李星 王爭利 王興龍 王鵬飛 許浩

摘 要：對采用制冷裝置冷卻降溫的Tokamak（托卡馬克）裝置單回路循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，分析其在設(shè)備及管路運行時存在的問題與不足，在其基礎(chǔ)上提出Tokamak（托卡馬克）裝置雙回路冷卻水循環(huán)，即Tokamak（托卡馬克）裝置冷卻水和制冷裝置冷凍水獨立循環(huán)回路，兩回路以水箱連接。通過不同設(shè)計方案的對比，指出雙回路冷卻循環(huán)在設(shè)備投資及實際運行中均優(yōu)于單回路系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：冷卻水;冷凍水;制冷裝置;循環(huán)泵

中圖分類號：TL33? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）13-0037-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.13.009

0? ? 引言

文獻[1]指出，為保證Tokamak（托卡馬克）裝置正常冷卻，其冷卻水采用制冷裝置冷卻降溫。制冷裝置直接設(shè)置在供、回水箱之間，如圖1所示，水泵提供的動力可以克服試驗裝置（水阻力0.8 MPa）、制冷裝置（水阻力0.05～0.08 MPa）及管道阻力，但試驗裝置水流量（3.67 L/s）小于制冷裝置水流量（4.13 L/s，制冷量以最小值86.40 kW計，實際水流量大于該值），試驗裝置水流量只有制冷裝置理論水量的88.86%，如果以試驗裝置水流量運行，則會造成制冷機水流量不足引起制冷機停機，且供、回水箱會承受一定的壓力。水泵流量選型若以制冷裝置為準(zhǔn)，則會引起試驗裝置流量過大。

1? ? 冷卻水系統(tǒng)水泵的設(shè)置

如圖2所示，供水水箱可以去掉，采用管道直接連接制冷裝置和水泵。

1.1? ? 水泵設(shè)置在制冷裝置出口、試驗裝置入口之間

項目在屋面預(yù)留了制冷設(shè)備安裝條件，且滿足制冷裝置的散熱要求。考慮水箱荷載較大且場地有限，將水箱設(shè)置于室內(nèi)地面，以利于保溫，水箱和制冷裝置之間存在10.60 m的高差。水泵如設(shè)置在制冷裝置出口、試驗裝置入口之間的管段，其優(yōu)點是制冷裝置承受壓力較小，缺點是制冷裝置高于水箱，水流無法依靠水泵的汽蝕余量克服制冷裝置及其管道的阻力進入水泵。在管道和水箱必須滿水并承受一定壓力的條件下即管路為閉式，才能依靠水泵動力送至制冷裝置。管道、水箱若承受壓力，整個系統(tǒng)需單獨設(shè)置定壓補水系統(tǒng)，且無論定壓補水系統(tǒng)采用何種方式均需額外設(shè)置一套補水水箱。

1.2? ? 水泵設(shè)置在制冷裝置入口、水箱出口之間

同水泵設(shè)置在制冷裝置出口、試驗裝置入口之間類似，依靠水泵將水送至制冷裝置，不同的是，水泵靠近水箱時水泵入口管道長度較小或管徑夠大時，利用水箱內(nèi)水的液位和水泵的汽蝕余量，水可以直接吸入水泵，由水泵提供的動力克服制冷裝置、試驗裝置和管道阻力完成循環(huán)。水箱和管道可以設(shè)計為開式也可以設(shè)計為閉式，水箱和管道若采用開式，其優(yōu)點：1）水箱不承壓，直接按照文獻[2-3]選用與制作;2）可以直接采用純水機組向水箱補水，不需要額外增加設(shè)備;3）不需要單獨設(shè)置定壓補水系統(tǒng)和補水箱。缺點是制冷裝置的蒸發(fā)器工作壓力要選用1.6 MPa。試驗裝置阻力為0.8 MPa，對于該項目采用開式或閉式管道對水泵揚程的影響幾乎可以忽略。

1.3? ? 對圖2所示供回水箱之間直接設(shè)置制冷裝置存在問題的改進

針對圖2所示制冷裝置所需水流量大于試驗裝置水流量問題，采用旁通多余水量的思路提出兩種解決方案：1）在試驗裝置側(cè)設(shè)置旁通管及旁通閥，旁通多余的流量，如圖3所示。2）在回水水箱和制冷裝置之間增加水泵2，利用旁通管旁通多余流量，如圖4所示。

