王雪瑩,程 銘,呂 征,趙愛虎

(中國原子能科學(xué)研究院反應(yīng)堆工程技術(shù)研究所,北京 102413)

0 引 言

隨著人類對太空的探索逐漸深入,核動(dòng)力電源在太空和星表應(yīng)用的優(yōu)勢日益凸顯。1969年蘇聯(lián)多個(gè)研究機(jī)構(gòu)合作開發(fā)了基于熱離子轉(zhuǎn)換的TOPAZ-2型核電源系統(tǒng),前后一共建造6套地面測試裝置,用于地面論證和飛行論證,完成了單機(jī)14 000 h的地面試驗(yàn),積累了大量的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)[1]。縱觀空間核反應(yīng)堆電源發(fā)展歷程,核反應(yīng)堆電源地面綜合試驗(yàn)是電源研制的必經(jīng)階段[2],在空間特殊環(huán)境約束下開展地面試驗(yàn),可以真實(shí)有效驗(yàn)證電源設(shè)計(jì)方案的合理可行性,以及反應(yīng)堆電源的安全可靠性[3]。為達(dá)到在地面模擬出空間環(huán)境的目的,前蘇聯(lián)建造了TOPAZ-2型熱離子反應(yīng)堆電源的地面試驗(yàn)臺(tái)架[4],試驗(yàn)過程中地面樣機(jī)所需的真空環(huán)境由真空室提供,真空室還兼具包容樣機(jī)在事故情況下釋放的放射性物質(zhì)的作用[5]。其中,真空度是影響樣機(jī)工作性能最為重要的環(huán)境因素之一,建立和維持試驗(yàn)樣機(jī)運(yùn)行過程中所需的真空條件需要通過真空室抽真空系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)真空室的容積、漏氣量、極限真空度、樣機(jī)材料放氣率等因素設(shè)計(jì)一套合理可靠的抽真空系統(tǒng),對地面樣機(jī)模擬空間運(yùn)行環(huán)境以及安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。使用功能全面的仿真平臺(tái)對其進(jìn)行仿真建模和運(yùn)行測試,是驗(yàn)證真空室抽真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性的最直接且具有實(shí)際意義的研究手段。

1 真空室抽真空系統(tǒng)

真空室抽真空系統(tǒng)是TOPAZ-2型熱離子空間核反應(yīng)堆電源地面核綜合試驗(yàn)臺(tái)架的重要輔助系統(tǒng),其主要功能是建立和維持試驗(yàn)樣機(jī)運(yùn)行過程中真空室內(nèi)真空度優(yōu)于1×10-2Pa,且連續(xù)運(yùn)行時(shí)間不低于3年,表1所列為該系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 真空室抽真空系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 The main parameters involved in vacuum-pumping system

系統(tǒng)采用兩臺(tái)10 000 L·s-1的低溫泵和四臺(tái)2 000 L·s-1的脂潤滑分子泵作為主抽泵,一臺(tái)180 L·s-1的大抽速螺桿泵作為預(yù)抽泵,并配兩臺(tái)22 L·s-1的小抽速螺桿泵作為前級(jí)泵,一用一備,前級(jí)泵主要作用是為低溫泵和分子泵的前級(jí)管路建立低真空,達(dá)到低溫泵和分子泵的啟動(dòng)壓力。圖1為真空室抽真空系統(tǒng)流程示意圖。

圖1 真空室抽真空系統(tǒng)流程示意圖Fig.1 Flow diagram of vacuum pumping system

低溫泵是利用低溫表面將氣體分子冷凝、捕集、吸附到冷頭上,從而使被抽空間的真空度降低。當(dāng)?shù)蜏乇美漕^上吸附的氣體分子達(dá)到飽和時(shí),其吸附能力大大降低,這時(shí)低溫泵需要再生。如預(yù)抽之后直接開啟低溫泵,則低溫泵負(fù)載能力相對較大,而如果先開啟分子泵對真空容器抽真空,待真空度達(dá)到1×10-2Pa,再開啟低溫泵工作,這樣可延長低溫泵的吸附飽和時(shí)間,對低溫泵的壽命有一定的保護(hù)作用。同時(shí),當(dāng)?shù)蜏乇迷偕蛘呔S護(hù)的過程中,可以使用分子泵作為主抽泵來維持真空室內(nèi)的真空度,相當(dāng)于分子泵與低溫泵之間互相備份。配置泵組時(shí),為了提高真空系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性,主抽泵和副抽泵均考慮了冗余。

結(jié)合地面樣機(jī)測試過程,真空室抽真空系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)主要分為以下三個(gè)階段:

