高溫超導(dǎo)電纜冷卻系統(tǒng)維保研究

李繼春，曹雨軍，夏芳敏，張立永

（富通集團(tuán)（天津）超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用有限公司，天津 300384）

引言

超導(dǎo)技術(shù)[1]是21世紀(jì)具有戰(zhàn)略意義的高新技術(shù)，繼高溫超導(dǎo)被發(fā)現(xiàn)后[2]，各國(guó)家開始對(duì)高溫超導(dǎo)電纜的研究越來(lái)越重視。高溫超導(dǎo)電纜輸電被認(rèn)為是高溫超導(dǎo)強(qiáng)電應(yīng)用最有希望的領(lǐng)域，其具有功率輸送密度高、損耗小、體積小、重量輕、單位長(zhǎng)度電抗值小的特點(diǎn),在電力行業(yè)應(yīng)用廣泛，可以實(shí)現(xiàn)低壓大電流高密度輸電,減少城市用地,符合環(huán)保和節(jié)能的發(fā)展要求，市場(chǎng)前景也非常廣闊。

富通集團(tuán)有限公司在高溫超導(dǎo)電纜研發(fā)領(lǐng)域也進(jìn)行了較多的研究并成功建造了一條百米級(jí)高溫超導(dǎo)電纜試驗(yàn)線且已投入通電運(yùn)行。雖然世界上有較多國(guó)家建成了超導(dǎo)電纜并通電試驗(yàn)，但目前僅有中、美、德、韓四國(guó)共5條超導(dǎo)線仍在繼續(xù)通電運(yùn)行。

1 維保研究

1.1 工作方案

目前在超導(dǎo)電纜冷卻系統(tǒng)[3,4]的維護(hù)和維保方面，無(wú)較多經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。通常，超導(dǎo)電纜冷卻循環(huán)系統(tǒng)[5]（如圖1）由超導(dǎo)電纜、制冷機(jī)、泵箱、儲(chǔ)液罐、閥箱等組成，其維修維護(hù)方法一般是將整個(gè)系統(tǒng)停止運(yùn)行，恢復(fù)到常溫常壓狀態(tài)下，然后再進(jìn)行必要的維保工作。雖然這樣行之有效，但維護(hù)周期過(guò)長(zhǎng)，維護(hù)成本較高，而且超導(dǎo)電纜的絕緣部分從低溫回到常溫再由常溫進(jìn)入到低溫，這種環(huán)境狀態(tài)的往復(fù)變化是否會(huì)帶來(lái)不安全風(fēng)險(xiǎn)，是無(wú)法預(yù)知的。為確保超導(dǎo)電纜長(zhǎng)期有效運(yùn)行，應(yīng)盡量避免可產(chǎn)生額外風(fēng)險(xiǎn)的操作。

圖1 超導(dǎo)電纜冷卻循環(huán)系統(tǒng)示意圖

隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，冷卻系統(tǒng)各設(shè)備需進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)和維保，尤其是液氮循環(huán)泵，其內(nèi)部泵體軸承一般工作5000～7000 h需進(jìn)行更換，否則會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。而對(duì)液氮循環(huán)泵[4]進(jìn)行維保必須在常溫常壓狀態(tài)下進(jìn)行，如何既能確保超導(dǎo)電纜仍處于低溫狀態(tài)，又能隔離液氮循環(huán)泵進(jìn)行單獨(dú)維保是需要研究的課題。對(duì)于無(wú)法分離隔斷的系統(tǒng)，實(shí)施這樣的操作存在諸多困難，例如泵箱與超導(dǎo)電纜過(guò)渡間的絕熱配管斷開連接后空氣混入及管口結(jié)霜問(wèn)題。因此，針對(duì)這樣的系統(tǒng)通過(guò)反復(fù)研究后，在現(xiàn)有系統(tǒng)基礎(chǔ)上稍作改動(dòng)，維保完成后又可恢復(fù)原狀態(tài)，經(jīng)實(shí)踐證明效果很好（如圖2）。

圖2 超導(dǎo)電纜冷卻循環(huán)系統(tǒng)維保工作示意圖

改動(dòng)思路和方法如下：

①利用現(xiàn)有儲(chǔ)液罐提供液氮，無(wú)需另外購(gòu)置散瓶杜瓦罐補(bǔ)充液氮；

②加裝3路波紋管與3處終端連接，對(duì)超導(dǎo)電纜進(jìn)行全程補(bǔ)液，以維持運(yùn)行溫度；

③工作過(guò)程中，確保全部真空泵開啟，保持真空度；

④同時(shí)在閥門箱排氣閥處加裝排氣管引出戶外，防止室內(nèi)氮?dú)鉂舛冗^(guò)高；

⑤如壓力增長(zhǎng)過(guò)快，可以通過(guò)末端終端容器排氣閥進(jìn)行排氣降壓。

1.2 工裝準(zhǔn)備

一些維保工作工裝如液氮泵維保包及波紋管路的準(zhǔn)備是必要的，實(shí)例液氮泵為美國(guó)Barber-Nich-ols公司產(chǎn)品，型號(hào)：BNCP-52C-000；液氮泵維保包是維保工作的必要物品，其主要部件見表1。

