高溫超導(dǎo)電纜制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制方案及試驗(yàn)驗(yàn)證

朱紅亮，曹雨軍，夏芳敏，姚 震，門建民，高翠芳

（富通集團(tuán)（天津）超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用有限公司 天津市超導(dǎo)電纜應(yīng)用企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384）

0 引言

高溫超導(dǎo)輸電由于具有容量大、損耗低、體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，成為一種極具潛力的大規(guī)模電力輸送技術(shù)[1]。隨著超導(dǎo)臨界溫度升至液氮溫區(qū)，高溫超導(dǎo)電纜工業(yè)化應(yīng)用成為可能。目前，超導(dǎo)電纜示范工程向著長(zhǎng)距離技術(shù)方向發(fā)展，世界各國(guó)正在加快高溫超導(dǎo)電纜產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。2013年俄羅斯VNIIKP公司在莫斯科完成2.5 km/±20.5 kV/2 kA直流超導(dǎo)電纜工程建設(shè)[2]。2014年德國(guó)耐克森公司在埃森市完成1 km/10 kV/2.3 kA交流超導(dǎo)電纜示范工程掛網(wǎng)運(yùn)行[3]。2019年韓國(guó)LS公司在首爾建成1 km/22.9 kV/2 kA交流超導(dǎo)電纜示范工程[4]。由上海電力公司牽頭的1.2 km/35 kV/2 kA交流超導(dǎo)電纜示范工程預(yù)計(jì)在2021年底投入運(yùn)行[5]。以上除德國(guó)1 km超導(dǎo)電纜項(xiàng)目采用減壓制冷方式外，其他國(guó)家均采用制冷機(jī)制冷方式保障超導(dǎo)電纜77 K低溫環(huán)境。安全、高效、易于維護(hù)的低溫制冷技術(shù)，直接決定著超導(dǎo)電纜的長(zhǎng)距離高效運(yùn)行，是推進(jìn)超導(dǎo)電纜系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

本文通過(guò)搭建10 m超導(dǎo)電纜制冷系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，分別對(duì)制冷機(jī)的直接制冷方式進(jìn)行設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證，期望得到安全、高效、易于維護(hù)的制冷方案。

1 制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)中，通常采用閉式液氮迫流循環(huán)方式進(jìn)行冷卻，制冷方式有2種，分別為制冷機(jī)直接制冷和抽氣減壓制冷，如圖1所示。其中，制冷機(jī)或液氮?dú)饣鼰釣橄到y(tǒng)提供冷量；低溫容器為系統(tǒng)貯存低溫液氮；液氮泵為系統(tǒng)提供迫流循環(huán)動(dòng)能；真空管道用于連接低溫制冷機(jī)、低溫容器、真空泵及超導(dǎo)電纜，形成低溫液氮流通管道。

圖1 液氮迫流循環(huán)制冷示意圖Fig.1 Schematic diagram of liquid nitrogen forced flow cycle refrigeration mode

制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括裝置設(shè)計(jì)、預(yù)冷設(shè)計(jì)及運(yùn)行控制設(shè)計(jì)，如圖2所示。設(shè)計(jì)原則為：制冷效率高、可靠性高、操作便捷、日常維護(hù)方便。

圖2 制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路示意圖Fig.2 Schematic of design ideas for refrigeration system

1.1 裝置設(shè)計(jì)

1.1.1 制冷方式設(shè)計(jì)

（1）制冷機(jī)選型

制冷技術(shù)發(fā)展至今，單臺(tái)制冷機(jī)最大制冷量可達(dá)幾千瓦，制冷溫度越低，要求制冷量越大[6-7]。根據(jù)卡諾循環(huán)方式不同，可用于超導(dǎo)電纜的制冷機(jī)有斯特林制冷機(jī)、G-M制冷機(jī)和逆布雷頓制冷機(jī)，三種制冷機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所列。鑒于斯特林制冷機(jī)在77 K溫區(qū)卡諾效率最高，因此作為制冷系統(tǒng)的首選。

