Simulations de modèles de procèdes cryogéniques Tuteur ESIEE : M. Coppier Etudiant : VASSEUR...

Simulations de modèles de procèdes cryogéniques

Tuteur ESIEE : M. Coppier Etudiant : VASSEUR JulienTuteurs CERN : M. Pezzetti & M. Bradu

PROJET DE FIN D’ETUDEPrésentation de mi-stage 23/03/2009

Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire

Section TE / CRG /CE

Sommaire

I – Introduction 1. le CERN et le LHC 2. le rôle de la section TE/CRG/CE

II – La Cryogénie 1. Pourquoi la cryogénie ? 2. Procèdes cryogéniques 4. Contrôle et Cryogénie

III –Simulation de modeles 1. Enjeux et Contraintes 2. PROCOS 3. Démarche à suivre 2. Boite froide TCF50 3. Boite froide Linde 4. Résultats et Perspectives

23/03/2009 /26I5 GSP Projet de fin d‘études Promotion 2009

INTRODUCTION


Le CERN et le LHC Physique des particules Accélerateur de particules (LINAC, PS, SPS,

LHC) Détecteurs de particules (ATLAS, CMS, ALICE,

LHCb)


Le tunnel du LHC

Le rôle de la section TE/CRG/CE Département TE : Technologie Groupe CRG : Cryogénie Section CE : Control and Electricity Rôle :

Réalisations des programmes automates des installations cryogéniques du CERN

Réalisations des armoires électriques pour les PLC, les I/O…

Migrations technologiques des automates Modification et Optimisation des programmes Supervision des installations sous PVSS


LA CRYOGENIE


Utilisation de la cryogénie au CERN Définition générale : L’ensemble de la science et

des applications faisant intervenir les basses températures : inférieures à 120K (-153C).

Au CERN :

La cryogénie est utilisée dans bien d’autres domaines : Médecine, Métallurgie, Aerospatiale, Chimie…


Courber et Focaliser les particules

LHC : 8 Tesla de champ magnétique (énorme)

Utilisation d’electro-aimants, 13000 Ampères nécessaires pour 8 Tesla

Utilisation d’aimants Supraconducteurs

Fonctionnement caracteristiques de ces supraconducteurs a -271.3C

Besoin de la Cryogénie : seul fluide liquide a cette température Hélium

Les procédés cryogéniques d’une boite froide

Station de Compression

Echangeurs thermiques Turbines Vannes Joule-Thomson

Stockage de l’hélium


Contrôle et Cryogénie Automates Schneider (Premium ou Quantum)

et Siemens Respect du standard UNICOS Unicos respecte la norme IEC 61512-1

Les objets UNICOS : Objets I/O : AI/AO/DI/DO Objets Field : /ANALOG/ANADIG Objets Control : /CONTROLLER/ALARM/PROCESS

CONTROL OBJECT (PCO)

Générateurs : Database, générateur d’instances, générateur de logique


Standard UNICOS


Structure UNICOS :

Présentation du Projet : -

Simulation de Modèles


Enjeux et Contraintes de la Simulation Les enjeux :

Tester les programmes PLC avant mise en service Simulation pour les opérateurs :

Tester des nouvelles stratégies de contrôle Observer les évolutions du procédé en temps réel

Les Contraintes : Programme PLC Temps de calcul de la simulation raisonnable Respect du temps d’échanges de données et de

synchronisation entre les différents systèmes de contrôle (Process, PLC, SCADA)


Différents outils communiquant entre eux : Développement du modèle sous EcosimPro v4.4.0 Logique de contrôle via les Simulateurs PLC (Unity ou S7) Supervision avec un SCADA (Supervisory Control and Data

Acquisition) : PVSS Utilisation du Standard UNICOS Utilisation d’une communication OPC entre tous ces outils


PROCOS (PROcess and COntrol Simulation)

EcosimPro 4.4

PROCOS


Structure PROCOS :

Les étapes de la démarche “Faire une Simulation” : 1. Analyse et Calculs Thermodynamique +

