（制冷及低温工程专业论文）bepcⅡ低温系统两制冷机房odh安全性分析.pdf

竺垒堡三些尘兰三兰堡圭兰堡篓兰 摘要 北京正负电子对撞机重大改造项目( b e p c i i ) 低温系统工作流体为惰性工 质氦和氮。如果低温或常温工质泄漏到房间中，会稀疏房问中氧气体积浓 度，当氧气浓度低于一定的值，将会使其中工作人员窒息甚至死亡。低温液 氦或液氮气化到室温后体积将膨胀7 0 0 倍( l n 2 ) 或7 8 0 倍( l h e ) ，若对泄漏到 密闭或通风不良房间中的低温气体不加控制，就容易引起氧气缺乏事故 ( 0 d h ) 。 本文针对b e p c i i 低温系统中两制冷机房进行了o d h 安全性问题有关 数值分析，对于b e p c i i 低温系统安全运行具有重要意义。 本文针对用于超导设备的低温系统分析了国内外在o d h 安全性研究方 面的现状和不足，介绍了o d h 安全性分析基础和b e p c h 低温系统两制冷 机房内设备和管道布置状况，并指出和归纳了b e p c i i 低温系统运行过程中 发生低温工质泄漏、引起房间o d h 危险问题的可能性。而后，建立了两制 冷机房真空夹层管道或设备、以及设有安全阀的低温流体管道和容器的低温 工质泄漏率计算模型。采用该模型，计算和分析了两制冷机房的泄漏率。在 此基础上，通过o d h 等级定义方法给出了两制冷机房通风率的确定方法， 并确定了两制冷机房通风率，同时综合考虑到通风机安装位置对房间中氧气 浓度影响，给出了房间中通风机安装位置。最后，本文利用大型数值模拟软 件模拟了第一制冷机房在低温氦气泄漏下，房间中氧气体积浓度和温度随时 间和空间的变化趋势，模拟了常温氦气泄漏下第二制冷机房的氧气浓度随时 问和空间的变化趋势。 关键词b e p c i i ；低温安全；泄漏率：氧气缺乏；数值模拟 哈尔滨_ t 业人学t 学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e c r y o g e n i cs y s t e m f o r b e i j i n g e l e c t r o n p o s i t i o nc o l l i d e r u p g r a d e ( b e p c i i ) u t i l i z e sh e l i u ma n dn i t r o g e na sw o r k i n gm e d i u m p r o v i d e dt h a tt h e c r y o g e n i ch e l i u m o r n i t r o g e nm a yl e a k i n t ot h er o o m ，t h ec o n c e n t r a t i o no f o x y g e nc o u l dd e c r e a s e c r y o g e n i ch e l i u mo rn i t r o g e nc a ne x p a n db yf a c t o r so f 7 0 0 ( l n 2 ) o r7 8 0 ( l h e ) t or o o mt e m p e r a t u r e ，t h eu n c o n t r o l l e dr e l e a s i n gi n t oa n e n c l o s e d s p a c e c a nc a u s ea n o x y g e nd e f i c i e n c yh a z a r d ( o d h ) t h i sp a p e r a n a l y z e st h eo d hs a f e t yo f b e p c i i c r y o g e n i cs y s t e mf o rt w oc o l db o xr o o m sf o r b e p c i i c r y o g e n i cs y s t e m t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h eb a s i ck n o w l e d g eo fo d h s a f e t ya n a l y s i s ，g a v et h e l a y o u to f t w oc o l db o xr o o m sf o rb e p c i i ，a n da n a l y z e dt h e p o s s i b i l i t i e so f h eo r n 2r e l e a s i n gd u r i n gt h eo p e r a t i o no ft h es y s t e m t h en u m e r i c a lm o d e l sf o r r e l e a s i n gr a t e st h r o u g ht h ev a c u u ms a f e t yv a l v e sa n d t h ep i p es a f e t yv a l v e sw e r e f