35-110kV高温超导电缆终端低温恒温器热负荷分析

高温超导电缆终端是运行在低温的超导电缆芯向常温的高压母线过渡和制冷剂进出口的汇集组件,为了获得有效的超导电缆运行的低温环境,设计了一套电缆与终端可拆卸的恒温器,系统采用过冷液氮循环,液氮既是冷却介质,又是高电压绝缘介质。通过传热理论对恒温器的热负荷进行了计算,得到了用于35-110kV电压等级、额定电流交流2 000A的高温超导电缆低温恒温器主要漏热,尤其对终端交流电流引线进行了优化计算。计算结果表明,在现有设计结构下,恒温器的漏热量小于300W;从热负荷分布分析,电流引线漏热为主要漏热,支撑及传输管线的传导漏热占系统总漏热的22%左右。计算结果为该高温超导电缆终端低温系统的设计和进一步优化提供了依据。

BEPCⅡ SSM超导磁体降温和升温过程数值研究

从SSM超导磁体低温系统的设计和磁体安全运行角度考虑该磁体降温和升温过程,提出了SSM磁体降温和升温过程的数值计算模型.将磁体处理成二维模型,采用有限体积法离散磁体能量方程,将低温系统中的氦管道和阀门处理成一维模型,方程采用有限差分法离散.考察了氦流进出磁体温度、压力以及磁体上最高、最低温度和最大温差的非稳态变化过程,并详细分析了产生该过程的内部机理.对SSM磁体及其低温系统在非稳态情况下安全运行有一定指导作用.

MICE超导耦合磁体分段内保护仿真研究

超导磁体失超过程中会产生过大内电压和局部温升,这有可能对磁体造成破坏。对超导磁体进行分段内保护是降低失超过程中内电压和局部温升的有效办法,但是分段后各段线圈之间相互耦合,使得失超过程分析复杂化。将已有的单段失超传播模型推广到分段保护磁体的失超分析,研发了失超过程仿真算法。应用该算法对M ICE超导耦合磁体在不同分段保护系统下的失超过程进行仿真研究,得到了电流、电压、温度等有关物理量变化曲线。仿真结果表明,通过选择合适的分段数和分段保护电阻,可以控制M ICE超导耦合磁体失超过程中内电压和局部温升在允许范围内。

BEPCII超导螺线管磁体及低温系统热负荷分析

采用三维有限元和有限体积软件对北京正负电子对撞机重大改造项目(BEPCII)超导螺线管磁体(SSM)及低温冷却系统的主要设备进行了热负荷计算及分析.计算结果表明,在现有设计结构下,SSM超导磁体工作温度在4.5 K左右,满足性能要求;磁体及低温系统的总热负荷约120 W,同时还需要0.4 g/s的冷氦流冷却电流引线.从热负荷分布分析,由于磁体结构尺寸大,热辐射漏热为主要漏热;传输管线漏热占系统总漏热的10%左右.计算结果为超导磁体低温系统的设计和进一步优化提供了依据.

μ介子转化电子装置超导磁体低温系统

μ介子转化为电子的试验装置(MECO)将安装在美国布鲁克海文国家实验室的交变磁场梯度同步加速器中。一台4.5K千瓦制冷量的氦制冷设备将为MECO试验中的四个大型的超导螺线管磁体提供冷量,针对MECO中超导磁体的性能特点及要求,主要讨论了该低温系统中每个超导磁体的冷却方法以及相应氦制冷机的流程设计方案。

高温超导电机电枢线圈临界电流密度研究

高温超导线材的临界电流密度受磁场的影响,在设计计算时,通常假设在线圈截面上电流密度是均匀分布的。但是,实际上在线圈截面上,电压是一致的。由于线圈中的磁场不均匀分布,各处的临界电流密度是不同的。采用数值模拟的方法,分析了高温超导线圈截面上的临界电流分布。结果显示,临界电流密度的分布是不均匀的,总的临界电流可比按均匀分布时的计算结果提高25%以上。

HI-13串列加速器QWR超导腔低温系统内氦流量的优化分析

本文针对中国原子能科学研究院HI-13串列加速器升级改造项目中QWR(QuarterWave Resonator)超导腔低温系统进行了分析,模拟优化了超导腔稳定工作状态时所需的最佳氦流质量流量以及允许的波动范围,并考虑了氦流质量流量过小所产生的冷箱末级换热器冷端出口“负温差”和超导腔失超的问题,为实际工程提供一定的理论依据。

