超導(dǎo)電纜循環(huán)冷卻系統(tǒng)用制冷機(jī)

趙 陽(yáng)，夏芳敏，曹雨軍，朱紅亮，葉新羽，姚 震

（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

自1911年荷蘭科學(xué)家Onnes發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以來(lái)，人們相繼發(fā)現(xiàn)多種材料具有超導(dǎo)特性，超導(dǎo)材料的超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度也不斷提高。這使得超導(dǎo)體被應(yīng)用于能源、資源開(kāi)發(fā)、真空技術(shù)、計(jì)量檢測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生、交通運(yùn)輸?shù)戎T多領(lǐng)域。超導(dǎo)材料在超導(dǎo)狀態(tài)下具有零電阻和完全的抗磁性，因此用超導(dǎo)體輸送電能可以大幅減少消耗，超導(dǎo)輸電無(wú)疑是最誘人的應(yīng)用方向之一。與常規(guī)電纜相比，高溫超導(dǎo)電纜具有體積小，重量輕，損耗低和傳輸容量大等優(yōu)點(diǎn)，因此采用高溫超導(dǎo)電纜輸電是解決城市用電密度高，建設(shè)用地緊張的最佳方案。

低溫制冷技術(shù)是發(fā)展高溫超導(dǎo)電纜的關(guān)鍵技術(shù)之一，提高其可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性是高溫超導(dǎo)電纜冷卻系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)[1]。2002年我國(guó)開(kāi)始采用單相密閉液氮流程循環(huán)冷卻高溫超導(dǎo)電纜的方式[2]。循環(huán)冷卻系統(tǒng)分為兩種制冷方式：制冷機(jī)直接制冷和抽真空減壓液氮汽化吸熱制冷。至今為止國(guó)內(nèi)外超導(dǎo)電纜運(yùn)行以制冷機(jī)直接制冷方式為主。整個(gè)制冷系統(tǒng)所需冷量由制冷機(jī)產(chǎn)生，制冷機(jī)是過(guò)冷箱內(nèi)最核心的設(shè)備。制冷機(jī)的可靠性和制冷量是影響循環(huán)制冷系統(tǒng)的關(guān)鍵性能。

1 制冷機(jī)的分類及特點(diǎn)

目前，可用于超導(dǎo)電纜循環(huán)冷卻系統(tǒng)的制冷機(jī)主要有G-M制冷機(jī)、斯特林制冷機(jī)、脈沖管制冷機(jī)和逆布萊頓制冷機(jī)。其中前三種均為回?zé)嵝椭评錂C(jī)，利用西蒙膨脹獲得冷量，該類型制冷機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊且成本低。三種制冷機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)及主要應(yīng)用領(lǐng)域如表1所示。

表1 回?zé)嵝椭评錂C(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域

逆布萊頓制冷機(jī)屬于間壁換熱型制冷機(jī)，以氦氣、氖氣為工質(zhì)，利用工質(zhì)膨脹做功來(lái)實(shí)現(xiàn)降溫制冷。該制冷機(jī)主要由壓縮機(jī)、水冷卻器、換熱器、膨脹機(jī)、各傳輸連接管道以及測(cè)量控制系統(tǒng)等組成。采用單級(jí)逆布萊頓循環(huán)的制冷系統(tǒng)基本循環(huán)包括等熵壓縮、等壓冷卻、等熵膨脹和等壓吸熱四個(gè)過(guò)程,利用氣體狀態(tài)在制冷機(jī)內(nèi)循環(huán)變化，實(shí)現(xiàn)把熱量從低溫物體不斷轉(zhuǎn)移到高溫物體[3]。在逆布萊頓制冷機(jī)中，系統(tǒng)的各個(gè)部件相互獨(dú)立，只是依靠工質(zhì)循環(huán)連接，所以各個(gè)部件可以相對(duì)獨(dú)立地優(yōu)化，在組裝各個(gè)部件及與其他系統(tǒng)相連接時(shí)都比較靈活[3]。

逆布萊頓制冷機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有可靠性高、效率高、制冷范圍和冷量范圍大、壽命長(zhǎng)、低震動(dòng)、微型化等。但缺點(diǎn)也較為明顯即成本偏高，需要單獨(dú)配備水冷系統(tǒng)。