1.3.1? ? 試驗裝置側(cè)設(shè)置旁通管及旁通閥

圖3所示方案一直接以經(jīng)過制冷裝置的冷凍水作為冷卻水使用，但存在如下問題：

1）冷卻水系統(tǒng)試驗裝置側(cè)增加旁通閥和旁通管，試驗裝置回路和旁通管回路水力極不平衡，旁通管起點壓力1.0 MPa，末點壓力0.2 MPa，旁通管長度不足1.0 m，依賴旁通管實現(xiàn)0.8 MPa的水阻力不現(xiàn)實。需采用特殊裝置消除多余的壓力，閥前壓力1.0 MPa，閥后壓力0.2 MPa，閥前、后壓力比即減壓比5.0，采用閥門節(jié)流的方法無法實現(xiàn)，同時考慮試驗裝置的水流量要穩(wěn)定，由于旁通管路和試驗裝置在管路上是并聯(lián)關(guān)系，依據(jù)帕斯卡定律，旁通時壓力不穩(wěn)定必然引起試驗裝置流量不穩(wěn)定，需設(shè)置特殊的閥門——減壓穩(wěn)壓閥[4]來實現(xiàn)旁通管路的壓力穩(wěn)定?？紤]到本項目對試驗裝置流量的要求嚴(yán)格，且需全年工作日可靠、穩(wěn)定運行，旁通閥應(yīng)采用互相備用減壓穩(wěn)壓閥閥組來實現(xiàn)，如圖5所示。

2）制冷裝置設(shè)置于水泵出口，水泵克服制冷裝置（0.05～0.08 MPa）和管路阻力后仍需要達到1.0 MPa才能滿足試驗裝置進口壓力需求，制冷裝置的蒸發(fā)器承壓必須在1.0 MPa以上，蒸發(fā)器承壓在1.0 MPa的規(guī)格只有1.6 MPa，且比承壓1.0 MPa造價高出5%～8%，同時管道及其附件承壓也相應(yīng)提高。

3）試驗裝置入口冷卻水水溫即制冷裝置出口冷凍水水溫，制冷裝置出口水溫和制冷裝置正常運行取決于回水水箱進入制冷裝置的水溫是否達到設(shè)計溫度且恒定，制冷裝置進水水溫的波動必須控制在±2 ℃以內(nèi)，否則會引起制冷裝置自動保護停機。水箱進入制冷裝置的水溫恒定是方案一是否可行的核心，為解決該問題需：（1）加大制冷裝置的容量和水泵的流量，制冷裝置的冷凍水一部分經(jīng)過試驗裝置（流量13.21 m3/h），另外一部分經(jīng)過旁通管，經(jīng)過試驗裝置的冷卻水（試驗時被釋放的熱量加熱）與經(jīng)過旁通管冷凍水在三通1處混合后進入回水水箱，然后再次混合;（2）增加回水水箱的容量，回水水箱容量越大，蓄（吸）熱能力越強、吸收熱量越多，水溫越不容易升高和波動，越容易滿足制冷機入口溫度和水溫波動要求，為制冷裝置提供一個相對穩(wěn)定的運行環(huán)境。

1.3.2? ? 制冷裝置側(cè)設(shè)置旁通管及旁通閥

為降低方案一中制冷裝置的承壓，管路和水箱均設(shè)置為開式，同時制冷裝置側(cè)設(shè)置旁通管旁通多余的流量，提出圖4所示方案二，方案二比方案一多出一套水泵。

1）制冷裝置側(cè)增加旁通閥和旁通管，制冷裝置出口冷凍水直接作為冷卻水進入試驗裝置用于冷卻，多余的流量進入水箱，在水箱內(nèi)與試驗裝置出口冷卻水及水箱內(nèi)的水混合降溫。水泵2僅需要克服制冷裝置和部分管道的阻力，制冷回路和旁通管回路水力雖然不平衡，但不平衡率明顯下降，旁通管起點壓力約0.20 MPa，末點壓力近似為0 MPa，完全可以通過設(shè)置截止閥節(jié)流的方法實現(xiàn)。

