高温超导电缆制冷系统设计控制方案及试验验证

朱红亮，曹雨军，夏芳敏，姚 震，门建民，高翠芳

（富通集团（天津）超导技术应用有限公司 天津市超导电缆应用企业重点实验室，天津 300384）

0 引言

高温超导输电由于具有容量大、损耗低、体积小、质量轻等特点，成为一种极具潜力的大规模电力输送技术[1]。随着超导临界温度升至液氮温区，高温超导电缆工业化应用成为可能。目前，超导电缆示范工程向着长距离技术方向发展，世界各国正在加快高温超导电缆产业化进程。2013年俄罗斯VNIIKP公司在莫斯科完成2.5 km/±20.5 kV/2 kA直流超导电缆工程建设[2]。2014年德国耐克森公司在埃森市完成1 km/10 kV/2.3 kA交流超导电缆示范工程挂网运行[3]。2019年韩国LS公司在首尔建成1 km/22.9 kV/2 kA交流超导电缆示范工程[4]。由上海电力公司牵头的1.2 km/35 kV/2 kA交流超导电缆示范工程预计在2021年底投入运行[5]。以上除德国1 km超导电缆项目采用减压制冷方式外，其他国家均采用制冷机制冷方式保障超导电缆77 K低温环境。安全、高效、易于维护的低温制冷技术，直接决定着超导电缆的长距离高效运行，是推进超导电缆系统产业化应用的关键技术。

本文通过搭建10 m超导电缆制冷系统测试平台，分别对制冷机的直接制冷方式进行设计和试验验证，期望得到安全、高效、易于维护的制冷方案。

1 制冷系统设计

在高温超导电缆系统中，通常采用闭式液氮迫流循环方式进行冷却，制冷方式有2种，分别为制冷机直接制冷和抽气减压制冷，如图1所示。其中，制冷机或液氮气化吸热为系统提供冷量；低温容器为系统贮存低温液氮；液氮泵为系统提供迫流循环动能；真空管道用于连接低温制冷机、低温容器、真空泵及超导电缆，形成低温液氮流通管道。

图1 液氮迫流循环制冷示意图Fig.1 Schematic diagram of liquid nitrogen forced flow cycle refrigeration mode

制冷系统设计包括装置设计、预冷设计及运行控制设计，如图2所示。设计原则为：制冷效率高、可靠性高、操作便捷、日常维护方便。

图2 制冷系统设计思路示意图Fig.2 Schematic of design ideas for refrigeration system

1.1 装置设计

1.1.1 制冷方式设计

（1）制冷机选型

制冷技术发展至今，单台制冷机最大制冷量可达几千瓦，制冷温度越低，要求制冷量越大[6-7]。根据卡诺循环方式不同，可用于超导电缆的制冷机有斯特林制冷机、G-M制冷机和逆布雷顿制冷机，三种制冷机的优缺点如表1所列。鉴于斯特林制冷机在77 K温区卡诺效率最高，因此作为制冷系统的首选。

表1 制冷机优缺点对比Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of refrigerators

（2）制冷方式对比

超导电缆的应用特点是长距离，系统热负荷逐步升高。减压制冷方式将消耗大量的液氮，只能采取罐车输运的方式补液，为制冷系统维护造成困难。因此，为确保系统的可靠性，可采取以制冷机制冷为主，减压制冷为辅的制冷方式，当制冷机进入维护周期时，用减压制冷临时提供冷量，可以节约部分设备成本。表2对比了不同制冷方式的优缺点。

表2 制冷方式优缺点对比Tab.2 Comparison of advantages and disadvantages of cooling methods

1.1.2 低温容器绝热结构选型

低温容器用于存储超导电缆循环冷却介质液氮，是双层壁真空绝热容器，一般采用不锈钢材料制造，要求壁间真空度高、内壁薄，以减少横向、纵向热传导漏热，如图3所示。真空多层绝热结构由于多层壁间均包裹金属薄膜间隔物做为辐射屏[11]，可极大减少辐射漏热，有效导热率可达10-5数量级，是超导电缆系统低温容器绝热的最佳方式。

图3 低温绝热结构示意图及有效导热率范围Fig.3 Effective thermal conductivity range of low-temperature insulation structure