低浓度煤层气液化技术及其应用

针对大庆庆深煤层气气源条件,提出采用液化精馏的方法处理含有大量氮氧的低浓度煤层气,生产LNG。定义了适用于低浓度煤层气液化系统的煤层气气源中甲烷摩尔分数为30%～87%;该方法中的净化单元采用MEA溶液化学吸收酸性气体,液化单元采用具有高效率的混合工质制冷剂液化流程,低温部分采用精馏塔脱除氮氧组分提高LNG中甲烷含量;运用大型数值分析软件对液化系统进行了模拟计算与比较分析,分析了混合制冷剂中CH4、C2H6、C4H10及N2等组分对液化单元换热器内部最小温差的影响。分析结果显示:合理的制冷工质配比能够有效地降低换热温差,减少不可逆损失,提高换热效率。LNG中的含氧量随着精馏塔理论塔板数的增加而降低,但精馏塔的高度相应地增加。因此,应适当增加理论板数以有效地提高LNG中甲烷的浓度。计算结果将有助于低浓度煤层气液化装置的国产化应用与推广。

海上天然气液化装置中酸性气体的脱除技术

海上油田伴生气是一种宝贵的能源，但其日产量小，不适合管道运输。为此，自主研发了一套建在自升式移动平台上的橇装天然气液化装置。根据海上油田伴生气的气质特点，探讨了天然气脱除酸性气体工艺的选择原则，确定了适合该装置的MDEA＋MEA混合醇胺溶液脱酸性气体净化工艺，分析了CO2含量、醇胺循环量的变化对再沸器热负荷、富液温度的影响，并对填料塔的高度进行了优化分析。结果认为：定期分析原料气中CO2含量，适当调节MDEA胺液循环量，能够有效降低净化系统的运行成本，提高净化装置对海上油田伴生气不同组成的适应性；对于天然气处理量为11．6×10^4m^3／d的脱碳工艺，天然气中CO2体积分数在0．45％～5．54％时，MDEA醇胺溶液循环量宜为200-500kmol／h，再沸器热负荷宜为200-600kW。该装置集天然气液化、LNG的储存与卸载于一身，简化了海上油田伴生气的开发过程，具有适应性强、投资小、建设周期短、现金回收快等优点。

单级混合制冷剂液化循环适应性和调节能力研究

针对在中小型天然气液化装置中广泛应用的单级混合制冷剂液化流程,模拟了环境温度、天然气流量和组分变化时流程参数的变化,以原有设备为约束条件,调节流程参数,使系统能够适应外界变化。结果表明:通过调节制冷剂压缩机的运行压力、工质流量和组成,单级混合制冷剂液化流程能够在较大的范围内适应环境温度和天然气的流量、组成变化,调整后的单级混合制冷剂液化流程能够保持高的效率。

小型MRC天然气液化装置中板翅式换热器动态特性仿真研究

针对采用混合制冷剂液化流程(MRC)的小型天然气液化装置(LNG)中的板翅式换热器建立了动态特性仿真数学模型,基于气液两相流理论及气液相平衡理论,对多股流、多组分、有相变的板翅式换热器进行了动态仿真研究,并对该MRC-LNG装置中某换热器在非稳态工况下进行了仿真分析。结果表明:在小型MRC液化天然气装置设计和调试过程中,该模型对提高换热器设计效率、降低运行成本有指导意义。

北京正负电子对撞机重大改造低温传输管线支撑数值模拟

低温传输管线是北京正负电子对撞机重大升级改造(BEPCⅡ)中低温系统的关键设备之一。为了确保BEPCⅡ低温传输管线的设计质量,运用有限元软件包ANSYS对低温传输管线的支撑进行了热负荷的数值模拟,得到传输管线的漏热和支撑温度分布。设计了一种特殊的支撑结构来支撑多通道传输管线垂直段重量,并对该支撑进行了热和应力的数值模拟。最后确定了漏热、强度满足工程要求且结构设计简单的低温传输管线支撑方案,目前该支撑方案已经运用到实际传输管线的加工、制造中。

适合于低浓度煤层气的低温液化精馏浓缩的工艺流程模拟与分析

针对大陆矿煤层气气源条件,提出了一种低浓度煤层气低温液化精馏分离的工艺流程。该方法中的液化系统采用混合制冷剂液化工艺,低温部分采用低温精馏的方法从LNG中分离氮氧,运用大型化工流程软件对液化系统进行了模拟计算与比较分析,分析了煤层气中O2含量的变化及精馏塔的再沸比的变化对LNG的组分的影响,以及再沸比的变化对再沸器热负荷的影响。

