極端環(huán)境模擬實驗室溫濕度控制技術(shù)研究

鮑 眺 王 楊 景無為 張蔡洧 金 濤

（浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波315100）

1 概述

隨著全球氣候變化，極端天氣災(zāi)害發(fā)生日益頻繁，所造成的大規(guī)模停電事故頻發(fā)，由此帶來巨大的經(jīng)濟損失和政治社會影響。作為直接服務(wù)于用戶的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，配電網(wǎng)在極端天氣情況下的正常運行，對保障人們生產(chǎn)生活、抵御災(zāi)害事故、推動社會發(fā)展具有重要意義，配電網(wǎng)的災(zāi)害應(yīng)對能力由此受到了廣泛的關(guān)注。自2008 年1 月中旬以來，中國經(jīng)歷了四次大規(guī)模的雨雪凍結(jié)天氣過程，持續(xù)時間為22 至25 天。雨雪的冰凍天氣符合電線結(jié)冰的條件：（1）地面溫度的長期平均溫度接近或低于0℃；（2）連續(xù)降水，相對濕度高；（3）在地面附近形成有利的雨層當(dāng)雨滴進入靠近地面的冷氣層時，反演層迅速冷卻，成為過冷的雨滴，并在與電線碰撞時以適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速凍結(jié)，從而凍結(jié)。下雨。凍結(jié)強度反映在許多地區(qū)的覆冰超過30mm，并且某些區(qū)域的最大覆冰超過80mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了生產(chǎn)線的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。雨雪極端環(huán)境的另一個顯著特征是冰和冰范圍的擴大。過去，覆冰與海拔高度直接相關(guān)。通常，海拔越高，冰的厚度越大。例如，2005 年初中國中部雨雪造成的極端環(huán)境破壞發(fā)生在海拔較高的地區(qū)。尤其沿海地區(qū)，極容易受極端天氣影響，因此迫切需要電網(wǎng)設(shè)備材料典型極端氣候模擬設(shè)施試制及應(yīng)用，而極端環(huán)境模擬實驗室的建設(shè)過程中，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是溫濕度的控制，本文提出一套針對極端環(huán)境模擬實驗室的溫濕度控制技術(shù)。

2 溫濕度調(diào)節(jié)

空氣調(diào)節(jié)處理系統(tǒng)是為了保證實驗室內(nèi)的溫濕度要求，空氣處理機組的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。空氣處理機組由不銹鋼定制，放置在風(fēng)機房，其主要由蒸發(fā)盤管、電加熱器、循環(huán)風(fēng)機、加濕蒸汽管等組成。加濕采用定制的蒸汽加濕器，加濕器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。加濕器主要由補水箱和加熱箱組成，補水箱和加熱箱的底部由水管相連組成連通器，當(dāng)水位下降時，補水箱內(nèi)的浮球閥打開為水箱補水，使水箱內(nèi)的水位維持在一定高度。加熱箱安裝電加熱，加熱所產(chǎn)生的蒸汽通過加熱箱頂部的蒸汽管送入空氣處理機組的蒸汽噴管，從而實現(xiàn)為室內(nèi)加濕的功能。加濕器外殼、內(nèi)膽和隔板均采用不銹鋼板焊接制成，為防止加熱箱燙傷實驗人員并減小熱損失，在加熱箱外殼和內(nèi)膽之間采用聚氨酯發(fā)泡進行保溫；補水箱內(nèi)設(shè)置浮子水位報警器，當(dāng)水位低于安全水位時報警并切斷加熱器電源以防止電加熱干燒。

圖1 空氣處理機組

圖2 加濕器設(shè)計

3 溫度控制

電加熱器對實驗室溫度的控制原理如下：首先，控制器按一定時間間隔讀入溫度設(shè)定值，然后將溫度傳感器定實時測出的實際溫度值（反饋）與設(shè)定值進行比較，該差值經(jīng)過比例- 積分- 微分（PID）運算后，輸出采樣周期內(nèi)態(tài)繼電器SSR 應(yīng)導(dǎo)通的時間，該導(dǎo)通時間與采樣周期之比（通斷比）相當(dāng)于實際加熱量與SSR 完全導(dǎo)通時的加熱量之比，調(diào)控的流程如圖3 所示。當(dāng)實際溫度遠(yuǎn)低于設(shè)定溫度時，SSR 應(yīng)完全導(dǎo)通，隨著實際溫度逐漸接近設(shè)定溫度，一個周期內(nèi)SSR 的導(dǎo)通時間會逐漸減小，最后將溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近，此時SSR 的導(dǎo)通時間也將穩(wěn)定在某個值附近，同時加裝周波控制器ZAO 以提高控制精度。

圖3 溫度調(diào)控流程

4 濕度控制

實驗室的空氣濕度主要以濕球溫度的形式進行測試。電熱式加濕器對空氣濕度的控制原理如下：首先，控制器按一定時間間隔讀入濕度設(shè)定值，然后將濕度傳感器定時測出的實際濕度值（反饋）與設(shè)定值進行比較，該差值經(jīng)過比例- 積分- 微分（PID）運算后，輸出采樣周期內(nèi)固態(tài)繼電器SSR 應(yīng)導(dǎo)通的時間，該導(dǎo)通時間與采樣周期之比（通斷比）相當(dāng)于實際加熱量與SSR 完全導(dǎo)通時的加熱量之比，調(diào)控的流程如圖4 所示。當(dāng)實際濕度遠(yuǎn)低于設(shè)定濕度時，SSR 應(yīng)完全導(dǎo)通，隨著實際濕度逐漸接近設(shè)定濕度，一個周期內(nèi)SSR 的導(dǎo)通時間會逐漸減小，最后將濕度穩(wěn)定在設(shè)定值附近，此時SSR 的導(dǎo)通時間也將穩(wěn)定在某個值附近，加裝周波控制器ZAO 以提高控制精度。

圖4 濕度調(diào)控流程

5 結(jié)論

作為直接服務(wù)于用戶的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，配電網(wǎng)在極端天氣情況下的正常運行，對保障人們生產(chǎn)生活、抵御災(zāi)害事故、推動社會發(fā)展具有重要意義，配電網(wǎng)的災(zāi)害應(yīng)對能力由此受到了廣泛的關(guān)注。尤其沿海地區(qū)，極容易受極端天氣影響，因此迫切需要電網(wǎng)設(shè)備材料典型極端氣候模擬設(shè)施試制及應(yīng)用，而極端環(huán)境模擬設(shè)施的建設(shè)過程中，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是溫濕度的控制，本文提出一套針對極端環(huán)境模擬實驗室的溫濕度控制技術(shù)，能很好地解決該問題，為極端環(huán)境模擬設(shè)施的建設(shè)提供了重要的基礎(chǔ)。