表1 液氮泵維保包實(shí)物部件

液氮管路主要是利用現(xiàn)有儲(chǔ)液罐連接端口與終端容器相連，在維保工作過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)液操作，以維持系統(tǒng)的低溫環(huán)境。因非長(zhǎng)時(shí)使用，此處管件選擇成本低廉的304不銹鋼編織網(wǎng)波紋管。

終端容器低溫閥門形狀特殊，在不進(jìn)行套扣或焊接絲頭的情況下，基本不可能實(shí)現(xiàn)快速連接。針對(duì)類似這種結(jié)構(gòu)的低溫閥門，設(shè)計(jì)了一種不破壞原閥門結(jié)構(gòu)不改變?cè)y門狀態(tài)的快速連接裝置，即裝即拆，方便實(shí)用。

1.3 工作注意事項(xiàng)

操作時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：循環(huán)泵從泵箱吊出期間，防止人員凍傷；維保期間會(huì)有較多液氮蒸發(fā)，須密切監(jiān)視工作區(qū)域氧氣濃度，防止窒息；維保完成，循環(huán)泵裝回泵箱，需確保排凈空氣，防止結(jié)冰、結(jié)露；維保期間隨時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各參數(shù)[6]，尤其防止壓力增長(zhǎng)過(guò)快。

2 效果驗(yàn)證

管路連接復(fù)原后，將各關(guān)閉閥門恢復(fù)到原工作狀態(tài)，按快速冷卻恢復(fù)方法將系統(tǒng)還原到最初狀態(tài)，繼續(xù)冷卻運(yùn)行，持續(xù)觀測(cè)各參數(shù)運(yùn)行變化。整個(gè)工作過(guò)程中，超導(dǎo)電纜系統(tǒng)溫度、壓力、液位和真空度均處于較好狀態(tài)。由于壓力變化較大，液位也會(huì)發(fā)生突變，隨時(shí)確保液氮的補(bǔ)充是維持系統(tǒng)處于低溫狀態(tài)的必要保障。從實(shí)際數(shù)據(jù)看，此次系統(tǒng)溫度始終保持在98 K以下，達(dá)到了預(yù)期效果。

經(jīng)過(guò)2個(gè)月的持續(xù)記錄，超導(dǎo)電纜整體運(yùn)行情況良好，溫度、壓力、流量、液位以及真空度等參數(shù)均有較大改善，液氮流量改善更明顯，本次僅列出流量前后對(duì)比曲線供參考，如圖3所示。

圖3 液氮泵維保實(shí)施前后流量曲線對(duì)比

圖3中，5月15日前為液氮循環(huán)泵維保前的曲線，可明顯看出維保工作前后差別較大。維保前液氮流量需經(jīng)常調(diào)整，調(diào)整后流量明顯好轉(zhuǎn)，但慢慢會(huì)逐漸降低，隨之其他各參數(shù)均會(huì)受到影響。維保實(shí)施后，液氮流量無(wú)需調(diào)整，基本穩(wěn)定在一定范圍值內(nèi)，從而也確保其他各參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定。

3 結(jié)論

高溫超導(dǎo)電纜冷卻系統(tǒng)的維保工作是確保整體系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的必要措施，如按常規(guī)思路將整個(gè)系統(tǒng)回到常溫常壓狀態(tài)必然導(dǎo)致維護(hù)周期過(guò)長(zhǎng)，而且高溫超導(dǎo)電纜經(jīng)過(guò)低溫到常溫再到低溫的變化，還會(huì)增加運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。本研究通過(guò)對(duì)高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)運(yùn)行的長(zhǎng)時(shí)間探索和經(jīng)驗(yàn)積累，總結(jié)了一套在低溫常壓狀態(tài)下實(shí)施維保工作的方法并實(shí)踐證明了其可行性，順利完成了維保工作。從效果上看改善明顯，確保了系統(tǒng)各參數(shù)的相對(duì)穩(wěn)定，維保工作實(shí)際最終效果是減輕了制冷機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷，節(jié)省了電力消耗，確保了高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)持續(xù)、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。