2）圖4所示方案二中整個冷卻水系統(tǒng)比圖3方案一多一套水泵1，水泵2的實際作用只是為克服制冷裝置和管道阻力提供動力，水泵1則為試驗裝置冷卻水降溫提供動力。從水力學(xué)角度看，水泵2和水泵1存在串聯(lián)關(guān)系，如水泵2或水泵1任意一臺故障，整個系統(tǒng)將不能正常運行;從運行角度看，運行時先啟動水泵2再啟動水泵1，停止時先停水泵1再停水泵2，兩者之間存在聯(lián)鎖關(guān)系，運行時冷卻水系統(tǒng)可靠性變差。且為提高冷卻水系統(tǒng)的可靠性、安全性和穩(wěn)定性，水泵2和水泵1均需設(shè)置備用泵，使得水泵電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜化，該做法目的是提高冷卻水系統(tǒng)可靠性、安全性和穩(wěn)定性，但實際上冷卻水系統(tǒng)可靠性、安全性和穩(wěn)定性未得到明顯提升或保證。

為彌補上述兩方面缺陷，將水泵1管路（試驗裝置側(cè)冷卻水循環(huán)管路，簡稱冷卻水管路）和水泵2管路（冷源側(cè)冷凍水循環(huán)管路，簡稱冷凍水管路）的功能分離，兩者通過水箱連接，試驗裝置的冷卻水和冷源側(cè)冷凍水獨立完成自己的循環(huán)，通過冷凍水和冷卻水直接接觸混合實現(xiàn)降溫，并維持混合后水溫恒定。由于管路獨立，冷凍水、冷卻水循環(huán)管路不用再設(shè)旁通管和旁通閥，且冷凍水管路、冷卻水管路的流量之間、壓力和溫度之間不再相互影響。冷卻水管路的循環(huán)阻力由冷卻水管路循環(huán)動力水泵1克服，冷凍水管路的循環(huán)阻力由冷凍水管路循環(huán)動力水泵2克服，如圖6所示。水泵1和水泵2啟動、停止時互不影響，且不存在聯(lián)鎖關(guān)系，從水力角度和電氣角度，圖6所示方案的冷卻水系統(tǒng)可靠性、安全性和穩(wěn)定性相對于方案一、方案二均實現(xiàn)明顯提高。

2? ? 方案對比

2.1? ? 主要設(shè)備投資對比

圖6所示方案比圖3所示方案多兩臺水泵（一套水泵設(shè)置兩臺，互為備用），但方案一制冷機組造價高5%～8%，并多出一套相互備用的減壓穩(wěn)壓閥組，其造價遠遠高于兩臺水泵的造價。

2.2? ? 水泵運行對比分析

文獻[1]指出，進水溫度20 ℃的條件下，試驗裝置600 s平均熱釋放速率為86.40 kW，540.5 s平均熱釋放速率為95.91 kW，制冷裝置最接近該值的是130 kW風(fēng)冷模塊機組，其流量為22.4 m3/h，也是實際中能選取的最小流量。對于方案一經(jīng)過風(fēng)冷模塊機組的冷凍水，一部分固定流量（13.21 m3/h）經(jīng)過試驗裝置用于直接冷卻，另外一部分通過旁通閥組消能后與試驗裝置出口的冷卻水混合進行降溫。旁通閥消耗流體的壓能是固定的（0.8 MPa），經(jīng)過旁通閥的流量越大，消耗的能量越大，依據(jù)公式（1）[4]，其消耗的能量全部需要水泵提供。方案二雖然多出一套水泵，水泵1的流量小、揚程高，水泵2的流量大、揚程低，水泵1和水泵2雙泵能耗不一定大于方案一的單泵能耗。

N=KA（1）

式中：N為水泵配用電機容量;KA為電機容量安全系數(shù);ρ為輸送流體的密度;G為水泵流量;H為水泵揚程;η為水泵效率。

水泵選型的流量、揚程遵守文獻[4-5]，以開式管道計算阻力和高差選擇水泵揚程，以文獻[6]在高能效要求下對水泵轉(zhuǎn)速的建議為依據(jù)，同時水泵效率需大于文獻[7]規(guī)定的節(jié)能評價值。采用選型軟件對方案一、二的水泵進行選型并給出參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1中，水泵的效率均大于文獻[7]規(guī)定的節(jié)能評價值，可以看出，方案一比方案二水泵配備電機總功率大，設(shè)計狀態(tài)點的輸入功率總和方案二要小于方案一1.6 kW。方案一水泵揚程過大，水泵葉輪進出口壓差變大，從而導(dǎo)致水泵內(nèi)泄漏量增大，輪阻加大，引起整個效率下降。同時，為保證冷卻效果增大制冷裝置容量和水泵的流量時，依據(jù)公式（1）方案一采用減壓閥組消能將造成水泵功率增大，導(dǎo)致運行時能源的浪費和不經(jīng)濟。

