ADS注入器Ⅰ液氮系统的设计和建设.pdfVIP

低温部分 ADS注入器I液氮系统的设计和建设 边琳李少鹏葛锐徐妙富张卓孙良瑞 (中国科学院高能物理研究所北京市石景山区玉泉路19号乙院100049) 摘要：加速器驱动的次临界系统(ADS)注入器I液氮系统是ADS注入器I低温系统的子 系统之一，其主要功能是满足氦制冷机的液氮预冷需求以及为ADS注入器I低温系统的各 低温恒温器、低温阀箱、低温传输管线的液氮冷屏提供冷量，实现液氮和氮气工质的供应、 输送、分配、充分换热和安全排放，以保证整个低温系统的正常运行。本文扼要介绍了ADS 注入器I低温液氮系统的设计和建设。 1引言 在中国科学院先导专项的支持下，中国科学院高能物理研究所承担了加速器驱动的次临 界嬗变系统(ADS)质子直线加速器注入器I试验装置研究任务，注入器I的低温系统较为 复杂，既要满足超导质子加速器大型Cryomodule的2K运行，又要满足包括轮辐腔、椭球 腔等多种超导腔型的4K和2K垂直、水平测试需求。 ADS注入器I液氮系统是ADS注入器I低温系统的子系统之一，其主要功能一是满足 氦制冷机的液氮预冷需求，保证氦制冷机的充足制冷能力：二是为ADS注入器I低温系统 的各低温恒温器、低温阀箱、低温传输管线的液氮冷屏提供冷量，降低低温设备在液氦温区 下的热负荷，以保证整个低温系统的正常运行。 2液氮系统设计和计算 液氮系统设计目标是实现液氮和氮气工质的供应、输送、分配、充分换热和安全排放， 因此液氮系统由液氮储罐、汽化器、液氮和常温氮气传输管线、阀门、仪表、传感器、控制 系统、安全泄放装置等组成，并且需要通过流程的合理设计、计算以及设备选型、工艺设计 来达到设计目标。 ADS注入器I低温系统对液氮的需求主要有制冷机液氮预冷需求以及各低温设备和多 通道低温传输线的液氮冷屏的冷量需求。为了降低液氦温区下的热负荷，需要液氮冷屏的低 温设备有：运行的大型低温恒温器及其阀箱、水平测试恒温器及其阀箱、垂直测试杜瓦及其 阀箱以及连接各低温设备的低温多通道传输管线。综合以上需求，取一定余量，液氮传输总 设计流量为409／s，液氮储罐容积为40m3，设计压力为1．6MPa。同时，结合氦制冷机对液 氮工作压力的要求，分别在液氮储罐和低温管线上设置了增压阀和安全泄压阀，保证储罐供 应液氮的压力在0．2．0．4MPaG范围内。 2．1流程设计 根据低温系统对液氮的需求设计了液氮系统流程，流程简图如图1(a)所示，液氮储 罐的两个出口分别接液氮低温管线和液氮的空温汽化器，并且通过一系列阀门实现各项功能， 如图l(b)。低温系统开始降温前，液氮通过空温汽化器汽化为常温氮气后，进入低温传 输管线，吹扫低温系统的全部液氮管线，将管线内的气体置换为氮气。这一点是非常重要的， 否则可能因为管道中残留空气中有水分结冰和导致管线堵塞，也是因为这个原因在排出大气 ￡S 第四届全国粒子加速器真空、低温技术研讨会论文集 端都安装有止逆阀，防止空气进入液氮管线。 液氮经过制冷机液氮预冷的换热器将冷量传给来流的高压氦气，设计出口温度大于 280K，直接通过氮气管道至室外排入大气；超导设备冷屏消耗过后的冷氮气经液氮低温管 线引出至室外到达100m3／h汽化器，加热至常温后排入大气。 (a) (b) 图l(a)液氮系统流程简图(b)液氮储罐出口流程 2．2工程设计 氮系统工程设计步骤如下： (1)首先根据需求量计算得出所需储罐容量和设计压力： (2)根据需求的流量、设计流速(液氮选取1．2m／s，氮气选取12m／s)和设计压力初步确 定各段传输管线的内径： (3)根据初步确定的内径选取标准管径，然后根据布局得知各分 管道的管长、弯头数量、高度等参数： (4)根据管道参数，结合各个管道内流体的温度、 压力、流量等参数计算流动阻力： (5)根据阻力的结果修正管径规格直到符合要求：(6) 计算各个点的状态参数； (7)根据状态参数计算结果选取合适的阀门。 工程设计过程中传输线流程计算是一个主要的部分，它是确定管径和管件选型的重要 依据。液氮是属于超低温液体，液氮的流动和传输过程是伴随着比较复杂的相变过程的气液 两相流，主要是压力的变化，温度变化不大。因此传输线流程计算的关键是压力降