o u n d e d b yu s i n gt h em o d e l s ，t h er e l e a s i n gr a t e so f t h ef a c i l i t i e si nt h et w oc o l d b o xr o o m so fb e p c i lw e r ec a l c u l a t e d a n dt h e nu s i n gt h eo d hc l a s sm e t h o d ， t h ev e n t i l a t i o nr a t e so fe a c hr o o m so fb e p c i lw e r eo b t a i n e d t h ee f f e c t so f i n s t a l l a t i o nh e i g h to nt h ec o n c e n t r a t i o no fo x y g e nw e r ed i s c u s s e d a tl a s t ，t h e t r a n s i e n tc h a n g e so fc o n c e n t r a t i o no f0 2a n dt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n si nt h e f i r s tc o l db o xr o o ma n dt h et r a n s i e n tc h a u g e so fc o n c e n t r a t i o no f0 2i nt h e s e c o n dc o l db o xr o o mw e r es e p a r a t e l ys i m u l a t e db y c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s o f t w a r e k e y w o r d s b e p c i i ； c r y o g e n i cs a f e t y ； r e l e a s i n gr a t e ； o d h n r i m e r i c a ls i m u l a t i o n 哈尔滨t 业大学工学硕上学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 自1 9 1 1 年昂斯( o n n e s ) 发现水银在液氦温区时电阻为零现象以来，从 上世纪7 0 年代，世界上许多高能物理研究所以及大学实验室都开始着手研 究超导技术的应用| 1 1 。目时美国的布尔海文国家实验室( b n l ) 、费米实验 室，欧共体强子对撞机( l h c ) ，日本k e k 国家实验室和德国汉堡国家实验 室( d e s y ) 都应用了大型低温超导技术于商能粒子物理研究【1 。我国上世纪 6 0 年代开始低温超导研究工作，1 9 8 6 年科健公司开始研究核磁成像超导磁 体并应用 2 i 。中国科学院合肥等离子体物理研究所已经建设托卡马克实验装 置和正在建设托卡马克的升级装置采用低温超导系统，同时正在建设的北京 正负电子对撞机重大改造项目( b e p c i i ) 和上海同步辐射光源( s s r f ) 也采用低 温超导技术。 从1 9 8 6 年发现高温超导体( h t s ) ，科学家对这种非理想第二类超导体 进行了大量的理论与实验研究i ，因为第二类超导体存在幅界磁场，为了实 现材料超导，须让材料温度低于临界温度，即在液氦温区，这样就得为超导 系统建立复杂的氦低温系统。由于实现氦的液化条件苛刻，维持超导低温系 统是一个复杂的系统。 低温系统会带来一系列安全问题卜“5 ，如：1 ) 低温容器或低温管道破 裂，引起的低温工质外泄，泄漏的惰性气体稀释空气中含氧量，特别是低温 系统中所用到的氦气和氮气是无色无味的，在未及时通风换气时，容易造成 工作人员窒息；2 ) 材料选择不当，在低温下产生材料塑性变形甚至断裂，或 者低温流体泄漏到设备绝热真空夹层中，引起室温部分材料由于剧烈热应力 而损坏；3 ) 绝热不好或者其他原因易造成接触时冻伤，或者低温系统由于事 故，可能会使设备表面温度低于8 0 k 造成空气中氧气液化；4 ) 泄漏易燃易 爆气体，易造成人员伤亡和设备损坏。 液氦汽化到室温时候体积将膨胀约7 8 0 倍，液氮汽化到室温体积将膨胀 约7 0 0 倍。排放到密闭空间时会稀疏空气中含氧量，当空气中氧气浓度降到 一定值时，容易造成氧气缺乏事故( o x y g e nd e f i c i e n c yh a z a r d ，o d h ) 。英国 低温协会出版的文献【7 i 中将密闭空间中氧气体积浓度根据人员在内部不同的 反应分为6 级：1 ) 当房间中氧气体积浓度在1 9 一1 5 时，人的反应速度明 显减慢；2 ) 当氧气浓度在1 5 1 2 时，使人呼吸紧迫，脉搏加快，动作不 协调；3 ) 当氧气浓度在1 2 一1 0 时，使人眩晕，判断力丧失，嘴唇发蓝；4 1 当氧气浓度在1 0 8 时，使人恶心，想呕吐，无意识；5 ) 当氧气浓度在 8 6 时，如果人在里面呆上4 _ 8 分钟，脑部受损，8 分钟就会死亡；6 1 当 氧气浓度在低于6 时，人在里面4 0 秒就会昏迷，停止呼吸，接着死亡。 