高溫超導(dǎo)電纜的回?zé)嵝椭评錂C(jī)研究

蔡潔聰

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014）

高溫超導(dǎo)電纜的回?zé)嵝椭评錂C(jī)研究是在低碳概念下，降低運(yùn)行損耗、提高運(yùn)行效率的主要方向，同時高溫超導(dǎo)電纜回?zé)嵝椭评錂C(jī)在實(shí)際應(yīng)用中具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢，能夠滿足大容量需求，并且使用方便快捷。回?zé)嵝椭评錂C(jī)的設(shè)計研究，雖然在高溫超導(dǎo)電纜基礎(chǔ)上發(fā)展空間得到擴(kuò)大，但是還要綜合實(shí)用價值與經(jīng)濟(jì)學(xué)意義等，因為在原有運(yùn)行系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)冷卻系統(tǒng)，所以對高溫超導(dǎo)電纜回?zé)嵝椭评錂C(jī)的應(yīng)用價值造成影響?；诖?，加大對高溫超導(dǎo)電纜回?zé)嵝椭评錂C(jī)的研究力度，結(jié)合當(dāng)前相關(guān)研究經(jīng)驗，及時進(jìn)行參數(shù)對比與研究，為高溫超導(dǎo)電纜回?zé)嵝椭评錂C(jī)的應(yīng)用與發(fā)展創(chuàng)新提供更多參考。

1 高溫超導(dǎo)電纜的回?zé)嵝椭评錂C(jī)研究背景

科學(xué)技術(shù)發(fā)展以及高新技術(shù)持續(xù)深化情況下，為高溫超導(dǎo)電纜的研究提供了有利條件?；诋?dāng)前高溫超導(dǎo)電纜研究情況，其在效率、損耗以及輸電容量等方面的優(yōu)勢受到研究人員的關(guān)注，研究力度不斷加大[1]。通過對高溫超導(dǎo)電纜傳輸容量統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)，對比普通電纜來講，超出5倍多，同時對比傳輸損耗，高溫超導(dǎo)電纜比普通電纜能夠節(jié)省40%~80%。從這些方面可以看出，高溫超導(dǎo)電纜不僅能夠?qū)Ξ?dāng)前的能源緊缺情況科學(xué)緩解，同時還能夠協(xié)調(diào)能源消耗與環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系。高溫超導(dǎo)電纜在實(shí)際應(yīng)用中，對應(yīng)用條件要求比較苛刻，多處于液氮溫區(qū)，在基本研究基礎(chǔ)上，還需要更多的冷量，這增加了高溫超導(dǎo)電纜的研究成本，同時也影響其商業(yè)化發(fā)展路徑[2]。

根據(jù)高溫超導(dǎo)電纜研究發(fā)現(xiàn)，研究過程中，若增加冷量1 W，電能消耗就會增加15 W，如何在挖掘高溫超導(dǎo)電纜價值的同時，改善其在冷量消耗方面的現(xiàn)狀，推進(jìn)商業(yè)化研究步伐，是當(dāng)前研究的重要方向[3]。高溫超導(dǎo)電纜回?zé)嵝椭评錂C(jī)的研究，在很多方面都取得突破性進(jìn)展。

綜合具體研究內(nèi)容，及時展開創(chuàng)新探索，尋求突破的同時及時尋找不足，結(jié)合仿真模擬手段，對高溫超導(dǎo)電纜的回?zé)嵝椭评錂C(jī)展開理論研究，并且對基本設(shè)計加以優(yōu)化。

2 回?zé)嵝椭评錂C(jī)仿真軟件研究

仿真軟件的應(yīng)用基礎(chǔ)包括兩方面，其一是計算方法；其二是一維數(shù)值分析。常用的包括以下3種，針對性地展開特點(diǎn)對比，了解其適用范圍與優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1 Regen

該仿真軟件的適用范圍以回?zé)崞鳛橹?。使用?yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在計算與分析方面，計算比較方便，計算效率高，及時對回?zé)崞鲀?nèi)部一維流動與傳熱進(jìn)行分析。使用缺點(diǎn)方面，不能在制冷劑整機(jī)設(shè)計中應(yīng)用，無法對各部件聯(lián)系展開分析[4]。實(shí)際軟件分析中，軸向以及數(shù)值積分等是主要分析方法，數(shù)值積分以一維時間數(shù)值為主，除此之外還會涉及到非線性現(xiàn)象。時間步長方面根據(jù)計算數(shù)值為主，不存在周期性，回?zé)崞鳠岫艘约袄涠诉\(yùn)行期間，所產(chǎn)生的各種參數(shù)都可以在計算過程中得到，并且通過瞬時特性加以展示，還能夠掌握制冷劑中回?zé)崞骶珳?zhǔn)的熱力學(xué)參數(shù)[5]。