分段保护超导螺线管磁体失超过程的过电压

超导磁体失超过程的过电压准确分析是失超保护系统设计的基础。对于分段保护的超导螺线管磁体,在传统椭球形正常区失超传播模型的基础上,将3维温度计算结果映射到1维导线方向上,确定沿导线的温度分布,进而计算出各匝电阻。将线圈看作以匝为单位的电阻和电感组成的电路,计算出沿导线的电阻电压、电感电压以及合电压瞬态分布,较准确地估计了失超过程中最大对地电压、层间电压和匝间电压。利用该方法对某分段保护的螺线管磁体进行了计算,获得了失超过程中磁体内部过电压;发现磁体内部的电压分布由方向相反的电感电压和电阻电压共同决定;以单段正常区电阻电压作为该磁体对地电压过于保守。

BEPCⅡ电流引线低温端温度非稳态变化理论计算

介绍一种计算电流引线低温端温度非稳态变化的理论计算方法 ,并将计算结果与大型CFD软件包Fluent6 .0的模拟结果进行比较 ,两者符合良好。采用该方法分析了稳态时的氦气流量对非稳态电流引线冷端温升速度的影响。

北京正负电子对撞机重大改造工程中超导磁体电流引线设计

北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCⅡ)中超导聚焦四极磁体(SCQ)共有6对电流引线,输送4种不同大小的电流。超导探测器磁体(SSM)由1对4 000 A的电流引线输送电流。本文为SCQ和SSM两个超导磁体设计多层套管结构的电流引线。引线通过在低温端增加大质量铜座的方法来延长当冷却氦气消失时低温端温度上升到超导导线失超温度的时间。给出了多层套管结构电流引线稳态与非稳态大型CFD软件Fluent6.0数值模拟结果。

绕制预应力对MICE超导耦合磁体冷质量应力状态的影响

超导耦合螺线管磁体为μ介子离子化冷却实验装置(MICE)中的关键设备,其线圈内径1500mm,长度285mm,采用截面1.65mm×1.00mm的NbTi复合超导线,励磁到210A时,峰值磁场可达7.4T。在降温和励磁过程中,为减小导线窜动而导致失超,线圈绕制过程中需对导线和紧固带施加预应力。本文根据组合筒理论,得出了绕制过程中线圈和紧固带的预应力与冷质量内部应力分量的关系。采用有限元方法对线圈绕制、冷却和励磁3个连续过程进行动态仿真,分别分析了导线和紧固带绕制预应力的变化对冷质量内部各主要应力峰值的影响,得出线圈和紧固带绕制时满足磁体稳定性和结构安全的预应力优化结果,为MICE超导耦合磁体的研制及其他类似大直径、多层的超导螺线管磁体绕制提供理论依据。

MICE超导耦合磁体冷质量应力有限元分析

为了确定MICE(μ介子离子化冷却实验装置)中超导耦合螺线管磁体的机械稳定性和线圈冷质量的结构安全性,采用有限元方法对磁体线圈的绕制、降温和励磁过程进行数值模拟,得出不同阶段时具有滑移面结构的超导耦合线圈冷质量横截面内的应力分布.模拟结果表明,由于较大的尺寸和较高的磁场,磁体线圈冷质量内部承受较高的应力状态;从稳定性角度分析,线圈内的横向剪切应力是影响线圈机械稳定性的关键因素;在剪切力集中的区域,尤其是绕组端部与骨架之间或绕组内径面与骨架表面之间的环氧树脂粘接区域,树脂胶在主应力和最大剪应力方向上会被拉裂,从而造成失超或锻炼效应;增加滑移面则可减小该区域的应变能,从而减小失超的可能性或锻炼次数.

MICE超导耦合磁体线圈等效弹性模量辨识

应用于"μ介子离子化冷却实验装置(MICE)"的超导耦合磁体系统是MICE中的三大关键设备之一。耦合磁体线圈内径为1 500mm,长度为285mm,厚度为110.4mm,采用方形截面1.65×1.00mm2的NbTi复合超导线。每层导线之间为环氧和绝缘玻璃纤维布,每匝导线之间为环氧,线圈具有复杂的正交各向异性性质。根据线圈横截面细观结构的周期性,选出单根导线与周围的绝缘材料为代表性体积元(Representative Volume Element,RVE),基于能量等效原理得出线圈等效弹性模量的含义,然后根据细观力学有限元法,采用有限元软件计算了不同边界条件下细观结构代表性体积元的力学响应,得出了线圈平面径向和环向等效弹性模量,结果已经作为基础数据运用在MICE超导耦合磁体的力学计算中。

PKU-SCAF低温系统流程设计数值模拟

本文对应用于北京大学百瓦量级2K超流氦低温系统的三种流程设计方案进行数值模拟,通过对其热力性能的分析比较,从数值计算的角度选定了优化流程。本文对北京大学超导加速器装置的低温系统流程设计具有指导意义。