1)真空室預(yù)抽階段

該階段樣機(jī)處于冷態(tài)工況,設(shè)計(jì)要求在3小時(shí)內(nèi)將真空室壓力從大氣壓抽到優(yōu)于10 Pa的水平,期間只投入大抽速螺桿泵。

2)地面樣機(jī)升溫除氣階段

該階段從樣機(jī)升溫一直持續(xù)至達(dá)到額定運(yùn)行工況,設(shè)計(jì)要求在樣機(jī)升溫過程中真空室內(nèi)氣體壓力不得超過1×10-2Pa。由于此時(shí)樣機(jī)溫度逐漸升高,若無法及時(shí)將真空室內(nèi)氣體抽出很容易使得材料被氧化。期間選用分子泵和低溫泵作為抽真空主泵,投入數(shù)量需通過進(jìn)一步仿真模擬來確定。

3)樣機(jī)長期穩(wěn)定運(yùn)行階段

該階段是樣機(jī)在額定工況下長期穩(wěn)定運(yùn)行過程,設(shè)計(jì)要求將真空室內(nèi)氣體壓力維持在低于1×10-3Pa的水平。期間選用分子泵作為抽真空主泵,投入數(shù)量需通過進(jìn)一步仿真模擬來確定。

2 真空室抽氣數(shù)學(xué)模型

2.1 系統(tǒng)抽氣理論模型

將文獻(xiàn)[6]所介紹的低真空系統(tǒng)抽氣過程計(jì)算方法和文獻(xiàn)[7]所介紹的高真空系統(tǒng)抽氣過程計(jì)算方法相結(jié)合,形成針對于本文抽真空系統(tǒng)的抽氣理論模型。該系統(tǒng)可簡化為由真空室、抽氣主管道和真空泵機(jī)組所組成,如圖2所示。

圖2 簡化的真空系統(tǒng)模型Fig.2 Simplified model of the vacuum system

對抽氣管道有:

SpP0=C(P-P0)

(1)

真空系統(tǒng)的抽氣方程為

(2)

公式中:V0為真空室容積,m3;P為真空室內(nèi)壓力,Pa;P0為真空泵的吸入壓力,Pa;Sm為真空室漏氣質(zhì)量流率,kg·s-1;Pa為當(dāng)?shù)卮髿饨^對壓力,Pa;ρa(bǔ)為大氣壓力對應(yīng)密度,kg/m3;Sl為真空室內(nèi)材料放氣速率,Pa·m3·s-1·m-2;A為真空室內(nèi)材料放氣面積,m2;Sp為真空泵入口抽速,m3·s-1;C為管道流導(dǎo),m3·s-1。

2.2 管道的流導(dǎo)方程

管道中的流動(dòng)狀態(tài)需要根據(jù)雷諾數(shù)Re大小以及管道中氣體平均壓力和管道直徑的乘積判斷,Re的表達(dá)式為

(3)

(4)

2.3 真空泵模型

根據(jù)真空室抽真空系統(tǒng)中所需180 L·s-1的大抽速螺桿泵的實(shí)際特性曲線擬合出Sp-P0關(guān)系式:

(5)

根據(jù)真空室抽真空系統(tǒng)中所需2 000 L·s-1的脂潤滑分子泵的實(shí)際特性曲線擬合出Sp-P0關(guān)系式:

(6)

根據(jù)真空室抽真空系統(tǒng)中所需10 000 L·s-1的低溫泵的實(shí)際特性曲線擬合出Sp-P0關(guān)系式:

(7)

2.4 真空室材料放氣量

真空室抽真空系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)主要為三個(gè)階段。由于在真空室預(yù)抽階段壓強(qiáng)在10 Pa以上且樣機(jī)處于冷態(tài)工況,材料放氣量可忽略不計(jì),此階段真空泵所抽氣體主要為真空室內(nèi)原有氣體(大氣或氬氣);地面樣機(jī)升溫除氣階段真空室內(nèi)材料受溫度快速上升的影響,會(huì)產(chǎn)生大量氣體,此階段真空泵所抽氣體主要為材料所釋放氣體;在樣機(jī)長期穩(wěn)定運(yùn)行階段,溫度不再變化且壓力穩(wěn)定在10-3Pa以下,真空室內(nèi)材料可視為勻速放氣,此階段真空泵所抽氣體主要為材料所釋放氣體。同時(shí),在真空室抽真空系統(tǒng)運(yùn)行全過程都需要考慮真空室的漏氣量(kg·s-1),假設(shè)其漏氣量隨真空度的變化可忽略,為定值

