超導電纜循環冷卻系統用制冷機

趙 陽，夏芳敏，曹雨軍，朱紅亮，葉新羽，姚 震

（富通集團（天津）超導技術應用有限公司，天津 300384）

引言

自1911年荷蘭科學家Onnes發現超導現象以來，人們相繼發現多種材料具有超導特性，超導材料的超導臨界轉變溫度也不斷提高。這使得超導體被應用于能源、資源開發、真空技術、計量檢測、醫療衛生、交通運輸等諸多領域。超導材料在超導狀態下具有零電阻和完全的抗磁性，因此用超導體輸送電能可以大幅減少消耗，超導輸電無疑是最誘人的應用方向之一。與常規電纜相比，高溫超導電纜具有體積小，重量輕，損耗低和傳輸容量大等優點，因此采用高溫超導電纜輸電是解決城市用電密度高，建設用地緊張的最佳方案。

低溫制冷技術是發展高溫超導電纜的關鍵技術之一，提高其可靠性、穩定性和經濟性是高溫超導電纜冷卻系統的發展目標[1]。2002年我國開始采用單相密閉液氮流程循環冷卻高溫超導電纜的方式[2]。循環冷卻系統分為兩種制冷方式：制冷機直接制冷和抽真空減壓液氮汽化吸熱制冷。至今為止國內外超導電纜運行以制冷機直接制冷方式為主。整個制冷系統所需冷量由制冷機產生，制冷機是過冷箱內最核心的設備。制冷機的可靠性和制冷量是影響循環制冷系統的關鍵性能。

1 制冷機的分類及特點

目前，可用于超導電纜循環冷卻系統的制冷機主要有G-M制冷機、斯特林制冷機、脈沖管制冷機和逆布萊頓制冷機。其中前三種均為回熱型制冷機，利用西蒙膨脹獲得冷量，該類型制冷機結構緊湊且成本低。三種制冷機優缺點及主要應用領域如表1所示。

表1 回熱型制冷機的優缺點及應用領域

逆布萊頓制冷機屬于間壁換熱型制冷機，以氦氣、氖氣為工質，利用工質膨脹做功來實現降溫制冷。該制冷機主要由壓縮機、水冷卻器、換熱器、膨脹機、各傳輸連接管道以及測量控制系統等組成。采用單級逆布萊頓循環的制冷系統基本循環包括等熵壓縮、等壓冷卻、等熵膨脹和等壓吸熱四個過程,利用氣體狀態在制冷機內循環變化，實現把熱量從低溫物體不斷轉移到高溫物體[3]。在逆布萊頓制冷機中，系統的各個部件相互獨立，只是依靠工質循環連接，所以各個部件可以相對獨立地優化，在組裝各個部件及與其他系統相連接時都比較靈活[3]。

逆布萊頓制冷機的優點有可靠性高、效率高、制冷范圍和冷量范圍大、壽命長、低震動、微型化等。但缺點也較為明顯即成本偏高，需要單獨配備水冷系統。

目前G-M制冷機、斯特林制冷機、脈管制冷機以及逆布萊頓制冷機基本上能滿足超導運行要求，但各有利弊。今后研究的重點將在提高系統穩定性、增加運行壽命、拓展工作范圍、改善性能、簡化系統并降低費用上。

2 回熱型制冷機

2.1 在超導電纜項目中的應用

當前世界上運行和試驗的主要超導電纜項目多采用多臺同類制冷機或不同制冷機直接制冷的方式。表2列舉了使用這些制冷機的超導電纜項目信息[4]。

表2 部分使用商業制冷機的超導項目信息表

2.2 回熱型制冷機的選擇和設計原則

用于超導電纜循環冷卻系統制冷機的選擇主要考慮以下因素。

（1）制冷量滿足超導電纜運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數量，以免造成空間浪費和增加系統復雜性。

以北京云電英納超導有限公司與中國電子科技集團公司第十六研究所共同研發的70 K-2000 W超導電纜制冷系統為例。

系統液氮流量計算：

式中：Q為系統設計制冷量；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＝70 K為液氮進電纜溫度；溫差ΔT=6 K。

