超导电缆过冷液氮冷却循环系统设计及试验验证_黎予颖.pdf

超导电缆过冷液氮冷却循环系统设计及试验验证黎予颖1，伦振坚1，杜翔宇1，周敏1，王哲2，袁宇良3，李艳锋3（1.中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广州510000；2.深圳供电局有限公司，广东深圳518000；3.中船重工鹏力（南京）超低温技术有限公司，南京211100）摘要：超导电缆过冷液氮冷却循环系统是三相同轴高温超导电缆试验装置中的主要分系统。根据电缆运行参数和负荷要求，进行了过冷液氮冷却循环系统的流程设计；对冷箱和稳压装置进行了结构设计；对流程阻力进行了分析计算，选择了水力曲线匹配的液氮泵；结合电缆的热负载要求，对浸液式盘管换热器进行设计计算，联机试验结果表明设计满足冷却要求。关键词：高温超导电缆；过冷液氮循环；压力控制中图分类号：TB657文献标志码：A文章编号：1006-7086（2023）02-0188-06DOI：10.3969/j.issn.1006-7086.2023.02.012Design and Experiment of Subcooled Liquid Nitrogen Cooling Circulation Systemfor Superconducting CablesLI Yuying1，LUN Zhenjian1，DU Xiangyu1，ZHOU Min1，WANG Zhe2，YUAN Yuliang3，LI Yanfeng3（1.Guangdong Electric Power Design Institute of China Energy Engineering Group Co.，Ltd，Guangzhou510000，China；2.Shenzhen Power Supply Co.，Ltd，Shenzhen518000，Guangdong，China；3.CSIC Pride（Nanjing）Cryogenic Technology Co.，Ltd，Nanjing211100，China）Abstract：The subcooled liquid nitrogen cooling circulation system for superconducting cables is a main sub-systemin the three-coaxial high-temperature superconducting cable test device.According to the operating parameters and load requirements of the cable，the process design of the subcooled liquid nitrogen cooling circulation system and the structuraldesign of cold box and pressure control device are finished.The flow resistance is analyzed and calculated to choose theliquid nitrogen pump that matching the hydraulic curve.Combined with the heat load required by the cable，the immersioncoil heat exchanger in the system is designed and calculated.The on-line test results show that the design meets the coolingrequirements.Key words：high temperature superconducting cable；subcooled liquid nitrogen cycle；pressure control0引言高温超导电缆具有线损低、传输容量大、走廊占地小以及环境友好等优点，在高压输电领域的应用研究得到了国内外的广泛关注1。1999年，美国Southwire公司建成的 30 m三相冷绝缘超导电缆系统采用液氮循环系统，以PHPK公司生产的氦制冷机为冷源，实现了12.5 kV/1 250 A局域网运行2-5。2001年，丹麦 NKT 公司建成的 30 m热绝缘超导电缆采用两台斯特林制冷机为冷源的液氮循环系统，实现了30 kV/2 000 A并网运行，这也是世界上第一根在公用电网中并网运行的超导电缆6-8。21世纪初，北京云电英纳超导电缆公司和中科院电工所相继完成了4 m单相35 kV/2 kA和10 m三相10.5 kV/1.5 kA高温超导电缆试验系统，其制冷系统为消耗收稿日期：2022-01-10作者简介：黎予颖，硕士，工程师，主要从事超导电缆系统工程建设研究。E-mail：引文信息：黎予颖，伦振坚，杜翔宇，等.超导电缆过冷液氮冷却循环系统设计及试验验证J.真空与低温，2023，29（2）：188-193.LI Y Y，LUN Z J，DU X Y，et al.Design and experiment of subcooled liquid nitrogen cooling circulation system for supercon-ducting cablesJ.Vacuumand Cryogenics，2023，29（2）：188-193.真空与低温Vacuum and Cryogenics第29卷第2期2023年3月188液氮型冷源液氮循环系统9-11。2004年，三相 30 m的35 kV/2 kA高温超导电缆在昆明普吉变电站并网试运行成功，其制冷系统为两台斯特林制冷机为主体的闭式过冷液氮循环系统，成为世界第三根投入电网实际运行的高温超导电缆12。