулирующий клапан 10 с регулируемым переменным отверстием и измерительный датчик 131 для измерения рабочего параметра, состоящего из мгновенного значения расхода газа в потоке газа в указанной ветви 229. Электронная логическая схема 50 может быть сконфигурирована так, чтобы в реальном времени выполнять вычисление динамического среднего значения данного рабочего параметра для всех рефрижераторов/ожижителей и выполнять управление в реальном времени открытием/закрытием клапана 10 холодной ветви 229 в зависимости от разности между мгновенными значениями и динамическим средним значением данного рабочего параметра для соответствующего рефрижератора/ожижителя с тем, чтобы обеспечить сходимость указанных мгновенных значений указанного рабочего параметра для различных рефрижераторов/ожижителей R/L к данному динамическому среднему значению.

Как и выше, открытие/закрытия каждого клапана 10 холодной ветви можно регулировать в соответствии с заданной величиной СР давления в соответствии с формулой вида СР=К+L.ДQ, где К представляет собой предопределенное значение давления, L является предопределенным коэффициентом (размерность=давление/расход газа) и ДQ является разностью (размерность= расход газа) между, с одной стороны, динамическим средним значением расхода газа для трех охладителей и, с другой стороны, мгновенным значением расхода газа для соответствующего рефрижератора/ожижителя.

Реферат

В способе регулировки устройства для криогенного охлаждения содержит множество ожижителей/рефрижераторов (L/R), расположенных параллельно для охлаждения одного прибора. Каждый рефрижератор/ожижитель содержит контур рабочего газа с, по меньшей мере, одним клапаном регулирования потока рабочего газа, представляющего собой чистый газообразный гелий. Каждый рефрижератор/ожижитель содержит компрессорную станцию, блок охлаждения рабочего газа, выходящего из компрессорной станции, до криогенной температуры, по меньшей мере близкой к его температуре ожижения. Потоки рабочего газа, охлаждаемые соответствующим блоком охлаждения, смешиваются, а затем приводятся в теплообменный контакт с прибором передачи фригорий. Способ включает этап одновременного измерения мгновенного значения одного и того же рабочего параметра, а именно расхода рабочего газа в обратном потоке, расхода рабочего газа в выходном потоке, разности температур рабочего газа между выходным потоком и обратным потоком рабочего газа. Оба потока находятся в блоке охлаждения в одном интервале температур. Устройство выполняет управление в реальном времени, по меньшей мере, одним клапаном регулирования потока рабочего газа, по меньшей мере, одного рефрижератора/ожижителя в зависимости от разности между мгновенными значениями параметра и динамическим средним значением для обеспечения сходимости указанных мгновенных значений рабочего параметра для различных рефрижераторов/ожижителей к данному динамическому среднему значению. Способ реализуется посредством устройства криогенного охлаждения. Осуществляется эффективность охлаждения прибора. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула