Сайт научно-технического журнала «Инженерные системы. АВОК Северо-Запад»

Насосы GRUNDFOS в сердце новейшего коллайдера

Начиная с 2016 года в подмосковной Дубне реализуется megascience-проект — ведётся сооружение тяжелоионного коллайдера NICA, флагманского объекта Объединённого института ядерных исследований. Как и любой современный ускоритель для экспериментов в области физики высоких энергий, NICA предполагает создание сложной многоступенчатой схемы охлаждения, в составе которой широко применяются энергоэффективные решения компании Grundfos. В частности, в составе систем холодоснабжения теплообменного оборудования и контуров водяного охлаждения электрофизического оборудования коллайдера использована 31 установка повышения давления GRUNDFOS Hydro MPC-E с частотно-регулируемыми насосами типа CRE и CRNE, а также 23 мощных одноступенчатых насосных агрегата серии TPE с интеллектуальным управлением. В полную силу комплекс заработает в 2023 году.

Дотянуться до звёзд
Коллайдер — ускоритель частиц на встречных пучках, позволяющий разгонять их до высоких энергий и изучать эффект от столкновений. В мире сегодня семь действующих установок такого типа. Самая большая — знаменитый Большой адронный коллайдер в Швейцарии. Из оставшихся шести две установки расположены в России. Строящихся ещё пять, в их числе NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) — один из шести проектов класса megascience, реализуемых в нашей стране.

Ускоритель строится в подмосковной Дубне, на территории Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ), международной межправительственной организации, учредителями которой являются 18 государств. Новый исследовательский комплекс позволит учёным воссоздать в лабораторных условиях кварк-глюонную (адронную) плазму — особое состояние вещества, в котором Вселенная пребывала в первые мгновения после своего рождения в результате Большого взрыва. В частности, это поможет понять механизм образования протонов и нейтронов, из которых состоят ядра атомов всех химических элементов. В природе подобные явления встречаются только в недрах нейтронных звёзд, где они недоступны для непосредственного наблюдения.

Экстремальное охлаждение для высоких энергий
Науку, которая изучает взаимодействие частиц в экстремальных состояниях, называют физикой высоких энергий. Это название можно трактовать как в прямом, так и в переносном смысле, поскольку ускорители действительно потребляют и расходуют огромное количество энергии. Например, она необходима для создания сильнейших магнитных полей, разгоняющих и фокусирующих пучки исследуемых частиц, а также для поддержания близких к абсолютному нулю (минус 273,15 °C) температур. Космический холод нужен для работы сверхпроводящих магнитов и для охлаждения пучков тяжёлых заряженных частиц.

Сверхпроводящие магниты нуклотрона, коллайдера и бустера — промежуточного синхротрона (предускорителя) тяжёлых ионов — охлаждают жидким гелием. На предварительных стадиях его подготовки применяется также жидкий азот.

Всё остальное оборудование комплекса охлаждается водой или антифризом — раствором этиленгликоля. Здесь и используются насосы GRUNDFOS. Их выбор был продиктован надёжностью, долговечностью и энергоэффективностью, а также наличием широких возможностей для диспетчеризации и автоматизированного управления работой оборудования.

Проект системы охлаждения коллайдера NICA, выполненный компанией «Комета», включает источники сезонного холода (чиллеры с воздушным охлаждением конденсаторов) и круглогодичного охлаждения — хладоцентры, подготавливающие первичный хладоноситель (охлаждённую воду требуемой температуры).

Чиллеры обеспечивают сезонное поддержание требуемых параметров микроклимата в сооружениях и помещениях коллайдера. Они оснащаются промежуточными контурами с пластинчатыми теплообменниками, где в качестве хладоносителя (со стороны чиллеров) используется незамерзающий водный раствор этиленгликоля.

Хладоцентры для систем водяного охлаждения обеспечивают круглосуточный и круглогодичный отвод теплоты, выделяющейся при работе электрофизического оборудования, устанавливаемого в комплексе. Они оснащаются источниками искусственного (холодильными машинами с выносными конденсаторами) и естественного (воздушными закрытыми охладителями жидкости) холода. При этом в контурах «воздушный охладитель — пластинчатый теплообменник» также циркулирует водный раствор этиленгликоля.

Система технологической вентиляции
Система водяного охлаждения, предусмотренная для сезонного поддержания требуемых параметров микроклимата в обслуживаемых помещениях, обеспечивает работу технологической вентиляции в тёплое время года. Циркуляцию этиленгликоля в контуре охлаждения «чиллер — пластинчатый теплообменник» поддерживают умные насосы GRUNDFOS TPE2 в корпусе из нержавеющей стали. Они оснащены электродвигателями MGE на постоянных магнитах и встроенными преобразователями частоты. Циркуляцию воды через центральные кондиционеры и фанкойлы обеспечивают сдвоенные насосы TPE2 D.

Применение оборудования серии TPE2 с интеллектуальным контроллером обусловлено необходимостью непрерывной регулировки напора теплоносителя для контроля рабочих параметров системы на основании сигналов датчиков температуры или перепада давления. Благодаря встроенному частотному преобразователю и наличию интеллектуального контроллера насос легко адаптируется к сигналам от внешнего датчика. Это обеспечивает автоматическую коррекцию производительности под текущие условия и точное соответствие требованиям по давлению или температуре в системе в зависимости от выбранного режима регулирования.

Агрегаты могут работать в любой точке от минимальной до максимальной частоты вращения.
Кроме того, частотное регулирование и интеллектуальное управление снижают энергопотребление насосов линейки TPE2 по сравнению с обычными, что даёт существенную экономию электроэнергии.