美国则是以房间中氧气体积浓度1 9 5 为界限，当氧气浓度大于1 9 5 则认 为是安全的，低于此值是危险的，低于8 8 达到最危险程度f 8 】。 对应于密闭空间中可能发生的缺氧情形，须采取相应的安全保护措施。 当低温流体泄漏时，在泄漏点附近能听到嗤嗤声音，同时在泄漏点附近会有 白雾出现。当工作人员注意到以上现象或者氧气浓度低报警警报时，应立刻 从最近通道撤出。如果工作人员由于特殊需要进入到里面工作，需手持氧气 浓度监视仪和携带氧气瓶，同时通过一定的设施与外界相连，随时与在安全 区域人员保持联系，以便保证他们安全性。 在设计低温设备时候，即使是在常温下使用，也得考虑在低温下材料物 性变化，如材料将由塑性脆性转变等，以防止材料由于热应力而造成的损 害。综上所述，我们必须对低温系统的设计和运行需要进行安全性分析，确 保低温系统安全可靠运行。 1 2 国内外低温系统安全性研究现状 1 2 1 国外研究现状 1 2 1 1 结构设计方面安全性研究现状 低温系统中设备工作于低温环境或者在发生低温流体泄漏时处于低温环 境，在设计低温系统时，设计者应充分考虑到装嚣在经历冷热循环时对热应 力承受能力。美国劳伦斯伯克力国家实验室( l a w r e n c eb e r k e l e y l a b o r a t o r y ) m a g r e e n l 5 1 在对g - 2 螺线管磁体低温系统和磁体报告中指出低温 情况下可能出现的危险事故，以及低温材料选择问题，并且利用集中参数 法，针对2 2 磁体中特殊外壳结构分析在真空被破坏时候磁体壳体中温度变 化，真空破坏时候漏热量的计算。布尔海文实验室的l x j i a ”1 针对g 一2 超 导磁铁中心外壳结构，模拟其真空破坏情况f ，导致低温设备螺线管磁体外 坠玺鎏三些查耋三兰堡圭兰些丝耋。 轴壳温度变化，外壳的应力变化和位移量大小。美国麻省理工p e t e r h t i t u s 1 用有限元软件a n s y s 模拟m e c o 磁体失超事故结束时，腔的轴、 外壳、支撑、氦冷却层、接头的应力分布，温度的分布，以及位移量是否在 允许的范围之内。 低温管线是否能够承受正常冷却、升温状态下以及低温工质泄漏状况下 部件对热应力承受能力，主要是低温管道要具有足够的柔性，能够补偿由于 冷缩而引起的应力，同时在支撑的方面除了对管道固定以外，还得考虑热应 力方面因素。美国塑性管道研究所( p l a s t i c sp i p ei n s t i t u t e ) i ” 提出通过合理布 线，难确的选用补偿器和合理加支撑，尽量减少热应力。避免在事故下低温 管道及其他部件受破坏，引起因低温液体泄漏，破坏了真空，使真空外层由 于温度急剧降低而引起的应力集中，可能造成的破坏。 1 2 1 2o d h 安全性研究现状 由于低温系统大量使用氦气和氮气等惰性气体。密闭房间中如果发生低 温或常温工质泄漏，将可能发生引起氧气缺乏事故( o d h ) 。在进行低温系统 设计和布置时，需要分析o d h 安全等级，并采取相应措施。欧洲粒子物理 研究中，c , , ( c e r n ) 建立大型强子对撞机( l a r g eh a d r o nc o l l i d e r ，l h c ) 系统有 1 6 0 0 个超导磁体和约l o o 吨氦，在建立系统之前就对此低温系统进行了安 全分析来评价低温系统的失效可能对人员、设备和环境造成的影响， m c h o r o w s k i i ” 等人对l h c 低温系统可能的失效模式进行了分析，主要是 分析系统中不同地方的氦的最大泄漏率。m c h o r o w s k i 、g k o n o p k a 。“等 人首先在假设c e r n 环中泄漏的氦气充分均匀混合，同时考虑泄漏氦气温 度低于空气温度，理论上分析环中空气的温度和氧气的含量随泄漏时间变化 的关系。同时还针对1 ：1 3 l h c 环的比例来建造模型，进行泄漏氦气温度为 2 9 0 k 和2 5 k 试验，观察模型环中的氦气浓度的变化。他们还提出氧气浓度 监视仪的安装原则，和事故状况下的人员的疏散原则。 美国布尔海文实验室的l x j i a 和l w a n g 【l 剐假设气体在密闭空间均匀 混合，从外面进入密闭空间的气体只是空气，同时密闭空间压力为大气压， 进而得到空间的含氧量在不同的氦气泄漏率和通风率下随着时问的变化趋 势。 费米实验室的c r a i g d r e n n a n | 【等人假设气体是均匀混合，不考虑泄漏 氦气与空气温度差情况下，分析在短暂泄漏，连续泄漏，并且不同的泄漏率 情况下，理论上分析了空问的氧气浓度变化。费米实验室的w m s o y a r s 和 j l s c h i l l e r j 20 分析实验装置t e v a t r o n 隧道中氧气浓度在氦气泄漏的情况 下，从理论上按照空气和氦气严格分层，即氦气在管道的上部流动和空气在 氦气下部流动，不考虑它们之问扩散和混合，利用一维稳态模型来预测无量 纲参数f r - - v ( g h ) o5 = 1 时矩形和半圆形管道中的氦气占据管道的横截面大 小。