高溫超導電纜冷卻系統(tǒng)維保研究

李繼春，曹雨軍，夏芳敏，張立永

（富通集團（天津）超導技術(shù)應用有限公司，天津 300384）

引言

超導技術(shù)[1]是21世紀具有戰(zhàn)略意義的高新技術(shù)，繼高溫超導被發(fā)現(xiàn)后[2]，各國家開始對高溫超導電纜的研究越來越重視。高溫超導電纜輸電被認為是高溫超導強電應用最有希望的領域，其具有功率輸送密度高、損耗小、體積小、重量輕、單位長度電抗值小的特點,在電力行業(yè)應用廣泛，可以實現(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，市場前景也非常廣闊。

富通集團有限公司在高溫超導電纜研發(fā)領域也進行了較多的研究并成功建造了一條百米級高溫超導電纜試驗線且已投入通電運行。雖然世界上有較多國家建成了超導電纜并通電試驗，但目前僅有中、美、德、韓四國共5條超導線仍在繼續(xù)通電運行。

1 維保研究

1.1 工作方案

目前在超導電纜冷卻系統(tǒng)[3,4]的維護和維保方面，無較多經(jīng)驗可以借鑒。通常，超導電纜冷卻循環(huán)系統(tǒng)[5]（如圖1）由超導電纜、制冷機、泵箱、儲液罐、閥箱等組成，其維修維護方法一般是將整個系統(tǒng)停止運行，恢復到常溫常壓狀態(tài)下，然后再進行必要的維保工作。雖然這樣行之有效，但維護周期過長，維護成本較高，而且超導電纜的絕緣部分從低溫回到常溫再由常溫進入到低溫，這種環(huán)境狀態(tài)的往復變化是否會帶來不安全風險，是無法預知的。為確保超導電纜長期有效運行，應盡量避免可產(chǎn)生額外風險的操作。

圖1 超導電纜冷卻循環(huán)系統(tǒng)示意圖

隨著運行時間的增長，冷卻系統(tǒng)各設備需進行相應的維護和維保，尤其是液氮循環(huán)泵，其內(nèi)部泵體軸承一般工作5000～7000 h需進行更換，否則會影響整個系統(tǒng)正常運行。而對液氮循環(huán)泵[4]進行維保必須在常溫常壓狀態(tài)下進行，如何既能確保超導電纜仍處于低溫狀態(tài)，又能隔離液氮循環(huán)泵進行單獨維保是需要研究的課題。對于無法分離隔斷的系統(tǒng)，實施這樣的操作存在諸多困難，例如泵箱與超導電纜過渡間的絕熱配管斷開連接后空氣混入及管口結(jié)霜問題。因此，針對這樣的系統(tǒng)通過反復研究后，在現(xiàn)有系統(tǒng)基礎上稍作改動，維保完成后又可恢復原狀態(tài)，經(jīng)實踐證明效果很好（如圖2）。

圖2 超導電纜冷卻循環(huán)系統(tǒng)維保工作示意圖

改動思路和方法如下：

①利用現(xiàn)有儲液罐提供液氮，無需另外購置散瓶杜瓦罐補充液氮；

②加裝3路波紋管與3處終端連接，對超導電纜進行全程補液，以維持運行溫度；

③工作過程中，確保全部真空泵開啟，保持真空度；

④同時在閥門箱排氣閥處加裝排氣管引出戶外，防止室內(nèi)氮氣濃度過高；

⑤如壓力增長過快，可以通過末端終端容器排氣閥進行排氣降壓。

1.2 工裝準備

一些維保工作工裝如液氮泵維保包及波紋管路的準備是必要的，實例液氮泵為美國Barber-Nich-ols公司產(chǎn)品，型號：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 液氮泵維保包實物部件

液氮管路主要是利用現(xiàn)有儲液罐連接端口與終端容器相連，在維保工作過程中對系統(tǒng)進行補液操作，以維持系統(tǒng)的低溫環(huán)境。因非長時使用，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，在不進行套扣或焊接絲頭的情況下，基本不可能實現(xiàn)快速連接。針對類似這種結(jié)構(gòu)的低溫閥門，設計了一種不破壞原閥門結(jié)構(gòu)不改變原閥門狀態(tài)的快速連接裝置，即裝即拆，方便實用。

1.3 工作注意事項

操作時應注意以下幾點：循環(huán)泵從泵箱吊出期間，防止人員凍傷；維保期間會有較多液氮蒸發(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；維保期間隨時監(jiān)測系統(tǒng)各參數(shù)[6]，尤其防止壓力增長過快。

2 效果驗證

管路連接復原后，將各關(guān)閉閥門恢復到原工作狀態(tài)，按快速冷卻恢復方法將系統(tǒng)還原到最初狀態(tài)，繼續(xù)冷卻運行，持續(xù)觀測各參數(shù)運行變化。整個工作過程中，超導電纜系統(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，液位也會發(fā)生突變，隨時確保液氮的補充是維持系統(tǒng)處于低溫狀態(tài)的必要保障。從實際數(shù)據(jù)看，此次系統(tǒng)溫度始終保持在98 K以下，達到了預期效果。

經(jīng)過2個月的持續(xù)記錄，超導電纜整體運行情況良好，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比曲線供參考，如圖3所示。

圖3 液氮泵維保實施前后流量曲線對比

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)，但慢慢會逐漸降低，隨之其他各參數(shù)均會受到影響。維保實施后，液氮流量無需調(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)相對穩(wěn)定。

3 結(jié)論

高溫超導電纜冷卻系統(tǒng)的維保工作是確保整體系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的必要措施，如按常規(guī)思路將整個系統(tǒng)回到常溫常壓狀態(tài)必然導致維護周期過長，而且高溫超導電纜經(jīng)過低溫到常溫再到低溫的變化，還會增加運行風險。本研究通過對高溫超導電纜系統(tǒng)運行的長時間探索和經(jīng)驗積累，總結(jié)了一套在低溫常壓狀態(tài)下實施維保工作的方法并實踐證明了其可行性，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)的相對穩(wěn)定，維保工作實際最終效果是減輕了制冷機的運行負荷，節(jié)省了電力消耗，確保了高溫超導電纜系統(tǒng)持續(xù)、安全、穩(wěn)定運行。