（2）選擇制冷效率盡量高的產品，提高經濟性。

（3）盡量選擇維護周期長、可靠性高的產品以避免因故障和維護導致超導電纜停運。

2.3 回熱型制冷機的部分商品信息

斯特林制冷機、脈沖管制冷機和G-M制冷機均可在市場上直接購買現成產品。表3列舉了可選購的制冷機類型及相關信息[6,7]。

表3 可用于HTS電力應用的商用制冷機產品參數

3 逆布萊頓制冷機

3.1 逆布萊頓制冷機的主要結構及選擇

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

在制冷系統中，三種常見的制冷壓縮機（往復式、螺桿式、離心式）適用溫度范圍不同，所以它們的單機制冷量也不同。往復式制冷壓縮機主要適用于溫度在-120℃以上的家用或商用制冷；螺桿式壓縮機主要適用于溫度在-80℃以上的工業領域；離心式壓縮機多用于深冷領域和大制冷量場合，具有最大的單機制冷量。

絕熱等熵膨脹是獲得低溫的重要效應之一，而透平膨脹機則是實現接近絕熱等熵膨脹過程的一種有效機械，由于采用氣體軸承透平膨脹機的逆布萊頓制冷機具有長壽命、振動小等諸多優點，在逆布萊頓制冷機中一般都采用氣體軸承透平膨脹機[8]。

按照傳熱面的形狀和結構特點換熱器可分為管殼式換熱器、板面式換熱器和擴展表面式換熱器。一般用于深冷的換熱器為擴展表面式換熱器，具體形式有板翅式和管翅式。板翅式由于具有傳熱效率高，結構緊湊，輕巧而牢固，適應性好等優點適宜作為該制冷機換熱器。

板翅式換熱器的基本結構：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，就制成了一個板翅式換熱器[4]。

3.2 逆布萊頓制冷機制冷性能的影響因素

制冷機的性能一般用制冷系數COP來表示，是制冷量與輸出功的比值。根據逆布萊頓循環原理，有：

式中：q0為制冷機產冷量；W為制冷機的耗功量；T0是要求獲得的制冷溫度；Tk為壓縮機進氣溫度；ηes為膨脹機效率；ηcs為壓縮機效率；ηR為換熱器效率。

制冷系數COP從數量上反映了制冷機對所耗能量的利用率[9]。隨著ηR、ηes、ηcs的增大COP值均會增大，其中膨脹機效率對COP值影響最大，換熱器效率與COP值呈線性關系，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的主流設計為離心式壓縮機、透平膨脹機和板翅式換熱器。

3.3 逆布萊頓制冷機的應用和前景

2008年，美國超導公司、法國耐克森公司和法國液空公司聯合設計的高溫超導電纜在美國長島Holbrook變電站通電運行。運行電壓138 kV，額定電流2.4 kA，輸電容量600 MVA，最大電流3 kA。該項目使用液氮迫流循環冷卻方式，制冷機則采用逆布萊頓制冷機。制冷功率12 kW@65K，免維護。

目前，從制冷功率角度來看，在相同溫度下斯特林制冷機單機制冷功率最大能達到2800 W，而G-M型制冷機的單機功率還未能超過700 W。平均維護周期影響到超導電纜冷卻系統的穩定性，具有較長的維護周期是巨大優勢。斯特林制冷機的平均維護周期僅為6000 h。G-M型制冷機的維護周期最長也只有13 000 h。制冷效率方面，逆布萊頓制冷機在液氮溫區還略低于斯特林制冷機的相對卡諾效率，與G-M制冷機相當。因此提高制冷效率是該類型制冷機的重要目標。

4 結論

通過對常見商業制冷機特點的對比，以及對逆布萊頓制冷機的發展近況闡述，提供了高溫超導電纜循環制冷系統采用制冷機直接制冷方式的選擇范圍與主要選型參考。為超導電纜領域的制冷機選擇提供了便利。從項目短期成本考慮，直接采購現成商業制冷機較為劃算。但從長期考慮，逆布萊頓制冷機因其具有較大的制冷功率和免于維護以及各工作單元可進行獨立優化改進的獨特優勢，有較大的研究價值和發展空間。