同时按照1 ；1 2 的t e v a t r o n 加速器隧道并以半圆柱模型模拟。从上面 的分析可知，理论上对密闭空间的氧气浓度分析建立在均匀混合假设上，计 算空间中氧气浓度动态变化，而对于隧道有个自由出口则假设气体之间完全 不混合，计算在稳态时空间的氧气浓度分布。由于他们建模时，在密闭空 间中没有考虑得到氦气与空气扩散和以及泄漏气体由于具有入口速度而混合 现象。而实验所得到的结果到因为是在其特定模型中得到，如果扩展到不同 空间特别是内部布置不同时，观测结果就会有较大差距，而且试验的需要场 地，较多的资会和时间长。数值模拟由于不需实验设备，而且满足工程需 求，开始越来越受到人们的重视。 欧洲c e r n 的m a r c v a d o n t ”。3 3 等人利用有限容积软件s t a r c d 模拟 l h c 中建在地下1 0 0 m 的a t l a s 磁体，该系统包含有4 5 m 3 的氩气，坐落 在2 5 0m 3 密闭空间，磁体是由液氩来冷却。他们建立二维的模型，假设壁 面是绝热的，用高雷诺数r n g 模型来模拟在1 8 l s 和4 l s 的液态氩气泄漏 时，a t l a s 所在地下空间的氩气浓度随时间的变化。由于此系统中设有地 沟，根据模拟的结果，可知在小泄漏的情况下，它可以缓冲泄漏工质对空间 的影响。 1 2 2 国内研究现状 1 2 2 1 结构设计方面安全性研究现状 中国科学院合肥等离子体物理研究所有两台俄制o r g 氦制冷机 ( 5 0 0 w 4 5 k ) 对c i c c 纵场线圈用( o 1 3 5 o 1 4 ) m p a ，1 2 9 s 超临界氦流冷 却。他们在等离子体真空室的支撑上做了大量的研究，其支撑是连接低温超 导磁体和常温的部件，由于其特殊真空室支撑结构在设计时必须考虑两方面 因素，一方面要求它必须能够抵抗由于2 5 0 烘烤所产生的1 0m m 的径向热变 形；另一方面要求它还能够满足装置在等离子体突然破裂和垂直位移事件发 生等危险工况下运行的强度、刚度。宋云涛 2 4 , 2 5 1 等人用有限元软件a n s y s 模 拟真空支撑部件的应力和温度的分布，并用实验验证实际设计的合理性。 竺尘鋈三些奎耋三耋堡圭兰篁丝兰 1 2 2 2o d h 安全性研究现状 国内在o d h 方面研究还没有公开报告。但是国内发生过氩气泄漏造成 死亡事故以及对事故进行了实验分析1 1 6 l 。同时数值模拟方面，在分析密闭空 间中比空气轻的工质泄漏和其浓度分布做了很多工作，如中国科技大学的姜 羲对核动力反应壳内发生氢气泄漏进行了数值模拟”| 。 1 3b e p c i i 低温系统存在的安全性问题 b e p c i i 采用双环交叉对撞技术，即在现有的基础上增加一个储存环， 并且采用三种超导设备，即一个超导螺线管磁铁( s s m ) 、一对超导插入四极 磁铁( s c q ) 及一对超导加速腔( s r f ) ，从而实现电子对撞的亮度提高2 个数 量级的改造目标。这三种超导设备j 下常运行均需要在液氦温区的低温环境， 为此需要建立一个总制冷能力1 k w 4 5 k 的低温系统，由两台5 0 0 w 4 5 k 的 制冷机组成的。整个低温系统主要包含有：氦气贮存、回收和净化系统，包 括中低压氦气贮罐、纯化器、过滤器、常温管线：氦制冷机系统，包括氦气 压缩机、冷箱等；低温工质分配和输送系统，包括低温控制阀箱、低温传输 管线等；低温液体贮存系统，包括液氦杜瓦和液氮贮罐等。这些设备工作介 质是低温或常温惰性工质氮气和氦气，甚至是低温液体【2 。 北京b e p c i i 低温系统包括一套用于冷却超导螺线管磁铁s s m 和超导 插入四极磁铁s c q 的5 0 0 w 4 5 k 系统及一套用于冷却一对超导加速腔s r f 的5 0 0 w 4 5 k 系统，两个s r f 腔是用1 2 b a r 的饱和液氦来冷却，每个超导 腔低温恒温器正常工况下大约有3 0 0 l 的液氦，其液氦流量分别为7 4 0 6 9 s 和6 9 8 3 9 s 。两个s c q 磁体是用2 7 b a r 的超临界氦来冷却。s s m 磁体采用 1 ，2 5 b a r 气液两相氦来冷却。三种超导设备的低温恒温器和氦低温传输管线 均设有液氮防辐射冷屏来减少由室温到4 5 k 的漏热，液氮流量最大不超过 4 9 s 。 传输管线采用真空绝热和冷屏隔热结构，包括单通道传输线和多通道传 输线。多通道传输线通常是有两条氦管( 液氦供给和回收管) 和两条液氮管 ( 供给和回收) 组成。低温控制阀箱是用来调节和分配氦流和氮流，包含复杂 的低温流体管道。 b e p c i i 低温设备主要安装于第一对撞厅和第二对撞厅制冷机房内。第 一对撞厅制冷机房布置有一台5 0 0 w 4 5 k 的制冷机冷箱、1 0 0 0 l 液氦杜 哈尔滨工业大学工学硕上学位论文 瓦、低温分配阀箱和低温传输管线等设备。