超导电缆循环冷却系统用制冷机

赵 阳，夏芳敏，曹雨军，朱红亮，叶新羽，姚 震

（富通集团（天津）超导技术应用有限公司，天津 300384）

引言

自1911年荷兰科学家Onnes发现超导现象以来，人们相继发现多种材料具有超导特性，超导材料的超导临界转变温度也不断提高。这使得超导体被应用于能源、资源开发、真空技术、计量检测、医疗卫生、交通运输等诸多领域。超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因此用超导体输送电能可以大幅减少消耗，超导输电无疑是最诱人的应用方向之一。与常规电缆相比，高温超导电缆具有体积小，重量轻，损耗低和传输容量大等优点，因此采用高温超导电缆输电是解决城市用电密度高，建设用地紧张的最佳方案。

低温制冷技术是发展高温超导电缆的关键技术之一，提高其可靠性、稳定性和经济性是高温超导电缆冷却系统的发展目标[1]。2002年我国开始采用单相密闭液氮流程循环冷却高温超导电缆的方式[2]。循环冷却系统分为两种制冷方式：制冷机直接制冷和抽真空减压液氮汽化吸热制冷。至今为止国内外超导电缆运行以制冷机直接制冷方式为主。整个制冷系统所需冷量由制冷机产生，制冷机是过冷箱内最核心的设备。制冷机的可靠性和制冷量是影响循环制冷系统的关键性能。

1 制冷机的分类及特点

目前，可用于超导电缆循环冷却系统的制冷机主要有G-M制冷机、斯特林制冷机、脉冲管制冷机和逆布莱顿制冷机。其中前三种均为回热型制冷机，利用西蒙膨胀获得冷量，该类型制冷机结构紧凑且成本低。三种制冷机优缺点及主要应用领域如表1所示。

表1 回热型制冷机的优缺点及应用领域

逆布莱顿制冷机属于间壁换热型制冷机，以氦气、氖气为工质，利用工质膨胀做功来实现降温制冷。该制冷机主要由压缩机、水冷却器、换热器、膨胀机、各传输连接管道以及测量控制系统等组成。采用单级逆布莱顿循环的制冷系统基本循环包括等熵压缩、等压冷却、等熵膨胀和等压吸热四个过程,利用气体状态在制冷机内循环变化，实现把热量从低温物体不断转移到高温物体[3]。在逆布莱顿制冷机中，系统的各个部件相互独立，只是依靠工质循环连接，所以各个部件可以相对独立地优化，在组装各个部件及与其他系统相连接时都比较灵活[3]。

逆布莱顿制冷机的优点有可靠性高、效率高、制冷范围和冷量范围大、寿命长、低震动、微型化等。但缺点也较为明显即成本偏高，需要单独配备水冷系统。

目前G-M制冷机、斯特林制冷机、脉管制冷机以及逆布莱顿制冷机基本上能满足超导运行要求，但各有利弊。今后研究的重点将在提高系统稳定性、增加运行寿命、拓展工作范围、改善性能、简化系统并降低费用上。

2 回热型制冷机

2.1 在超导电缆项目中的应用

当前世界上运行和试验的主要超导电缆项目多采用多台同类制冷机或不同制冷机直接制冷的方式。表2列举了使用这些制冷机的超导电缆项目信息[4]。

表2 部分使用商业制冷机的超导项目信息表

2.2 回热型制冷机的选择和设计原则

用于超导电缆循环冷却系统制冷机的选择主要考虑以下因素。

（1）制冷量满足超导电缆运行冷却要求并提供足够冗余冷量的前提下尽量减少制冷机数量，以免造成空间浪费和增加系统复杂性。

以北京云电英纳超导有限公司与中国电子科技集团公司第十六研究所共同研发的70 K-2000 W超导电缆制冷系统为例。

系统液氮流量计算：

式中：Q为系统设计制冷量；Cp=2.05 J/(g·K)为液氮在70～80 K间的平均定压比热；T出＝76 K为液氮出电缆温度；T进＝70 K为液氮进电缆温度；温差ΔT=6 K。