Sm=1.189×10-11

(8)

表2 地面樣機(jī)升溫除氣階段材料放氣參數(shù)

由表2可以看出,真空室內(nèi)主要放氣材料是不銹鋼和銅。由文獻(xiàn)[8]可得到不銹鋼在不同溫度下的放氣速率,并將其擬合得到不銹鋼在升溫階段放氣速率隨溫度變化Sl-T的關(guān)系式為

(9)

公式中:T為材料的溫度,℃。由文獻(xiàn)[7]可得到銅在不同溫度下的放氣速率,并將其擬合得到銅在升溫階段放氣速率隨溫度變化Sl-T的關(guān)系式為

(10)

假設(shè)樣機(jī)在升溫階段溫度隨時(shí)間線性增加,樣機(jī)啟動(dòng)約10 h,故經(jīng)過10 h達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)后溫度不再上升。根據(jù)材料最終所達(dá)到溫度的不同得到材料溫度隨時(shí)間變化T-t的關(guān)系式為

(11)

公式中:tmax為材料在樣機(jī)升溫階段最終達(dá)到的溫度,℃;t為樣機(jī)升溫階段運(yùn)行時(shí)間,s。

3 仿真模型的建立

3.1 仿真平臺(tái)的選擇

根據(jù)真空室抽真空系統(tǒng)的構(gòu)成及功能,選擇合適的仿真平臺(tái)對其進(jìn)行模擬研究。美國WSC公司開發(fā)的3KEYMASTER仿真平臺(tái)是一款核電廠全范圍實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)[9],平臺(tái)完全以對象為導(dǎo)向,支持靈活的人機(jī)界面設(shè)計(jì),具有圖形化建模和在線修改模型能力[10],廣泛應(yīng)用于核電廠領(lǐng)域的仿真[11-12]。同時(shí),該平臺(tái)擁有優(yōu)秀的可擴(kuò)展性,開發(fā)者可以通過自行編寫平臺(tái)中的task程序,實(shí)現(xiàn)自己想要的功能[13-14]。因此可以根據(jù)不同真空泵的特性開發(fā)相應(yīng)的泵模塊,在建模的便利性和高效性上展示出一定優(yōu)勢[15-16]。3KEYMASTER仿真平臺(tái)提供了豐富的建模工具庫[17-18],其中邏輯控制工具庫中的眾多邏輯模塊經(jīng)過編譯、設(shè)定、組合后,可有效地對真空室抽真空系統(tǒng)的控制特性和運(yùn)行特性進(jìn)行精確的仿真模擬[19-20],選擇該平臺(tái)對真空室抽真空系統(tǒng)特性的仿真研究具有較強(qiáng)的針對性和實(shí)用價(jià)值。

3.2 真空泵及真空室的仿真模型

由于3KEYMASTER仿真平臺(tái)中沒有真空泵的模型,因此需自建模型。建立真空泵組模型過程做出如下假設(shè):1)分子泵和低溫泵在投入時(shí)已經(jīng)完成前級(jí)預(yù)抽和啟動(dòng)的工作,可直接達(dá)到額定功率下的抽速,小抽速螺桿泵為前級(jí)泵,故在建模時(shí)不予考慮。2)在抽氣過程中僅考慮真空室與真空泵組間連接管道的流導(dǎo),其他結(jié)構(gòu)元件的流導(dǎo)不予考慮。

在3KEYMASTER仿真平臺(tái)上分別新建真空室、大抽速螺桿泵、分子泵和低溫泵相應(yīng)的Type及Tasks,計(jì)算流程如圖3所示,由此將程序編寫入Tasks中進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,封裝得到大抽速螺桿泵、分子泵和低溫泵的仿真模塊。其中每個(gè)泵模塊都可以獨(dú)立運(yùn)行,通過修改泵模塊中“position”的值控制泵的開啟與關(guān)閉。

圖3 計(jì)算流程圖Fig.3 Calculation flow chart

真空室模塊主要包括真空室壓力、升溫階段真空室材料放氣量、真空室漏氣量。根據(jù)表2可知,聯(lián)立公式(9)和公式(11)可以得到真空室內(nèi)不銹鋼分別在常溫下、升溫到200 ℃、升溫到400 ℃、升溫到500 ℃以及升溫到600 ℃下的放氣量隨運(yùn)行時(shí)間Sl-t的關(guān)系式;根據(jù)表2可知,聯(lián)立公式(10)和公式(11)可以得到真空室內(nèi)銅在升溫到600 ℃下的放氣量隨運(yùn)行時(shí)間Sl-t的關(guān)系式。由此將程序編寫入Tasks中進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,封裝得到真空室的仿真模塊。