第二对撞厅制冷机房安装有一台 5 0 0 w 4 5 k 的制冷机冷箱、2 0 0 0 l 杜瓦、低温分配阀箱和低温传输管线等设 各。 b e p c i i 低温系统正常运行时约含有5 0 0 k g 的氦，同时每天还要消耗约 5 - 6 m 3 的液氮，系统中既含有低温液体，同时还有高压常温和常压低温的气 体。这就对低温系统设计的安全性提出了严格的要求。 所以，在低温设备如阀箱和管道设计时，应充分考虑系统降温、升温以 及各种原因经历冷热应力的承受能力。同时，应对b e p c i i 低温设备所在的 密闭空间进行o d h 安全性分析，并采取相应措旌，防止出现人身伤害等事 故。 1 4 本文主要研究内容 本课题来源于中国科学院高能物理研究所北京f 负电子对撞机重大改造 项目( b e p c i i ) 氐温系统设计与制造。本文针对b e p c i i 低温系统两制冷机 房，进行0 d h 安全性分析，具体内容如下： 1 4 1 两制冷机房中工质泄漏率计算 针对管道或设备因具有真空夹层而带有真空安全阀，建立了工质通过低 温管道或设备真空安全阀和管道安全阀排放的泄漏率计算模型。采用该模 型，详细计算和分析了两制冷机房中真空安全阀和管道安全阀的泄漏率。该 模型可用于低温系统中同类设备的工质泄漏率确定。 1 4 2 两制冷机房的通风率确定与o d h 等级计算 给出了两制冷机房通风率的确定原则，并采用s t a nd a n g u s t y n o w i c z 弘j 的概率统计方法计算各房间的通风率。同时选定通风机，并确定了通风机安 装高度。 1 4 3 两制冷机房氧气浓度和温度瞬态变化过程数值模拟 对于两制冷机房在氦气泄漏情形下，利用大型数值流动和传热模拟软件 包建立了氧气浓度和温度对时间和空间分布的数值模型，给出了第一制冷机 房在低温氦气泄漏下，房间中氧气浓度和温度随时间和空间分布和变化规 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 律；得到了第- n 冷机方在常温氦气泄漏下，房间中氧气浓度随时问和空问 分布和变化规律。为预防o d h 事故，采取安全措施提供理论依据。 哈尔滨工业大学工学硕十学位论文 2 1o d h 等级 第2 章o d h 安全性分析基础 当环境空间是密闭的或者通风不良，泄漏的氦气或氮气将会稀疏空气中 的氧气，容易造成空气中的氧气缺乏事件，即通常所说的o d h 现象 ( o x y g e nd e f i c i e n c yh a z a r d ) 。工作人员在不知道的情况下进入这个区域，当 氧气浓度低于1 9 一1 5 时，对人生会造成伤害l7 l 。空间中发生o d h 具有随 机性和不确定性。概率加权评估法是对o d h 的随机性因素进行概率统计而 得到由于气体泄漏对房间中氧气浓度影响大小的办法| 2 9 1 。为了便于区分氧 气缺乏程度，国际上通常将o d h 分为4 级阳j ，o d h 级别是由氧气缺乏度西 来表示的，它们对应关系如表2 1 。 表2 - 1o d h 等级定义 t a b l e2 1o d hc l a s s o d h 等级 氧气缺乏度西( 1 h ) o西 l o 。7 11 0 7 d 1 0 。 2 1 0 ( 毋 1 0 3 31 0 一 西 1 0 。 氧气缺乏度西可以用下面式子表示 式中第i 种低温系统构成设备或部件数量： 只一一第i 种设备或部件失效概率，l h ： f 失效系数a 对于b e p c i i 低温系统部件失效概率参照文献8 中数据，见表2 2 。 ( 2 - 1 ) 哈尔滨工业丈学工学硕士学位论文 2 1 1 失效系数 表2 2 制冷机房中主要部件失效概率 t a b l e2 - 2p r o b a b i l i t yo f f a t a l i t yi nc o l db o x r o o m 部件失效概率 低温接管 1 5 e 0 6 焊缝3 0 e 0 9 管道 1 o e 0 9 阀fj 1 0 e 0 6 杜瓦1 o e 0 9 式( 2 1 ) 中的失效系数f 是根据房问中氧气体积浓度确定的，根据美国费 米实验室和布尔海文国家实验室公布有关资料58 1 ，其定义如下： 1 当房问中氧气浓度c o 1 8 时，取失效系数f = i e 一7 ； 2 当氧气浓度c 0 0 8 8 时，因工作人员会在一分钟内失去知觉，取 f = l ： 3 在这两个极限之间，用指数函数来表示。得到失效系数具体表达 式： f = e 1 5 4 1 7 1 7 51 9 7 c ( 2 2 ) 它们之间关系可用图2 1 来表示。 氧气浓度( ) 图2 - 1 失效系数与氧气浓度关系 f i 9 2 1f a t a l i t yf a c t o rv s c o n c e n t r a t i o no f o x y g e n 2 1 2 氧气体积浓度估算方法 由式( 2 2 ) 可看出，氧气体积浓度是计算失效系数的前提。密闭空间中 发生气体泄漏时，泄漏到空气中的气体以扩散形式与空气混合，随着气体泄 漏率的改变，氧气浓度随时间和空间变化。如果考虑到低温流体的泄漏，则 密闭空间中氧气浓度的确定将是一个复杂的传热、流动和传质过程。