3? ? 冷卻水、冷凍水管路形式與冷卻水水箱

工程中與水箱連接的一般為開式管路，相對于閉式管路采用開式管路的優(yōu)點是：1）不用對管路進行定壓，至少省去一套定壓補水裝置，同時能避免或減緩管路的水錘現(xiàn)象;2）水箱為開式水箱，不用承壓，制造成本低;3）純化水可直接補入水箱，不用提供額外的壓力;4）試驗裝置側(cè)冷卻水管路、冷源側(cè)冷凍水管路獨立循環(huán)，管路之間壓力和溫度幾乎無干擾。缺點是制冷機設(shè)置在屋面，冷源側(cè)冷凍水循環(huán)管路停止工作時，水管內(nèi)的水倒回水箱，再次啟動時水再次進入管道，容易造成空化形成氣阻，同時影響制冷機的正常啟動和運行，造成制冷系統(tǒng)響應(yīng)過慢，試驗裝置側(cè)冷卻水也存在同樣問題。冷卻水循環(huán)管路采用開式管路優(yōu)于閉式管路，前提是解決冷源側(cè)冷凍水循環(huán)管路水泵啟停時管路空化問題。

解決冷源側(cè)冷凍水循環(huán)管路水泵啟停管路空化問題的核心是讓管道充滿水，不出現(xiàn)倒流現(xiàn)象。為解決這一問題，在冷源側(cè)冷凍水循環(huán)管路出水與水箱的連接處設(shè)置止回閥。考慮到不斷啟閉及水中雜質(zhì)的影響，止回閥可靠性將受到影響，而止回閥與倒流防止器[8]均具備防止水流倒流的功能，倒流防止器工程實際效果優(yōu)于止回閥，冷凍水循環(huán)管道與水箱的連接處設(shè)置倒流防止器，在循環(huán)水泵出口設(shè)置止回閥，以有效防止空化，保證管路中全部充滿水，解決制冷系統(tǒng)和冷卻水的快速降溫及響應(yīng)問題。

4? ? 結(jié)論

1）對于Tokamak（托卡馬克）裝置的冷卻水系統(tǒng)，采用開式管路優(yōu)于閉式管路，管路無須定壓，水箱無須承壓，可按照標(biāo)準(zhǔn)圖集[2-3]制作安裝，降低施工難度和投資。

2）對于Tokamak（托卡馬克）裝置的冷卻水系統(tǒng)，采用雙回路即冷源側(cè)冷凍水回路和試驗裝置側(cè)冷卻水回路并設(shè)置相應(yīng)的循環(huán)水泵比采用單回路在設(shè)備初投資和運行方面均具備明顯優(yōu)勢。

本文所述Tokamak（托卡馬克）裝置冷卻水的雙回路設(shè)計方案已建成并順利投入使用，且該技術(shù)已獲得專利授權(quán)，專利號：CN202321031630.6[9]。

[參考文獻]

[1] 王爭利.Tokamak裝置的冷卻水系統(tǒng)設(shè)計研究[J].現(xiàn)代工程科技，2024，3（13）：113-116.

[2] 中國建筑東北設(shè)計研究院有限公司.12S101矩形給水箱[M].北京：中國計劃出版社，2012.

[3] 北京國電華信電力工程有限公司.05R401-3常壓蓄熱水箱[M].北京：中國計劃出版社，2012.

[4] 陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊（上冊）[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[5] 馬最良，姚楊.民用建筑空調(diào)設(shè)計[M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[6] 建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范：GB 55015—2021[S].

[7] 清水離心泵能效限定值及節(jié)能評價值：GB 19762—2007[S].

[8] 中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院.12S108-1倒流防止器選用及安裝[M].北京：中國計劃出版社，2012.

[9] 王爭利，李星，王潔，等.托卡馬克試驗裝置水冷線圈的雙回路冷卻裝置：CN202321031630.6[P].2023-10-20.

作者簡介：李星（1980—），男，陜西西安人，工程師，研究方向：工業(yè)設(shè)備工藝?yán)鋮s。

通信作者：王爭利（1982—），男，陜西西安人，工程師，注冊設(shè)備公用設(shè)備工程師（暖通空調(diào)），研究方向：工業(yè)設(shè)備工藝?yán)鋮s。