Modélisation dynamique de l’expérience HELIOS
Outre l’étude expérimentale sur le lissage de charges pulsées sur l’expérience HELIOS, le second objectif de ma thèse est de concevoir un modèle dynamique de l’expérience et de le valider grâce aux données expérimentales. Ce travail soutient deux objectifs principaux:Premièrement il permettra d’optimiser certains paramètres thermohydrauliques du bain et de la boucle et de tester/valider des stratégies de contrôle sur le modèle numérique avant leur mise en place sur l’expérience. Une fois validé sur une géométrie donnée, le modèle permettra d’étudier des configurations différentes : modification de géométrie, scénarios de charges pulsées plus complexes ou modifications des circuits et des vannes par exemple.
Deuxièmement, si les temps de simulation sont assez rapides, le modèle pourra être utilisé en tant qu’outil prédictif durant des essais et ainsi permettre anticiper les phénomènes et d’optimiser la stratégie de lissage. In fine un tel modèle, adapté à JT-60SA et complété par le modèle du réfrigérateur, pourrait servir à la formation des opérateurs.
Ce chapitre présente un modèle de la boucle HELIOS effectué à l’aide du logiciel EcosimPro [49] et de la librairie CRYOLIB [50] développée par le CERN, ainsi que de composants développés spécialement pour HELIOS. L’approche se limite exclusivement à HELIOS sans prise en considération des dynamiques du réfrigérateur associé. Le modèle est basé sur une approche thermodynamique simple. Tout d’abord l’état de l’art en simulation dynamique des systèmes de refroidissement cryogénique sera présenté. La deuxième partie présentera l’outil de simulation EcosimPro et la libraire CRYOLIB du CERN. La troisième partie développera l’approche thermodynamique du modèle d’HELIOS. Enfin la quatrième partie montrera des résultats d’une simulation prédictive réalisée dans le cas d’un benchmark du code effectué lors de la 6eme campagne expérimentale.
III.1 Etat de l’art en simulation dynamique appliquée à la réfrigération de grandes installations
Depuis plus d’une dizaine d’années, le nombre d’études sur les simulations dynamiques d’installations cryogéniques de grande taille s’est fortement accru. Les travaux les plus récents seront développés dans cette partie.
III.1.1 Besoins requis
Le but d’une simulation dynamique est de reproduire le plus fidèlement possible les variations temporelles des grandeurs physiques d’un système telles que pression, températures et débits. La simulation de l’expérience HELIOS requiert un outil capable de simuler aussi bien des éléments hydrauliques 0D (tels que les vannes, le bain ou le circulateur), que 1D (tels que des conduites) mais également de fournir des outils pour le contrôle (PID, boîtes logiques). De nouveaux composants doivent pouvoir être développés de façon simple. L’assemblage de tous ces éléments doit permettre de mettre en place des régulations avancées. L’étude abordée dans le cadre de la thèse concerne les
stratégies de lissage de charge et les régulations associées. L’approche système doit être privilégiée afin de rendre compte des comportements thermohydrauliques des composants cryogéniques. La complexité des écoulements dans les CICC n’est pas modélisée ici.
III.1.2 Logiciels disponibles
III.1.2.1 Matlab-Simulink
Dans les approches plus axées « contrôle », l’utilisation de Matlab-Simulink s’avère être un atout puisque le logiciel permet d’effectuer des opérations matricielles telles que la linéarisation de modèle ou le calcul de fonctions de transfert. Les composants peuvent être décrits sous forme d’objets comme dans les autres programmes. Au sein du SBT, de nombreux travaux ont été effectués avec cet outil ou sont en cours de développement. On notera la thèse de F. Clavel sur la modélisation et le contrôle de la station 400 W [24]. Deux structures de contrôle à commandes multi-variables ont été utilisées : une commande linéaire quadratique (LQ) et une commande prédictive sous contrainte basée sur le modèle. Un modèle de la boucle HELIOS a également été réalisé en 2013 dans l’optique d’un contrôle multi-variables [51].
Cependant, en date de début de thèse, il n’existait pas encore de librairie complète de composants validée expérimentalement. De ce fait, Matlab ne fut pas retenu pour la modélisation d’HELIOS.
III.1.2.2 VINCENTA
Le code VINCENTA [52] est dédié à l’étude des écoulements d’hélium dans les CICC. Le logiciel, un simple exécutable Windows, est dépourvu d’interface graphique et le système à simuler doit être décrit à l’aide un langage propre sous forme de fichier d’input. Il a été utilisé pour la simulation grandeur réelle du système de distribution d’hélium et de la BFA de JT-60SA [1]. A partir d’estimation des charges pulsées reçues par les aimants et les structures, les profils de puissance arrivant dans le buffer thermique ont pu être calculés. Cependant, le logiciel est assez limité quant aux possibilités de contrôle des actionneurs. Adapté pour les simulations d’écoulement d’hélium dans les CICC, il n‘est pas utile pour cette thèse. Un modèle de la boucle d’HELIOS sans le bain a été réalisé [53]. Des difficultés ont été rencontrées pour modéliser correctement le séparateur de phase en volume fini. De plus les temps de calculs sont longs et ne permettent pas de faire des simulations en temps réel (plus de 6 h de calcul sur une station de travail pour simuler 1h30 d’expérience). Le travail sur ce logiciel n’a pas été poursuivi.