以下给 出计算密闭空间中氧气浓度的计算方法：基于房闯中泄漏气体和原来气体迅 速完全混合、泄漏率和通风机通风率是定值、房间中压力保持不变、通入房 间中空气含有2 1 氧气的假设，对于以下两种不同状况列出其微分方程和边 界条件，得到房间平均氧气体积浓度与泄漏率、通风机通风率以及时间的关 系式。 状况1 ：当p r 时，如图2 - 2 a 所示 矿半= ( q r ) e ，- q c( 2 - 3 ) 月= c 。，”f ，c 。) = c 。，( 1 一虿r ) + c l 。一c 。( 1 一言) e 1 罟h ( 2 4 ) i ；m 等号脚，) 步叭s f s ， a 1 q r b ) q r 图2 - 2 空间氧气浓度计算示意图 f i g2 - 2s c h e m a t i c s t oc a l c u l a t et h ev o l u m ec o n c e n t r a t i o no fo x y g e n 状况2 ：当q r 时，如图2 - 2 一b 所示 v d c ：一( r q ) c q c ：一r c ( 2 6 ) 口f r r = c 。终s f ，c ( r ) = c l ，：。e 一f 7 ( 2 - 7 ) 哈尔滨工业犬学工学硕十学位论立 r ：r ( ) ，c 一) ：疗“。p 一；扛( r ) 打( 2 8 ) 式中c 房间中氧气体积浓度； c 。一一空气中氧气浓度，2 1 ： v 一一房间容积，i n 3 ； q 一一房间中风扇通风率，1 t 1 3 s r 气体泄漏率，m 3 s ； f 时间，s 。 状态3 ：在r = f 。时刻，若停止向房间中泄漏气体，此时空问中氧气浓 度为c ( r 。) ，对于密闭空间中列出其微分方程： v d c ( r ) ：c a 。q q c ( f ) ( 2 - 9 ) “t c ( f ) ：巴，一p 。，一c ( t ) p ( 2 一l o ) 对于状态1 ，当时间f = 0 0 时，房间中氧气体积浓度将会达到最低值， 为： c l ：0 2 1 旦 ( 2 1 1 ) 一 型+ r 对于低温液体容器，发生突然破裂情况下，假设氦气迅速与空气混合， 房间中氧气体积浓度计算式为： c i ：o 2 1 1 坚( 2 - 1 2 ) 一 v 其中：为低温液体容器破裂时杜瓦中液态和气态氦气在常温常压下体 积，m 3 。 2 1 3 影响o d h 等级关键因素 由式( 2 一1 ) 可知，影响o d h 等级的因素为设备的失效概率和失效系数。 由于设备的失效概率是通过大量实验数据，然后通过统计得到的，各个部件 失效概率是一定的。则o d h 等级主要是由失效系数来决定，由式( 2 2 ) 可 知，失效系数是由房间氧气浓度决定，而房间中氧气浓度与气体泄漏率和房 间通风率密切相关。所以确定房间中o d h 等级，关键是确定房间通风设备 的通风率和气体泄漏率。本文即对一定条件下确定气体泄漏率和通风设备通 风率展开研究。 2 2b e p c i i 两制冷机房存在的o d h 问题 2 2 1b e p c i i 第一制冷机房存在的o d h 问题 2 2 1 1b e p c i i 第一制冷机房概况 2 个s c q 磁体和1 个s s m 探测器磁体共用第一制冷机房中1 0 0 0 l 杜瓦 和杜瓦阀箱。低温阀箱布置在杜瓦上方，由杜瓦壁上的4 根“工”字钢条支 撑重量。图2 - 3 给出第- n 冷机房低温系统局部流程图。从制冷机冷箱出来 的超临界氦压力为2 ：7 b a r ，温度为5 2 k ，流量约为3 6 0 6 9 s 。超临界氦经过 浸泡在杜瓦液氦里的过冷器后，温度降低到4 6 2 k ，在阀箱中被分流冷却不 同磁体。从s s m 磁体返回的两相氦直接回到杜瓦，从s c q 返回的超临界氦 进一步节流变成两相氦进入杜瓦。冷却磁体恒温器和多通道管线防辐射屏的 液氮也在阀箱内控制与分配。考虑到超导磁体降温，设有来自制冷机冷箱的 图2 - 3b e p c i i 第一制冷机房局部流程图 f i g2 - 3l o c a lf l o ws h e e to fb e p c i it h ef i r s tc o l db o xr o o m 一 堕垒鎏三些查兰老耋堡圭兰竺鎏兰 8 0 k 氦气供应和回收氦气管线。阀箱中还设置了从杜瓦抽取液氦的管路用来 为外界提供适量液氦。为防止低温阀错误关闭或在特殊情况下关闭而使被封 闭的液氦蒸发导致管路超压而发生安全事故，每2 个控制阀间安装1 个安全 阀”“”o 。第一制冷机房中的阀箱、冷箱和杜瓦布置图见图2 4 。 图2 - 4b e p c i i 第一制冷机房立体布置图 f i g2 - 4l a y o u to ft h eb e p c i lt h ef i r s tc o l db o xr o o m 2 2 1 2b e p c i i 第一制冷机房中可能引起o d h 因素 第一制冷机房中含有连接冷箱与压缩机之间的低压和高压管道，如果它 们压力超值，管道的安全阀就会启动。