目前G-M制冷機(jī)、斯特林制冷機(jī)、脈管制冷機(jī)以及逆布萊頓制冷機(jī)基本上能滿足超導(dǎo)運(yùn)行要求，但各有利弊。今后研究的重點(diǎn)將在提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、增加運(yùn)行壽命、拓展工作范圍、改善性能、簡(jiǎn)化系統(tǒng)并降低費(fèi)用上。

2 回?zé)嵝椭评錂C(jī)

2.1 在超導(dǎo)電纜項(xiàng)目中的應(yīng)用

當(dāng)前世界上運(yùn)行和試驗(yàn)的主要超導(dǎo)電纜項(xiàng)目多采用多臺(tái)同類制冷機(jī)或不同制冷機(jī)直接制冷的方式。表2列舉了使用這些制冷機(jī)的超導(dǎo)電纜項(xiàng)目信息[4]。

表2 部分使用商業(yè)制冷機(jī)的超導(dǎo)項(xiàng)目信息表

2.2 回?zé)嵝椭评錂C(jī)的選擇和設(shè)計(jì)原則

用于超導(dǎo)電纜循環(huán)冷卻系統(tǒng)制冷機(jī)的選擇主要考慮以下因素。

（1）制冷量滿足超導(dǎo)電纜運(yùn)行冷卻要求并提供足夠冗余冷量的前提下盡量減少制冷機(jī)數(shù)量，以免造成空間浪費(fèi)和增加系統(tǒng)復(fù)雜性。

以北京云電英納超導(dǎo)有限公司與中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十六研究所共同研發(fā)的70 K-2000 W超導(dǎo)電纜制冷系統(tǒng)為例。

系統(tǒng)液氮流量計(jì)算：

式中：Q為系統(tǒng)設(shè)計(jì)制冷量；Cp=2.05 J/(g·K)為液氮在70～80 K間的平均定壓比熱；T出＝76 K為液氮出電纜溫度；T進(jìn)＝70 K為液氮進(jìn)電纜溫度；溫差ΔT=6 K。

（2）選擇制冷效率盡量高的產(chǎn)品，提高經(jīng)濟(jì)性。

（3）盡量選擇維護(hù)周期長(zhǎng)、可靠性高的產(chǎn)品以避免因故障和維護(hù)導(dǎo)致超導(dǎo)電纜停運(yùn)。

2.3 回?zé)嵝椭评錂C(jī)的部分商品信息

斯特林制冷機(jī)、脈沖管制冷機(jī)和G-M制冷機(jī)均可在市場(chǎng)上直接購(gòu)買現(xiàn)成產(chǎn)品。表3列舉了可選購(gòu)的制冷機(jī)類型及相關(guān)信息[6,7]。

表3 可用于HTS電力應(yīng)用的商用制冷機(jī)產(chǎn)品參數(shù)

3 逆布萊頓制冷機(jī)

3.1 逆布萊頓制冷機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及選擇

逆布萊頓制冷機(jī)主要由壓縮機(jī)、水冷卻器、換熱器、膨脹機(jī)、各傳輸連接管道以及測(cè)量控制系統(tǒng)等組成。

在制冷系統(tǒng)中，三種常見(jiàn)的制冷壓縮機(jī)（往復(fù)式、螺桿式、離心式）適用溫度范圍不同，所以它們的單機(jī)制冷量也不同。往復(fù)式制冷壓縮機(jī)主要適用于溫度在-120℃以上的家用或商用制冷；螺桿式壓縮機(jī)主要適用于溫度在-80℃以上的工業(yè)領(lǐng)域；離心式壓縮機(jī)多用于深冷領(lǐng)域和大制冷量場(chǎng)合，具有最大的單機(jī)制冷量。

絕熱等熵膨脹是獲得低溫的重要效應(yīng)之一，而透平膨脹機(jī)則是實(shí)現(xiàn)接近絕熱等熵膨脹過(guò)程的一種有效機(jī)械，由于采用氣體軸承透平膨脹機(jī)的逆布萊頓制冷機(jī)具有長(zhǎng)壽命、振動(dòng)小等諸多優(yōu)點(diǎn)，在逆布萊頓制冷機(jī)中一般都采用氣體軸承透平膨脹機(jī)[8]。