III.1.2.3 C-Prest
Le travail proposé par R. Maekawa [54] présente la modélisation dynamique en temps réel d’un liquéfacteur d’hélium de 10kW à 4.5K du LHD, à l’aide d’un environnement de simulation dénommé C-PREST (Cryogenic Process Real-Time SimulaTor) développé en utilisant le logiciel de modélisation Visual Modeler©. Le simulateur comprend le modèle du réfrigérateur, ainsi que le système de contrôle. Le modèle a permis de prédire puis de valider plusieurs scénarios transitoires du réfrigérateur comme une mise en froid. Ce simulateur rend aussi possible le test, l’optimisation et la validation de nouvelle stratégie de contrôle avant l’implémentation sur le système réel [55]. Ce code n’a pas de version commerciale disponible.
III.1.2.4 4C- Modelica
Le code 4C (Cryogenic Circuit Conductor and Coil) est développé par l’école polytechnique de Turin sous la direction de R. Zanino. C’est un code non-commercial composé de plusieurs modules permettant de simuler à la fois la thermohydraulique à l’intérieur des CICC des aimants, mais également la partie thermohydraulique des circuits de distribution. Le code incluant la partie aimant a été validé expérimentalement avec succès sur des signaux expérimentaux des aimants PF du tokamak KSTAR [56]. Il a également servi, entre autre, à la simulation dynamique de la thermohydraulique des transitoires dans les aimants TF d’ITER [57]. La partie circuits cryogéniques a été réalisée à l’aide du logiciel Dymola (environnement Windows), basé sur le langage ouvert Modelica©. Une librairie complète de composants cryogéniques et d’éléments de contrôle a été développée. Les résultats expérimentaux obtenus sur HELIOS ont permis de valider la partie thermohydraulique du code. Une première comparaison a été réalisée avec succès sur le résultat d’un lissage de charge en volant thermique [58]. Elle a été suivie par une comparaison de résultats de lissage de charge avec le by-pass de la charge [59]. Un exercice de simulation prédictive a été mené avec les modèles 4C et EcosimPro d’HELIOS dans un but comparatif. Pour cela, des scénarios de benchmark ont été spécifiquement conçus et ont été simulés avant la 6eme campagne au cours de laquelle les scénarios ont été réalisés. Les comparaisons sont concluantes [60]. Ce code n’a pas de version commerciale disponible.
III.1.2.5 Flower
Le code Flower, développé par L. Bottura au Max Planck Institut puis au CERN, est destiné à la simulation dynamique d’un système cryogénique (distribution d’hélium) comprenant conduites 1D, volumes, vannes, pompes et turbines. Dans sa première version [61], le code a été utilisé pour simuler, avec des modèles simples de composants (réservoir, conduite 1D, vanne et circulateur), l’effet d’un quench des aimants TF du tokamak NET sur les collecteurs d’entrée et de sortie. Couplé avec le code d’analyse de quench d’aimants Gandalf [62], le code a été validé expérimentalement en régime transitoire rapide une première fois sur l’expérience QUELL à SULTAN avec de bons résultats [63]. Une version améliorée du code a ensuite été développée, ajoutant des échangeurs de chaleur et des turbines et améliorant significativement la méthode de résolution. Cette version, toujours couplée avec le code Gandalf, a été validée avec succès sur des tests de quench d’une chaine d’aimants isolée du LHC [64]. L’écriture d’un modèle se fait à l’aide d’un fichier d’input exécuté ensuite par le programme sous un système UNIX. Ce code apparaît néanmoins plus adapté à l’étude thermohydraulique détaillé du refroidissement des aimants que du contrôle du process de refroidissement. L’ajout de régulateurs PID ne semblait pas évident a priori.
III.1.2.6 Aspen Hysys
Plusieurs réfrigérateurs cryogéniques ont été modélisés par la société Air Liquide grâce au logiciel commercial Aspen Hysys (environnement Windows) [65]. Ce logiciel fournit une bibliothèque de composants existants et contient les propriétés de l’hélium et de l’azote aux différentes conditions de pression et température. La station 400 W du CEA Grenoble [66] [67] ainsi qu’un liquéfacteur commercial d’Air Liquide ont été simulés. Le simulateur a également servi à l’étude du comportement d’un réfrigérateur soumis à de fortes charges pulsées [19]. Ce modèle, plutôt utilisé
comme un outil de conception, permet de vérifier un choix de cycle et de composants. Le coût d’une licence est élevé (environ 25000€ par an).
III.1.2.7 EcosimPro
Le CERN, à travers les travaux de B. Bradu [68], a développé pour le logiciel EcosimPro (environnement Windows) une librairie complète de composants pour la simulation dynamique et le contrôle de grand réfrigérateur : la librairie CRYOLIB. Elle est disponible depuis Mars 2013 sous forme de librairie commerciale vendue par EA international, l’éditeur d’EcosimPro. Grâce à elle, B. Bradu a réalisé une modélisation complète d’un réfrigérateur de 18 kW [69] ainsi que des écrans de faisceau du LHC [70] avec d’excellents résultats. Une des fonctionnalités principales du développement du modèle de réfrigérateur a été de pouvoir connecter le simulateur à un API simulé et ainsi de d’obtenir un processus complet virtuel pouvant fonctionner plus rapidement que le temps réel. En connectant cet automate virtuel à la supervision, via un serveur OPC, on obtient une copie du système réel tournant sur simulateur. Les opérateurs peuvent donc être formés et s’entrainer sur ce simulateur. De plus, toute modification de matériel ou du logiciel peut être pré-validée avant sa mise en place.
Les premières simulations d’HELIOS ont été faites à l’aide du code VINCENTA [53]. Cependant les limites du code en termes de possibilité de contrôle, de modification et en temps d’exécution nous ont obligés à chercher un code de calcul plus en adéquation avec nos besoins. La disponibilité et les performances de la librairie CRYOLIB pour EcosimPro permettaient une utilisation quasi directe des composants cryogéniques développés par le CERN pour la modélisation d’HELIOS. C’est donc naturellement vers cet outil que s’est porté le choix final.