冷箱与阀箱之问，杜瓦与阀箱之间的 单通道低温流体管道；阀箱与超导磁体之间的多通道低温流体管道，所有单 通道和多通道采用真空夹层绝热形式的形式，它们都设置真空安全阀。阀箱 内布置有复杂管道，位于两低温阀门之间的管线设置了管道安全阀，防止在 意外情况下，低温管道两端阀门关闭形成密闭空间，在外面漏热情况下，当 内部压力达到管道安全阀起跳压力，就开始向外部泄漏工质。冷箱上布置真 空安全阀，防止冷箱内部部件或管道发生破裂泄漏，使冷箱内压力升高。冷 箱中的膨胀机入口有一个管道安全阀，连接压缩机和冷箱之间的高低压管线 各有一个安全阀。第一制冷机房中各安全阀设置和尺寸如表2 3 。第一制冷 机房中杜瓦上有三级保护措施，两级泄压阀和一个爆破膜。当1 0 0 0 l 杜瓦中 ：= = = = ：= ：一= ：= ：堕堑堡三兰奎兰三茎堡皇茎! 鍪圣= ：= = ：! ! ：= ：一= ! ： 压力超过2 0 6 b a r a ，一级安全阀起跳：超过2 4 l b a r a ，二级安全阀起跳 超过3 b a r a ，爆破膜启动向外排泄氦气。 表2 - 3 第一制冷机房各安全阀位置和尺寸 f i g2 - 3r e l i e fv a l v ei nt h ef i r s tc o l db o xr o o m 序号位置说明口径 起跳压连接管道参数 力 l 单通道低温流体真空安全阀 1 2 7 m m1 1 b a r a 1 2 b a r a 4 4 k 管线 2 单通道低温流体真空安全阀 1 2 7 m mi ，1 b a r a 8 0 k 预冷氦回 管线 3 单通道低温流体具芏文芏恻 1 2 7 m m1 1 b a r a 8 0 k 预冷氦去 管线 4 单通道低温流体真空安全阀 1 2 7 m m1 1 b a r a 2 7 b a r a ，4 9 k 管线 5 多通道低温流体真空安全润 2 5 4 m m1 1 b a r a 管线 6 多通道低温流体真空安全阀 2 5 4 m m1 1 b a r a 管线 7 低温流体管线具芏文全嘲 2 5 4 r a m1 1 b a r a 8 低温流体管线管道安全阀 1 0 m m5 b a r a 8 0 k 预冷氦去 9 低温流体管线管道安全阀 1 0 m m5 b a r a 8 0 k 预冷氯回 l o 低温流体管线管道安全阀 1 0 m m5 b a r ai 2 b a r a 。4 4 k 1 1 低温流体管线 管道安全阀 1 0 m m5 b a r a 液氨去 1 2 低温流体管线 管道安全阀 1 0 m m5 b a m 2 6 5 b a r a ，4 5 k 1 3 低温流体管线管道安全阀 1 0 m m 5 b a r a 液氨去 1 4 低温流体管线 管道安全阀 1 0 m m5 b a r a 2 6 5 b a r a ，4 5 k 1 5 低温流体管线管道安全阀 1 0 m m5 b a r a 2 6 5 b a r a ，4 ，5 k 1 6 低温流体管线 管道安全阀 1 0 m m5 b a r a 预冷氦回 堕玺鎏三些查兰三兰堡圭耋堡篁塞 2 2 2b e p c i i 第二制冷机房存在的o d h 问题 2 2 2 1b e p c i i 第二制冷机房概况 超导谐频加速腔( s r f ) 用来加速正负电子，它由纯铌制成，浸泡在液氦 恒温器中，恒温器工作压力1 2 1 2 5 b a r ，对应的超导腔工作温度为 4 4 k - 4 4 5 ka 低温恒温器防辐射屏是由液氮冷却。b e p ci i2 个在线s r f 加 箱 幽2 5b e p c i i 第二制冷机房局部流程例 f i 9 3 2l o c a lf l o ws h e e to fb e p c i it h es e c o l l dc o l db o xr o o m 速腔和1 个离线测试s r f 加速腔布置在第2 对撞厅，共用1 个2 0 0 0 l 杜瓦 和杜瓦阀箱局部流程图如图2 - 5 。正常运行时，从制冷机冷箱出来的两相 氦压力为1 2 3 b a r ，温度4 4 1 k ，质量流量为2 3 4 9 s 。进入杜瓦内进行气液 分离，阀箱控制不同超导腔的液氦流量。s r f 加速腔降温或升温时，1 对 8 0 k 氦气进出管路用来将超导腔冷却到8 0 k 左右。两个低温氦气返回接头 使从磁体返回的低温氦气可以经过杜瓦缓冲或者直接回到制冷机冷箱。1 条 旁通回路可以使磁体失超时气体直接返回到主压缩机进口。进出液氮管路也 在阀箱内分配与控制。阀箱到磁体先用包含4 根氦管和4 根氮管的多通道传 输管线连接。低温阀箱用来控制、分配低温工质，使每个s r f 加速腔可以 独立被冷却或升温而不影响其它s r f 腔的工况1 3 0 。图2 - 6 给出了第二制 冷机房冷箱、s r f 阀箱和杜瓦布置图。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图2 - 6b e p c i i 第二制冷机房立体布置图 f i g2 - 6l a y o u to ft h eb e p c i it h es e c o n dc o l db o xr o o m 2 2 1 2b e p c i i 第二制冷机房中可能引起o d h 因素 第二制冷机房中含有连接冷箱与压缩机之问的低压和高压管线，如果它 们压力超值，管道的安全阀就会启动。