Mecanique des fluides Etude du point de fonctionnement théorique Dimensionnement des vannes Bilan thermique des échangeurs thermiques Dimensionnement des paramètres Turbines (freins, efficacité…) Estimation des chutes de pression

2. Simulation numérique Informatique et Mathématique

3. Intégration de la logique de contrôle et de régulation dans la simulation Automatique

La Démarche Simulation



Problèmes rencontrés

Boite froide TCF50 (Cryolab)

Boite froide du Cryolab au batiment 163 Puissance de réfrigeration 400 [email protected] K 2 turbines 5 échangeurs thermiques Station de compression avec 1 compresseur Quelques détails sur la procédure de

Simulation : Démarrage avec une pression initiale de 3 bar dans la boite

froide Station de compression et boite froide connectée au

demarrage Déclenchement de certaines régulation selon certaines

conditions : Logic



Boite froide TCF50

PHOTOS A PRENDRE DEMAIN MATIN


Modèle de la Boite froide TCF50

Résultats de Simulation TCF50


1. Modèle terminé de la boite froide TCF50 :

L’évolution des températures :Température, Niveau dans le séparateur de phase :Régulation des contrôlleurs :Comparaison des diagrammes T-S :

Boite froide Linde (LHC) Type de boite froide utilisée aux point 6 et 8

du LHC Puissance de réfrigeration 18 [email protected] K 10 turbines 10 échangeurs thermiques Station de compression avec 5 compresseurs

(“High Stage” et “Low Stage”)



Architecture typique pour le LHC

UpperCold Box

Interconnection Box

Cold Box

WarmCompressor

Station

LowerCold Box

Distribution Line Distribution Line

Magnet Cryostats, DFB, ACS Magnet Cryostats, DFB, ACS

ColdCompressor

box

Sha

ftS

urfa

ceC

aver

nT

unne

l

LHC Sector (3.3 km) LHC Sector (3.3 km)

1.8 KRefrigeration

Unit

New4.5 K

Refrigerator

Existing4.5 K

Refrigerator

1.8 KRefrigeration

Unit

WarmCompressor

Station

WarmCompressor

Station

WarmCompressor

Station

ColdCompressor

box

Even pointOdd point Odd point

MP StorageMP Storage MP Storage

UpperCold Box

Interconnection Box

Cold Box

WarmCompressor

Station

LowerCold Box



ColdCompressor

box

UpperCold Box

Interconnection Box

Cold Box

WarmCompressor

Station

LowerCold Box



ColdCompressor

box

Sha

ftS

urfa

ceC

aver

nT

unne

l


1.8 KRefrigeration

Unit

New4.5 K

Refrigerator

Existing4.5 K

Refrigerator

1.8 KRefrigeration

Unit

WarmCompressor

Station

WarmCompressor

Station

WarmCompressor

Station

ColdCompressor

box



UpperCold Box

Interconnection Box

Cold Box

WarmCompressor

Station

LowerCold Box



ColdCompressor

box

UpperCold Box

Cold Box

WarmCompressor

Station

LowerCold Box


ColdCompressor

box

Sha

ftS

urfa

ceC

aver

nT

unne

l


1.8 KRefrigeration

Unit

New4.5 K

Refrigerator

Existing4.5 K

Refrigerator

1.8 KRefrigeration

Unit

WarmCompressor

Station

WarmCompressor

Station

WarmCompressor

Station

ColdCompressor

box



UpperCold Box

Interconnection Box

Cold Box

WarmCompressor

Station

LowerCold Box



ColdCompressor

box

Boite froide Linde 18 kW


Boite froide 18kW


Panel de la Supervision de la boite froide 18 kW

2. Préparation pour le “Virtual Commissioning” en cours

3. Développement du modèle de la boite froide 18kW en cours :

Tests du dimensionnement des paramètres Turbines terminés

Station de compression realisée par B. Bradu Premiers résultats de l’étude du bilan thermique à tester Dimensionnement des vannes à continuer


Perspectives

Avez-vous des questions ?


Merci de votre attention

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