在Drawing中添加真空室、一個(gè)大抽速螺桿泵模塊、四個(gè)分子泵模塊和兩個(gè)低溫泵模塊,分析和組合3KEYMASTER工具庫中的相關(guān)邏輯模塊,將真空泵與運(yùn)行控制直接相關(guān)的驅(qū)動(dòng)特性全部仿真實(shí)現(xiàn)并集成,建立準(zhǔn)確的真空室抽真空系統(tǒng)仿真模型,如圖4所示。

圖4 真空室抽真空系統(tǒng)模型圖Fig.4 Simulation model diagram of vacuum pumping system

模塊一為常量模塊,使用該模塊輸入真空室被抽氣之前的初始?jí)毫?。模塊二為求和模塊,由于分子泵和低溫泵會(huì)出現(xiàn)同時(shí)工作的情況,故使用該模塊將四臺(tái)分子泵和二臺(tái)低溫泵輸出的“SpCP/(Sp+C)”值進(jìn)行累加,若某臺(tái)泵的開關(guān)狀態(tài)為關(guān)閉,則該值為0。模塊三為相反數(shù)模塊,作用是將“SpCP/(Sp+C)”的累加值變成其相反數(shù),在相反數(shù)模塊后增加一個(gè)求和模塊,將相反數(shù)模塊輸出值與真空室模塊輸出的材料放氣量、真空室漏氣量進(jìn)行求和。模塊四為除法模塊,分母是由真空室模塊輸出的體積參數(shù),至此,通過以上邏輯模塊的連接已經(jīng)實(shí)現(xiàn)公式(2)所示抽氣模型的建立。模塊五是積分模塊,可將“dP/dt”進(jìn)行積分得到總抽氣量產(chǎn)生的壓力變化,再與真空室的初始?jí)毫η蠛图纯汕蟪龃丝痰恼婵帐覊毫?并反饋回真空室作為下一時(shí)刻真空泵組的輸入壓力,如此形成循環(huán),即可的得到真空室壓力在不同工況下隨時(shí)間的變化曲線。

4 仿真運(yùn)行特性研究

4.1 仿真運(yùn)行

在3KEYMASTER仿真平臺(tái)中,根據(jù)功能需求,針對搭建好的真空室抽真空系統(tǒng)模型,展開三個(gè)抽氣階段的運(yùn)行特性研究。

1)真空室預(yù)抽階段:輸入真空室初始?jí)毫榇髿鈮骸癙=101 325”,開啟大抽速螺桿泵,待到真空室內(nèi)真空度抽到優(yōu)于10 Pa,關(guān)閉大抽速螺桿泵。運(yùn)行結(jié)果如圖5所示,真空室壓力逐漸減小,大抽速螺桿泵大約需要2 500 s,即45 min,可將真空室壓力抽到優(yōu)于10 Pa的水平。

圖5 真空室預(yù)抽階段壓力曲線Fig.5 Pressure curve of vacuum chamber during pre-pumping stage

2)地面樣機(jī)升溫除氣階段:針對此階段真空機(jī)組投入方式,模擬了以下3種工況:①投入四臺(tái)分子泵和兩臺(tái)低溫泵;②投入三臺(tái)分子泵和一臺(tái)低溫泵,剩余一臺(tái)分子泵和一臺(tái)低溫泵作為備用;③投入兩臺(tái)分子泵和一臺(tái)低溫泵,剩余兩臺(tái)分子泵和一臺(tái)低溫泵作為備用。關(guān)閉大抽速螺桿泵的同時(shí)開啟分子泵,待真空室內(nèi)壓力低于10-2Pa時(shí)開啟低溫泵,與此同時(shí),真空室材料隨樣機(jī)溫度的上升不停釋放氣體,放氣量先增加再減小。運(yùn)行結(jié)果如圖6所示,三種工況下真空室壓力隨運(yùn)行時(shí)間變化趨勢一致。開啟分子泵后,真空室壓力由5 Pa迅速下降至10-3Pa以下,隨后開始增大,緊接著開啟低溫泵,壓力略有下降后又逐漸增大,當(dāng)運(yùn)行至第5.6 h左右,即樣機(jī)約300 ℃時(shí),真空室壓力開始下降。其中,工況①、工況②、工況③在此階段所達(dá)到最大壓力分別為7.1×10-3Pa、5.4×10-3Pa、3.2×10-3Pa。由此可見,在此階段影響真空室壓力的主要因素是材料放氣量,真空室壓力最大點(diǎn)也是材料放氣量最大點(diǎn)。