冷箱与阀箱之间，杜瓦与阀箱之间的 单通道低温流体管线；阀箱与超导磁体之间的多通道低温流体管线。所有单 通道和多通道采用真空夹层绝热形式的形式，它们都设置真空安全阀。阀箱 内布置有复杂管线，位于两低温阀门之间的管线设置了管道安全阀，防止在 意外情况下，低温管线两端阀门关闭形成密闭空问，在外面漏热情况下，当 内部压力达到管道安全阀起跳压力，就开始向外部泄漏工质。冷箱上面布置 真空安全阀，防止冷箱中部件或管道发生泄漏，冷箱内真空压力升高。冷箱 中的膨胀机入口有一个管道安全阀，连接压缩机和冷箱之间的高低压管线各 有一个安全阀。第二制冷机房巾各安全阀设置和尺寸如表2 4 。杜瓦上有三 级保护措旌，两级泄压阀和一个爆破膜。当2 0 0 0 l 杜瓦中压力超过 3 1 b a r a ，一级安全阀起跳；超过3 4 5 b a r a ，二级安全阀起跳；超过 4 b a r a ，爆破膜启动向外泄漏氦气。 1 6 坚玺鋈三些查兰三兰堡三兰堡篁圣 表2 - 4 第二制冷机房各安全阀位置和尺寸 f i g2 - 4r e l i e f v a l v ei nt h es e c o n dc o l db o x r o o m 序位置 说明 口径起跳压连接管道流体工 号 力作参数 1 单通道流体管线具- 仝耍全恻 1 2 7 m m1 1 b a r a 1 2 b a r a ，4 4 k 2 单通道流体管线真空安全阀 1 2 7 m m1 i b a r a 8 0 k 预冷氦去 3 单通道流体管线具芏文茔嘲 1 2 7 m m1 1 b a r a 1 2 b a r a 4 4 k 4 单通道流体管线具芏芟芏恻 1 2 7 m m1 1 b a r a 1 2 b a r a ，4 4 k x = o 8 5 多通道流体管线具芏女芏嘲 1 2 7 m m1 1 b a r a 预冷氦回 6 多通道流体管线具_ 仝芟全i c j j | 2 5 4 m m1 1 b a r a 7 低温流体管线真空安全阀 2 5 4 m m1 1 b a r a 8 低温流体管线管道安全阀 1 0 r a m5 b a r a 气氮回 9 低温流体管线管道安全阀 1 0 r a m5 b a r a1 2 b a r a ，45 k l o 低温流体管线管道安全阀 1 0 m m5 b a r a1 2 b a r a ，45 k 1 1 低温流体管线管道安全阀 1 0 m m5 b a r a 1 2 b a r a ， 4 5 k ，x = 0 9 3 1 2 低温流体管线管道安全阀 1 0 m m5 b a r a 1 2 b a r n 4 5 k 1 3 低温流体管线管道安全阀 1 0 m m5 b a r a 1 2 b a r n 4 5 k 1 4 低温流体管线官坦殳芏闵 1 0 r a m5 b a r a 气氯回 1 5 低温流体管线管道安全阀 1 0 m m5 b a r a 气氮回 1 6低温流体管线管道安全阀1 0 m m 5 b a r a 8 0 k 预冷氦去 1 7 低温流体管线管道安全阀 1 0 m m5 b a r a 1 2 b a r a 气氮 1 8 低温流体管线管道安全阀 1 0 m m5 b a r a12 3 b a r a ， 4 4 k ，x = 0 8 1 9 低温流体管线管道安全阀 1 0 m m5 b a r a 8 0 k 预冷氦去 2 3 本章小结 本章介绍了o d h 安全性定义，分析并确定了o d h 等级的主要因素。 给出了房间中氧气浓度随时间变化集中参数模型，和o d h 等级计算模型。 哈尔滨工业大学工学硕十学位论文 给出了b e p c i i 低温系统两制冷机房布置状况，分析了制冷机房中发生工质 泄漏，造成o d h 安全的可能性，是以下章节进行o d h 安全性分析基础。 第3 章低温工质泄漏率数值计算 针对本文第二章分析的b e p c i i 低温系统两制冷机房造成o d h 安全问 题的主要可能性：系统内工质可通过低温设备或低温真空夹层管道的真空安 全阀和低温流体管道安全阀泄漏到房间中。本章进行了低温工质泄漏率的数 值模型建立和计算，为通风设备通风率确定和o d h 等级计算奠定基础。 3 1 通过真空安全阀工质泄漏率计算 3 1 1 通过真空安全阀泄漏率计算模型 泄放工质在安全阀内流动可按照绝热且无摩擦损失进行简化处理，亦即 泄放工质在安全阀内流动时，所降低的压力能均转化为其本身的动能，对于 绝热介质1 3 3 , 3 4 ： f 2 d ( h + 二+ p e ) = 0 ( 3 - 1 ) z 式中工质焓值，j k g ： | p _ e 一一工质位能，j k g 。 由于工质在安全阀内流动很短，忽略流动过程工质的位能变化，不计安 全阀入口速度，由式( 3 1 ) 可得安全阀出口的速度： “。= 4 2 ( h i h 。) ( 3 - 2 ) 式中h i 一一工质进口焓值，j k g ； 。一一工质出口焓值，j k g ；