1.1.3 液氮泵关键数据计算

液氮泵为超导电缆系统提供液氮循环的动能，保证液氮连续、平稳流动。按照工作原理，可分为往复式和离心式。往复式适用于压力高、流量大的超导电缆系统[12-13]。

液氮流量计算：

式中：L为液氮流量，L/min；Q总为系统总制冷量，W；CP为液氮比热，J（/kg·K）；T0为进口温度，K；T1为出口温度，K。

扬程计算：

式中：H为扬程，m；S为系统各部分流阻，Pa·s·m-3。

1.1.4 真空管道选型

真空绝热管道是双层结构，内外管之间采用高真空多层隔热，是连接电缆系统、制冷机、低温容器及液氮泵的重要载体，其连接方式必须重点设计。与法兰连接漏热大、焊接连接拆卸不便相比，管道插拔连接拆卸方便、密闭性好、漏热小，是超导电缆系统管道连接的最佳选择方式，如图4所示。

图4 管道连接方式示意图Fig.4 Schematic diagram of pipe connection

为解决管道端头处液氮热胀冷缩应力问题，对管道端头处进行收缩处理，或者将表面加工出波纹或者添加柔性编制网，如图5所示。

图5 管道端头收缩处理示意图Fig.5 Schematic diagram of pipe end shrinkage treatment

1.2 系统预冷设计方法

超导电缆制冷系统在正式通入液氮前要进行充分的预冷过程[14]。预冷却有三个目的：（1）清除系统内杂质；（2）实现温度梯度平稳过度，防止由于温度剧烈变化造成的不锈钢部件热应力损坏；（3）测试系统密封性能。预冷流程如图6所示。

图6 超导电缆制冷系统预冷流程图Fig.6 Precooling process of superconducting cable refrigeration system

1.3 制冷系统运行控制

1.3.1 制冷系统发生相变产生的影响

制冷系统运行过程中，须保证液氮不产生相变。若液氮固化，将造成系统循环受阻，无法进行高效的热交换；若液氮气化，将在循环系统中产生两相流[10]，如图7所示。造成的影响有：（1）流动阻力增大；（2）换热效率降低（液氮对流换热系数远大于氮气）；（3）绝缘强度降低（氮气绝缘强度是液氮的1/2）；（4）两相流将在管道中产生弹性震动，长期运行将损坏管道的机械性能。

图7 液氮/氮气两相流示意图Fig.7 Schematic diagram of liquid nitrogen/nitrogen two-phase flow

1.3.2 制冷系统控制方案

为防止制冷系统发生相变，须及时调整制冷量的变化，通过调整制冷机功率控制系统温度，当制冷系统作用降低时，通过控制液氮流速及系统压力，实现温度控制，控制逻辑如图8所示。

图8 系统控制逻辑图Fig.8 Refrigeration system control logic diagram

（1）当系统温度小于设定温度下限时，减小制冷机做功，提高系统温度。

（2）当系统温度高于设定温度时，增大制冷机功率；系统温度仍上升时，增大液氮泵功率，加大热对流换热效率；若系统温度仍未下降，通过减压制冷增加制冷量，期间须补充液氮。

（3）当系统温度即将达到失超阈值时，切换超导电缆输电线路。

2 制冷系统运行测试验证

2.1 制冷系统实验设计及测试

为验证制冷系统设计方法的可靠性，搭建了10 m超导电缆制冷系统测试平台，进行预冷及运行控制验证。用液氮罐通过气化器为系统提供预冷氮气，预冷完毕后，液氮进入循环。系统设计方案如表3所列，连接如图9所示。

表3 制冷试验系统设计方案Tab.3 Refrigeration test system design scheme

图9 制冷系统连接示意图Fig.9 Refrigeration system connection diagram

如图10所示，经过吹扫、预冷，系统温度由282 K降至81 K，持续时长约28 h。预冷结束后，启动液氮泵和制冷机，制冷系统进入运行状态。

图10 制冷系统预冷温度变化曲线Fig.10 The pre-cooling temperature change curve of the refrigeration system

2.2 测试结果分析

实验运行过程中，通过测量循环制冷系统液氮温升和流量，计算出系统实际热负荷约为420 W，如图11所示。可以看出超导电缆进出口温度控制在71 K至73.5 K，温度波动范围为±0.7 K，制冷机制冷量控制在600 W，输出功率保持在2 kW，制冷效率可达到30%。实验结果满足设计要求。

图11 制冷系统运行过程中温度变化曲线Fig.11 Temperature change curve during the operation of the refrigeration system

3 结论

通过对高温超导电缆制冷系统设计方法的研究及实验验证，得到以下结论：

（1）可以用斯特林制冷方式为超导电缆制冷，制冷效率可达到30%。

（2）系统运行采用逐级温度控制，通过不同的压力控制液氮气化相变温度，可以避免由于系统液氮沸腾导致电缆系统通流、绝缘、机械性能受到影响。