按照傳熱面的形狀和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)換熱器可分為管殼式換熱器、板面式換熱器和擴(kuò)展表面式換熱器。一般用于深冷的換熱器為擴(kuò)展表面式換熱器，具體形式有板翅式和管翅式。板翅式由于具有傳熱效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，輕巧而牢固，適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)適宜作為該制冷機(jī)換熱器。

板翅式換熱器的基本結(jié)構(gòu)：在兩塊平金屬板之間夾持一組波形翅片，兩邊以封條密封而組成一個(gè)單元體；各單元體疊加排列，再用釬焊焊接，可以得到不同流向的組裝件，稱為板束；在板束的頂部和底部各留有一層主要起絕緣作用的假翅片層（也稱工藝層）；將半圓封頭用氬弧焊焊在板束上，就制成了一個(gè)板翅式換熱器[4]。

3.2 逆布萊頓制冷機(jī)制冷性能的影響因素

制冷機(jī)的性能一般用制冷系數(shù)COP來(lái)表示，是制冷量與輸出功的比值。根據(jù)逆布萊頓循環(huán)原理，有：

式中：q0為制冷機(jī)產(chǎn)冷量；W為制冷機(jī)的耗功量；T0是要求獲得的制冷溫度；Tk為壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度；ηes為膨脹機(jī)效率；ηcs為壓縮機(jī)效率；ηR為換熱器效率。

制冷系數(shù)COP從數(shù)量上反映了制冷機(jī)對(duì)所耗能量的利用率[9]。隨著ηR、ηes、ηcs的增大COP值均會(huì)增大，其中膨脹機(jī)效率對(duì)COP值影響最大，換熱器效率與COP值呈線性關(guān)系，故提高換熱器效率也是提高制冷效率的有效方式。因此目前逆布萊頓制冷機(jī)的主流設(shè)計(jì)為離心式壓縮機(jī)、透平膨脹機(jī)和板翅式換熱器。

3.3 逆布萊頓制冷機(jī)的應(yīng)用和前景

2008年，美國(guó)超導(dǎo)公司、法國(guó)耐克森公司和法國(guó)液空公司聯(lián)合設(shè)計(jì)的高溫超導(dǎo)電纜在美國(guó)長(zhǎng)島Holbrook變電站通電運(yùn)行。運(yùn)行電壓138 kV，額定電流2.4 kA，輸電容量600 MVA，最大電流3 kA。該項(xiàng)目使用液氮迫流循環(huán)冷卻方式，制冷機(jī)則采用逆布萊頓制冷機(jī)。制冷功率12 kW@65K，免維護(hù)。

目前，從制冷功率角度來(lái)看，在相同溫度下斯特林制冷機(jī)單機(jī)制冷功率最大能達(dá)到2800 W，而G-M型制冷機(jī)的單機(jī)功率還未能超過(guò)700 W。平均維護(hù)周期影響到超導(dǎo)電纜冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有較長(zhǎng)的維護(hù)周期是巨大優(yōu)勢(shì)。斯特林制冷機(jī)的平均維護(hù)周期僅為6000 h。G-M型制冷機(jī)的維護(hù)周期最長(zhǎng)也只有13 000 h。制冷效率方面，逆布萊頓制冷機(jī)在液氮溫區(qū)還略低于斯特林制冷機(jī)的相對(duì)卡諾效率，與G-M制冷機(jī)相當(dāng)。因此提高制冷效率是該類型制冷機(jī)的重要目標(biāo)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)常見(jiàn)商業(yè)制冷機(jī)特點(diǎn)的對(duì)比，以及對(duì)逆布萊頓制冷機(jī)的發(fā)展近況闡述，提供了高溫超導(dǎo)電纜循環(huán)制冷系統(tǒng)采用制冷機(jī)直接制冷方式的選擇范圍與主要選型參考。為超導(dǎo)電纜領(lǐng)域的制冷機(jī)選擇提供了便利。從項(xiàng)目短期成本考慮，直接采購(gòu)現(xiàn)成商業(yè)制冷機(jī)較為劃算。但從長(zhǎng)期考慮，逆布萊頓制冷機(jī)因其具有較大的制冷功率和免于維護(hù)以及各工作單元可進(jìn)行獨(dú)立優(yōu)化改進(jìn)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，有較大的研究?jī)r(jià)值和發(fā)展空間。