3)地面樣機(jī)長期穩(wěn)定運(yùn)行階段:針對此階段真空機(jī)組投入方式,模擬了以下三種工況:①投入兩臺(tái)分子泵;②投入一臺(tái)分子泵;③投入兩臺(tái)分子泵和一臺(tái)低溫泵。此時(shí)真空室內(nèi)材料視為勻速放氣,總放氣量為各個(gè)材料在穩(wěn)定運(yùn)行溫度下的放氣量總和,其值為4.698×10-4Pa·m3·s-1,同時(shí)考慮了真空室漏氣量。運(yùn)行結(jié)果如圖7所示,保留兩臺(tái)分子泵時(shí),關(guān)閉其他泵后真空室壓力略有上升,最終穩(wěn)定在2.53×10-4Pa;保留一臺(tái)分子泵時(shí),關(guān)閉其他泵后真空室壓力上升,最終穩(wěn)定在5×10-4Pa;將兩臺(tái)分子泵和一臺(tái)低溫泵全部保留時(shí),真空室壓力最終穩(wěn)定在1.25×10-4Pa。說明在只保留一臺(tái)分子泵進(jìn)行抽氣的情況,完全可以滿足真空室壓力長期優(yōu)于10-3Pa的需求。

圖7 地面樣機(jī)長期穩(wěn)定運(yùn)行階段壓力曲線Fig.7 Pressure curve of vacuum chamber prototype during long-term operation stage

4.2 結(jié)果分析

由運(yùn)行結(jié)果可見,基于3KEYMASTER仿真平臺(tái)建立的真空室抽真空系統(tǒng)模型,可以較好地模擬真空室抽真空系統(tǒng)在不同階段的抽氣過程,并得到了滿足設(shè)計(jì)需求下真空機(jī)組的最佳投入方式。

在真空室預(yù)抽階段,考慮真空室漏氣量的情況下,一臺(tái)大抽速螺桿泵可滿足將真空室壓力抽至10 Pa的需求;在地面樣機(jī)升溫除氣階段,同時(shí)考慮高溫高壓下材料放氣量和真空室漏氣量,三種真空機(jī)組投入方式均可滿足真空室內(nèi)壓力保持在10-2Pa以下的需求,考慮到系統(tǒng)冗余性,此階段真空機(jī)組的最佳投入方式為兩臺(tái)分子泵搭配一臺(tái)低溫泵,剩余兩臺(tái)分子泵和一臺(tái)低溫泵作為備用;在地面樣機(jī)長期穩(wěn)定運(yùn)行階段,同時(shí)考慮材料放氣量和真空室漏氣量,一臺(tái)分子泵即可滿足真空室內(nèi)壓力長期保持在10-3Pa以下的需求,故此階段真空機(jī)組最佳投入方式為投入一臺(tái)分子泵,剩余三臺(tái)分子泵作為備用。

5 結(jié) 論

1)本文以TOPAZ-2型熱離子核反應(yīng)堆電源為研究對象,針對核綜合試驗(yàn)臺(tái)架真空室抽真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,運(yùn)用仿真建模技術(shù)開展具體研究,驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

2)根據(jù)真空室抽氣理論模型,結(jié)合高溫高壓下樣機(jī)材料的放氣量及真空室漏氣量,在3KEYMASTER仿真平臺(tái)上開發(fā)得到真空室、螺桿泵、分子泵和低溫泵仿真模塊,通過平臺(tái)的邏輯控制建模工具建立了真空室抽真空系統(tǒng)的仿真模型。對不同階段下的系統(tǒng)抽氣狀態(tài)進(jìn)行了仿真試驗(yàn),掌握了系統(tǒng)運(yùn)行特性和關(guān)鍵數(shù)據(jù),得到了真空室預(yù)抽階段、地面樣機(jī)升溫除氣階段和地面樣機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行階段在各種抽真空機(jī)組投入情況下真空室內(nèi)壓力隨時(shí)間變化趨勢曲線,并優(yōu)化得到各階段抽真空機(jī)組最佳投入方式。

3)真空室抽真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是合理可行的,采用3KEYMASTER仿真平臺(tái)對其進(jìn)行建模驗(yàn)證的方法是精準(zhǔn)適用的,這為今后的空間核電源地面試驗(yàn)臺(tái)架研究以及航空航天領(lǐng)域的空間模擬裝置研究提供了重要參考價(jià)值。