（2）选择制冷效率尽量高的产品，提高经济性。

（3）尽量选择维护周期长、可靠性高的产品以避免因故障和维护导致超导电缆停运。

2.3 回热型制冷机的部分商品信息

斯特林制冷机、脉冲管制冷机和G-M制冷机均可在市场上直接购买现成产品。表3列举了可选购的制冷机类型及相关信息[6,7]。

表3 可用于HTS电力应用的商用制冷机产品参数

3 逆布莱顿制冷机

3.1 逆布莱顿制冷机的主要结构及选择

逆布莱顿制冷机主要由压缩机、水冷却器、换热器、膨胀机、各传输连接管道以及测量控制系统等组成。

在制冷系统中，三种常见的制冷压缩机（往复式、螺杆式、离心式）适用温度范围不同，所以它们的单机制冷量也不同。往复式制冷压缩机主要适用于温度在-120℃以上的家用或商用制冷；螺杆式压缩机主要适用于温度在-80℃以上的工业领域；离心式压缩机多用于深冷领域和大制冷量场合，具有最大的单机制冷量。

绝热等熵膨胀是获得低温的重要效应之一，而透平膨胀机则是实现接近绝热等熵膨胀过程的一种有效机械，由于采用气体轴承透平膨胀机的逆布莱顿制冷机具有长寿命、振动小等诸多优点，在逆布莱顿制冷机中一般都采用气体轴承透平膨胀机[8]。

按照传热面的形状和结构特点换热器可分为管壳式换热器、板面式换热器和扩展表面式换热器。一般用于深冷的换热器为扩展表面式换热器，具体形式有板翅式和管翅式。板翅式由于具有传热效率高，结构紧凑，轻巧而牢固，适应性好等优点适宜作为该制冷机换热器。

板翅式换热器的基本结构：在两块平金属板之间夹持一组波形翅片，两边以封条密封而组成一个单元体；各单元体叠加排列，再用钎焊焊接，可以得到不同流向的组装件，称为板束；在板束的顶部和底部各留有一层主要起绝缘作用的假翅片层（也称工艺层）；将半圆封头用氩弧焊焊在板束上，就制成了一个板翅式换热器[4]。

3.2 逆布莱顿制冷机制冷性能的影响因素

制冷机的性能一般用制冷系数COP来表示，是制冷量与输出功的比值。根据逆布莱顿循环原理，有：

式中：q0为制冷机产冷量；W为制冷机的耗功量；T0是要求获得的制冷温度；Tk为压缩机进气温度；ηes为膨胀机效率；ηcs为压缩机效率；ηR为换热器效率。

制冷系数COP从数量上反映了制冷机对所耗能量的利用率[9]。随着ηR、ηes、ηcs的增大COP值均会增大，其中膨胀机效率对COP值影响最大，换热器效率与COP值呈线性关系，故提高换热器效率也是提高制冷效率的有效方式。因此目前逆布莱顿制冷机的主流设计为离心式压缩机、透平膨胀机和板翅式换热器。

3.3 逆布莱顿制冷机的应用和前景

2008年，美国超导公司、法国耐克森公司和法国液空公司联合设计的高温超导电缆在美国长岛Holbrook变电站通电运行。运行电压138 kV，额定电流2.4 kA，输电容量600 MVA，最大电流3 kA。该项目使用液氮迫流循环冷却方式，制冷机则采用逆布莱顿制冷机。制冷功率12 kW@65K，免维护。

目前，从制冷功率角度来看，在相同温度下斯特林制冷机单机制冷功率最大能达到2800 W，而G-M型制冷机的单机功率还未能超过700 W。平均维护周期影响到超导电缆冷却系统的稳定性，具有较长的维护周期是巨大优势。斯特林制冷机的平均维护周期仅为6000 h。G-M型制冷机的维护周期最长也只有13 000 h。制冷效率方面，逆布莱顿制冷机在液氮温区还略低于斯特林制冷机的相对卡诺效率，与G-M制冷机相当。因此提高制冷效率是该类型制冷机的重要目标。

4 结论

通过对常见商业制冷机特点的对比，以及对逆布莱顿制冷机的发展近况阐述，提供了高温超导电缆循环制冷系统采用制冷机直接制冷方式的选择范围与主要选型参考。为超导电缆领域的制冷机选择提供了便利。从项目短期成本考虑，直接采购现成商业制冷机较为划算。但从长期考虑，逆布莱顿制冷机因其具有较大的制冷功率和免于维护以及各工作单元可进行独立优化改进的独特优势，有较大的研究价值和发展空间。