Насосы TPE имеют конфигурацию «инлайн» с расположенными на одной линии всасывающим и напорным патрубками равного диаметра. Гидравлическая часть и двигатель выполнены в виде отдельных блоков, соединённых короткой жёсткой разъёмной муфтой. Балансировка рабочих колёс увеличивает срок службы подшипников двигателя и механического торцевого уплотнения вала, отделяющего перекачиваемую жидкость. Демонтировать головную электрическую часть насоса можно без отсоединения корпуса от трубопровода. Такая конструкция упрощает обслуживание и ремонт и позволяет оптимизировать использование технических площадей.

Сдвоенные насосы TPE2 D оснащены двумя параллельными головными частями, что обеспечивает двойную надёжность в системах, где не допускается простоя.

Для поддержания требуемого давления хладоносителя в контурах охлаждения технологической вентиляции применяются компактные модульные горизонтальные многоступенчатые насосы GRUNDFOS CM. Эту серию отличают высокая эксплуатационная надёжность и низкий уровень шума.

Сбор проливов из приямков выполняют дренажные насосы GRUNDFOS Unilift KP с износостойким корпусом из нержавеющей стали.

В общей сложности в системе технологической вентиляции установлено более 50 насосов GRUNDFOS, укомплектованных монтажными принадлежностями.

Системы охлаждения электрофизического оборудования
Водяное охлаждение электрофизического оборудования большого кольца коллайдера разделено на три сегмента:

• полукольцо W и систему электронного охлаждения пучков заряженных частиц (в ОИЯИ её называют «кулер»);
• северную часть полукольца E и детектор MPD (Multi-Purpose Detector), предназначенный для изучения свойств горячей и плотной адронной материи в столкновениях тяжёлых ионов;
• южную часть полукольца E и детектор SPD (Spin Physics Detector) — это разработанная российскими физиками уникальная установка для изучения глюонов в протонах и дейтронах.

Холодоснабжение каждого из трёх сегментов обеспечивает собственный холодильный центр, оснащённый двумя водоохлаждающими холодильными машинами с выносными конденсаторами и двумя воздушными закрытыми охладителями жидкости. Оборудование рассчитано на круглогодичную эксплуатацию хладоцентров, поэтому в контурах охлаждения «воздушный охладитель — пластинчатый теплообменник» в качестве хладоносителя используется антифриз. Это 45%-ный водный раствор этиленгликоля с температурой начала кристаллизации минус 30 °С.

Циркуляцию охлаждаемой воды через пластинчатые теплообменники и испарители холодильных машин, а также антифриза через воздушные охладители жидкости поддерживают автоматические установки повышения давления GRUNDFOS Hydro MPC-E на базе трёх и четырёх вертикальных многоступенчатых насосных агрегатов CRE64 или CRE95 с частотно-регулируемыми электродвигателями.

Hydro MPC-E малой и средней (до 22 кВт) мощности — готовые решения на базе нескольких вертикальных многоступенчатых центробежных насосов CRE с электродвигателями MGE на постоянных магнитах и встроенными частотными преобразователями. Двигатели этой линейки мощностью до 11 кВт отличаются улучшенными показателями энергоэффективности и соответствуют требованиям класса IE5 по действующему стандарту, остальные отвечают параметрам класса IE3.

Установки большой мощности комплектуются насосами типа CR с внешними преобразователями частоты GRUNDFOS CUE. Автоматика обеспечивает оптимальную производительность оборудования и напор при минимальном энергопотреблении. Непрерывное регулирование частоты вращения двигателей позволяет поддерживать постоянное давление в системе с динамическими параметрами.

Установки Hydro MPC-E комплектуются интеллектуальным блоком управления, который обеспечивает оптимальный КПД в требуемых режимах работы. Производительность установки автоматически настраивается в зависимости от потребления в системе путём включения и выключения необходимого количества насосных агрегатов и одновременного регулирования каждого из них. В числе дополнительных функций — останов при малом расходе, плавное повышение давления, контроль наработки путём автоматического переключения насосов и пр.

Кроме того, определённое количество агрегатов может быть задействовано в качестве резервных. При этом жёсткой привязки нет. В резерв будут автоматически переводиться разные насосы, чтобы исключить разницу в наработке.

Установки повышения давления Hydro MPC-E поставляются полностью готовыми к эксплуатации. Насосы соединены параллельно коллекторами из нержавеющей стали, смонтированы на общей раме-основании и поставляются со шкафом управления, комплектом запорной арматуры и контрольно-измерительного оборудования, мембранным баком и системой защиты от сухого хода.

Все насосные установки в хладоцентрах коллайдера NICA смонтированы на виброизолирующих опорах, которые входили в комплект поставки вместе с виброкомпенсаторами и ответными фланцами для подключения к трубопроводу.

Водоохлаждение электрофизического оборудования
Отдельного внимания заслуживает организация водоохлаждения электрофизического оборудования (ЭФО), включая систему электронного охлаждения коллайдера. Здесь применяется оборотная схема. То есть весь объём воды, охлаждающей ЭФО, возвращается в накопительные ёмкости. Из них она забирается для охлаждения в теплообменниках и затем снова направляется к ЭФО.

В контурах охлаждения циркулирует вода с высокой степенью дистилляции и электропроводностью 5 μS/сm при температуре около 35 ºC. Поэтому в технических решениях по организации охлаждения ЭФО предусмотрено использование нестандартных установок повышения давления GRUNDFOS Hydro MPC-E на базе двух насосов типа CRNE. Все контактирующие с перекачиваемой жидкостью детали этих агрегатов изготовлены из специальной нержавеющей стали и рассчитаны на работу в системах с допустимым давлением 16 и 25 бар. Оборудование было поставлено с полным комплектом принадлежностей для монтажа, включая виброопоры под установку, виброкомпенсаторы на трубопровод и ответные фланцы.