表1 制冷機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of refrigerators

（2）制冷方式對(duì)比

超導(dǎo)電纜的應(yīng)用特點(diǎn)是長(zhǎng)距離，系統(tǒng)熱負(fù)荷逐步升高。減壓制冷方式將消耗大量的液氮，只能采取罐車輸運(yùn)的方式補(bǔ)液，為制冷系統(tǒng)維護(hù)造成困難。因此，為確保系統(tǒng)的可靠性，可采取以制冷機(jī)制冷為主，減壓制冷為輔的制冷方式，當(dāng)制冷機(jī)進(jìn)入維護(hù)周期時(shí)，用減壓制冷臨時(shí)提供冷量，可以節(jié)約部分設(shè)備成本。表2對(duì)比了不同制冷方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

表2 制冷方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Tab.2 Comparison of advantages and disadvantages of cooling methods

1.1.2 低溫容器絕熱結(jié)構(gòu)選型

低溫容器用于存儲(chǔ)超導(dǎo)電纜循環(huán)冷卻介質(zhì)液氮，是雙層壁真空絕熱容器，一般采用不銹鋼材料制造，要求壁間真空度高、內(nèi)壁薄，以減少橫向、縱向熱傳導(dǎo)漏熱，如圖3所示。真空多層絕熱結(jié)構(gòu)由于多層壁間均包裹金屬薄膜間隔物做為輻射屏[11]，可極大減少輻射漏熱，有效導(dǎo)熱率可達(dá)10-5數(shù)量級(jí)，是超導(dǎo)電纜系統(tǒng)低溫容器絕熱的最佳方式。

圖3 低溫絕熱結(jié)構(gòu)示意圖及有效導(dǎo)熱率范圍Fig.3 Effective thermal conductivity range of low-temperature insulation structure

1.1.3 液氮泵關(guān)鍵數(shù)據(jù)計(jì)算

液氮泵為超導(dǎo)電纜系統(tǒng)提供液氮循環(huán)的動(dòng)能，保證液氮連續(xù)、平穩(wěn)流動(dòng)。按照工作原理，可分為往復(fù)式和離心式。往復(fù)式適用于壓力高、流量大的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)[12-13]。

液氮流量計(jì)算：

式中：L為液氮流量，L/min；Q總為系統(tǒng)總制冷量，W；CP為液氮比熱，J（/kg·K）；T0為進(jìn)口溫度，K；T1為出口溫度，K。

揚(yáng)程計(jì)算：

式中：H為揚(yáng)程，m；S為系統(tǒng)各部分流阻，Pa·s·m-3。

1.1.4 真空管道選型

真空絕熱管道是雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)外管之間采用高真空多層隔熱，是連接電纜系統(tǒng)、制冷機(jī)、低溫容器及液氮泵的重要載體，其連接方式必須重點(diǎn)設(shè)計(jì)。與法蘭連接漏熱大、焊接連接拆卸不便相比，管道插拔連接拆卸方便、密閉性好、漏熱小，是超導(dǎo)電纜系統(tǒng)管道連接的最佳選擇方式，如圖4所示。

圖4 管道連接方式示意圖Fig.4 Schematic diagram of pipe connection

為解決管道端頭處液氮熱脹冷縮應(yīng)力問(wèn)題，對(duì)管道端頭處進(jìn)行收縮處理，或者將表面加工出波紋或者添加柔性編制網(wǎng)，如圖5所示。

圖5 管道端頭收縮處理示意圖Fig.5 Schematic diagram of pipe end shrinkage treatment

1.2 系統(tǒng)預(yù)冷設(shè)計(jì)方法

超導(dǎo)電纜制冷系統(tǒng)在正式通入液氮前要進(jìn)行充分的預(yù)冷過(guò)程[14]。預(yù)冷卻有三個(gè)目的：（1）清除系統(tǒng)內(nèi)雜質(zhì)；（2）實(shí)現(xiàn)溫度梯度平穩(wěn)過(guò)度，防止由于溫度劇烈變化造成的不銹鋼部件熱應(yīng)力損壞；（3）測(cè)試系統(tǒng)密封性能。預(yù)冷流程如圖6所示。

圖6 超導(dǎo)電纜制冷系統(tǒng)預(yù)冷流程圖Fig.6 Precooling process of superconducting cable refrigeration system