现阶段，国内外高温超导电缆项目大部分采用的是闭式单相液氮循环冷却系统，最佳工作温区为5090 K13。一般来说，一个完整的循环制冷系统包括制冷机、液氮泵、绝热容器、换热器、液氮储槽、绝热管道、阀门和各种传感器等，为超导电缆提供一个稳定可靠的低温环境。本文设计一种过冷液氮冷却循环系统，配合30 m超导电缆样品的短路电流冲击试验，取得型式试验报告和相关认证，验证制冷系统设计和运行参数。1过冷液氮冷却循环系统设计要求本文设计的过冷液氮冷却循环系统为一段30 m三相同轴超导电缆样品提供低温冷量，配合电缆完成型式试验，并提供型式试验报告和相关认证。过冷液氮循环冷却系统的指标要求稳定可靠，满足各运行条件下的冷却要求，要求如表1所列。2低温流程设计超导电缆带材为钇钡铜氧（YBCO），工作环境温度约为78 K。超导带材缠绕在金属波纹管上形成三相同轴型式。过冷液氮在内管和圆环通道内逆向流动，通过通道内强迫对流换热冷却超导电缆。表1过冷液氮冷却循环系统设计参数要求Tab.1Design parameters requirements of subcooledliquid nitrogen cooling circulation system序号12345系统设计参数循环系统出口温度7072 K，控温精度0.3 K过冷液氮循环质量流量最大0.7 kg/s，可调节为0.350.7 kg/s过冷液氮压力 0.10.5 MPa，压力波动不大于0.01 MPa最大制冷量1 500 W70 K系统供回液口压差最大0.4 MPa过冷液氮冷却循环系统以 GM 制冷机作为冷源，液氮作为工质，系统热负载通过换热器将热量传递给冷源，并在全程保持载冷剂处于过冷单相状态。过冷液氮冷却循环系统主要由GM制冷机、稳压罐、液氮泵、低温阀门和真空绝热管道等组成。其中GM制冷机为系统提供冷量，为系统的核心部件；液氮泵为系统提供动力，调节循环流量；稳压罐为系统提供稳定的压力控制；真空绝热管道用于连接低温系统和超导电缆。低温系统可以实现整个超导系统的吹扫和真空置换、控温降温、过冷运行、复温和故障运行等工艺流程，满足超导系统运行要求。根据以上五个工艺流程要求，设计了过冷液氮冷却循环系统的流程，如图1所示。图1过冷液氮冷却循环系统流程图Fig.1Flow design diagram of subcooled liquid nitrogen cooling circulation system黎予颖等：超导电缆过冷液氮冷却循环系统设计及试验验证189系统流程中，过冷液氮杜瓦中装有适量液氮，制冷机通过换热器将过冷液氮杜瓦中的液氮降温至70 K左右。在液氮循环方面，从超导电缆流回的液氮通过真空绝热管道流入液氮泵入口的预冷换热器进行初步降温，被液氮泵增压后，进入过冷换热器与冷源换热达到过冷状态，再流入超导电缆终端入口带走热量返回低温系统，进行新一轮循环。液氮供回液由阀门控制通断。流量由压差孔板流量计测量，各个关键节点均布置有温度和压力传感器，两个液氮容器中布置有电容式液位计。当GM制冷机发生故障或需要检修时，可以启动消耗式抽空减压系统来作为备用冷源为超导电缆提供冷量，维持运行。低温系统可以满足超导电缆系统运行各个阶段的要求，并在温度、压力和流量控制等方面具有良好的稳定性。3冷箱设计低温系统中，冷箱是一个重要部件，低温系统的大部分重要的部件均安装在冷箱中。首先，冷箱是整个液氮循环的冷源，所有冷量由6台中船重工鹏力（南京）超低温技术有限公司的KDE300SA型号GM制冷机提供，总共可以提供1 500 W70 K的冷量；其次，通过系统中的各个低温阀来调节供给超导电缆的过冷液氮流量；同时，冷箱在正常运行时调节整个超导系统液氮循环的运行压力和温度等参数，为超导电缆的正常运行提供稳定的低温环境。冷箱设计如图2所示，冷箱中各个主要部件参数如表2所列。表2过冷液氮冷却循环系统冷箱主要部件参数Tab.2Parameter of main components of cold box of subcooled liquid nitrogen cooling circulation system序号123456部件名称制冷机过冷液氮杜瓦稳压罐预冷换热器过冷换热器真空罩型号KDE300SAD906t3D356t3D32t2.9D32t2.9D1260t5数量6台1个1个1个1个1个说明单台冷量250 W70 K有效容积50 L压力容器，有效容积30 L浸液式盘管换热器，长度10 m浸液式盘管换热器，长度34.5 m顶装式真空容器图2冷箱设计图Fig.2Design drawing of cold box真空与低温第 29 卷第 2 期1903.1过冷液氮杜瓦和真空罩过冷液氮杜瓦为真空绝热罐式结构，按照真空夹层低温压力容器的特点，设计为立式筒状封头结构。过冷液氮杜瓦材料为 304 不锈钢，设计压力0.3 MPa，设计温度 77 K，中间为筒状，两头焊接封头。杜瓦和真空罩之间为真空夹层。真空罩设计承压0.1 MPa，材料为304不锈钢，经过强度校核计算确定尺寸为直径1 260 mm、厚度5 mm，底部为封头结构，顶端为法兰结构，法兰厚度28 mm，使用钩头螺栓固定。3.2自动控压组件自动控压组件主要用于将整个过冷液氮循环的压力控制在设计范围内，确保循环系统中各个部件的安全运行，以及确保循环液氮在设计压力范围内处于过冷单相。自动控压组件包括稳压罐、补液阀门及管道、卸压排气阀门、加热增压装置、压力测量以及安全部件等。其中，稳压罐设计压力范围0.250.4 MPa，工作压力为 0.250.4 MPa，设计耐压1.0 MPa，设计温度77 K，材料为304不锈钢，容量为30 L。如图1所示，稳压罐通过三通与循环管道相连，只将压力传递给循环系统而不参与主循环。稳压罐内最低压力远高于回流液氮所处温度的饱和蒸气压，从而确保回流液氮处于过冷状态。稳压罐的控压逻辑为：稳压罐顶部安装加热器，当压力偏低时，加热稳压罐上部的氮气以升高压力；当压力偏高时，开启排气阀门，排出氮气，降低罐内压力。稳压正常工作时