1.3 制冷系統(tǒng)運(yùn)行控制

1.3.1 制冷系統(tǒng)發(fā)生相變產(chǎn)生的影響

制冷系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，須保證液氮不產(chǎn)生相變。若液氮固化，將造成系統(tǒng)循環(huán)受阻，無(wú)法進(jìn)行高效的熱交換；若液氮?dú)饣瑢⒃谘h(huán)系統(tǒng)中產(chǎn)生兩相流[10]，如圖7所示。造成的影響有：（1）流動(dòng)阻力增大；（2）換熱效率降低（液氮對(duì)流換熱系數(shù)遠(yuǎn)大于氮?dú)猓唬?）絕緣強(qiáng)度降低（氮?dú)饨^緣強(qiáng)度是液氮的1/2）；（4）兩相流將在管道中產(chǎn)生彈性震動(dòng)，長(zhǎng)期運(yùn)行將損壞管道的機(jī)械性能。

圖7 液氮/氮?dú)鈨上嗔魇疽鈭DFig.7 Schematic diagram of liquid nitrogen/nitrogen two-phase flow

1.3.2 制冷系統(tǒng)控制方案

為防止制冷系統(tǒng)發(fā)生相變，須及時(shí)調(diào)整制冷量的變化，通過(guò)調(diào)整制冷機(jī)功率控制系統(tǒng)溫度，當(dāng)制冷系統(tǒng)作用降低時(shí)，通過(guò)控制液氮流速及系統(tǒng)壓力，實(shí)現(xiàn)溫度控制，控制邏輯如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)控制邏輯圖Fig.8 Refrigeration system control logic diagram

（1）當(dāng)系統(tǒng)溫度小于設(shè)定溫度下限時(shí)，減小制冷機(jī)做功，提高系統(tǒng)溫度。

（2）當(dāng)系統(tǒng)溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，增大制冷機(jī)功率；系統(tǒng)溫度仍上升時(shí)，增大液氮泵功率，加大熱對(duì)流換熱效率；若系統(tǒng)溫度仍未下降，通過(guò)減壓制冷增加制冷量，期間須補(bǔ)充液氮。

（3）當(dāng)系統(tǒng)溫度即將達(dá)到失超閾值時(shí)，切換超導(dǎo)電纜輸電線路。

2 制冷系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試驗(yàn)證

2.1 制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)試

為驗(yàn)證制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的可靠性，搭建了10 m超導(dǎo)電纜制冷系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，進(jìn)行預(yù)冷及運(yùn)行控制驗(yàn)證。用液氮罐通過(guò)氣化器為系統(tǒng)提供預(yù)冷氮?dú)猓A(yù)冷完畢后，液氮進(jìn)入循環(huán)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如表3所列，連接如圖9所示。

表3 制冷試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案Tab.3 Refrigeration test system design scheme

圖9 制冷系統(tǒng)連接示意圖Fig.9 Refrigeration system connection diagram

如圖10所示，經(jīng)過(guò)吹掃、預(yù)冷，系統(tǒng)溫度由282 K降至81 K，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)約28 h。預(yù)冷結(jié)束后，啟動(dòng)液氮泵和制冷機(jī)，制冷系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。

圖10 制冷系統(tǒng)預(yù)冷溫度變化曲線Fig.10 The pre-cooling temperature change curve of the refrigeration system

2.2 測(cè)試結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)測(cè)量循環(huán)制冷系統(tǒng)液氮溫升和流量，計(jì)算出系統(tǒng)實(shí)際熱負(fù)荷約為420 W，如圖11所示。可以看出超導(dǎo)電纜進(jìn)出口溫度控制在71 K至73.5 K，溫度波動(dòng)范圍為±0.7 K，制冷機(jī)制冷量控制在600 W，輸出功率保持在2 kW，制冷效率可達(dá)到30%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11 制冷系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中溫度變化曲線Fig.11 Temperature change curve during the operation of the refrigeration system

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)高溫超導(dǎo)電纜制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的研究及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

（1）可以用斯特林制冷方式為超導(dǎo)電纜制冷，制冷效率可達(dá)到30%。

（2）系統(tǒng)運(yùn)行采用逐級(jí)溫度控制，通過(guò)不同的壓力控制液氮?dú)饣嘧儨囟龋梢员苊庥捎谙到y(tǒng)液氮沸騰導(dǎo)致電纜系統(tǒng)通流、絕緣、機(jī)械性能受到影響。