2.2 Sage

該仿真軟件的適用范圍以制冷機(jī)整機(jī)為主。使用優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在計算比較方便，能夠?qū)χ评錂C(jī)內(nèi)部一維流動與傳熱進(jìn)行分析。使用缺點(diǎn)體現(xiàn)在多維流動性能方面考量難度大，加上制冷機(jī)傳熱方面無法考量[6]。實(shí)際應(yīng)用中，運(yùn)用圖形化界面功能，根據(jù)制冷機(jī)設(shè)計要求，以圖形的方式完成設(shè)計細(xì)節(jié)建模處理，同時綜合機(jī)械特征以及換熱流動等，對整機(jī)設(shè)計進(jìn)行特殊優(yōu)化處理，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，得到最理想設(shè)計值。除此之外，該仿真軟件應(yīng)用，還能夠?qū)υO(shè)計協(xié)同優(yōu)化，尤其是相關(guān)參數(shù)方面[7]。

2.3 CFD數(shù)值仿真

適用范圍為制冷機(jī)整機(jī)。優(yōu)點(diǎn)在于對制冷機(jī)內(nèi)部多維流動能夠定量分析，隨時掌握傳熱情況。缺點(diǎn)在于計算周期相對來講過長，計算結(jié)果與模型優(yōu)劣相關(guān)度大。這種仿真軟件的應(yīng)用，以守恒控制偏微分方程組為載體，用計算機(jī)求解的方式，劃分為2種差分格式，及時對穩(wěn)定性以及制冷機(jī)速度與普適性進(jìn)行設(shè)計[8]。

3 高溫超導(dǎo)電纜的回?zé)嵝椭评錂C(jī)研究創(chuàng)新成果

對于高溫超導(dǎo)電纜回?zé)嵝椭评錂C(jī)的持續(xù)深化研究，回?zé)嵝椭评錂C(jī)運(yùn)行中，以回?zé)崞鳛楹诵?，結(jié)合工質(zhì)周期性條件，協(xié)調(diào)好蓄熱材料，隨后完成熱量交換準(zhǔn)備，掌握其中熱量傳遞以及流量控制等規(guī)律，實(shí)現(xiàn)回?zé)嵝椭评錂C(jī)的快速運(yùn)行。當(dāng)前高溫超導(dǎo)電纜的回?zé)嵝椭评錂C(jī)研究，主要體現(xiàn)在以下類型中。

3.1 斯特林制冷機(jī)研究

斯特林制冷機(jī)作為高溫超導(dǎo)電纜條件下的典型回?zé)嵝椭评錂C(jī)，其冷量的獲取主要通過斯特林制冷循環(huán)方式，歷經(jīng)4個循環(huán)處理環(huán)節(jié)。一為等溫壓縮，為冷量獲取做好準(zhǔn)備工作；二為等容放熱，促進(jìn)制冷循環(huán)的實(shí)現(xiàn)；三為等溫膨脹，滿足冷量獲取條件；四為等容吸熱，及時獲得冷量[9]。斯特林制冷機(jī)運(yùn)行中，主要包括2種驅(qū)動方式，其一為曲柄連桿機(jī)構(gòu)提供驅(qū)動力；其二為自由活塞提供驅(qū)動力。

曲柄連桿機(jī)構(gòu)為主的制冷機(jī)，多應(yīng)用于商業(yè)化領(lǐng)域，該類型驅(qū)動研究時間長，應(yīng)用經(jīng)驗多，已經(jīng)具備非常成熟的制造技術(shù)，并且循環(huán)冷量方面效果非常理想。對于斯特林制冷機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動應(yīng)用，參考浙江大學(xué)在這方面的研究，以Sage軟件為基礎(chǔ)，科學(xué)分析制冷機(jī)運(yùn)行期間能量流分布情況，并且對回?zé)崞鲹p失進(jìn)行計算，得出35.1%的結(jié)果。對水冷器能量流進(jìn)行計算，得出34.8%的結(jié)果。根據(jù)能量流分布與損失研究，針對性地調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，對斯特林制冷機(jī)進(jìn)行升級，研究出602W@77K標(biāo)準(zhǔn)的制冷機(jī)。該制冷機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，雖然能量損失得到改善，但是相對卡諾效率方面卻不夠理想，僅達(dá)到仿真優(yōu)化設(shè)定目標(biāo)值的1/2，為5.2%。隨后浙江大學(xué)開始轉(zhuǎn)換研究角度，從氣壓、工頻方面優(yōu)化升級，同時重新設(shè)計室溫?fù)Q熱器，研究出636W@77K標(biāo)準(zhǔn)的制冷機(jī)。著重從相對卡諾效率方面進(jìn)行改善，從原來的5.2%調(diào)整為16.8%，同時為斯特林制冷機(jī)的發(fā)展提供了參考。

曲柄連桿驅(qū)動下，受到運(yùn)行摩擦影響，制冷機(jī)運(yùn)動部件極易出現(xiàn)磨損，因此需及時對部件進(jìn)行潤滑處理。這方面逐漸成為斯特林制冷機(jī)研究的重點(diǎn)，盡可能減少運(yùn)動部件，并且通過自由活塞式將斯特林制冷機(jī)的運(yùn)行可靠性優(yōu)化。借鑒中科院理化所對于自由活塞式制冷機(jī)的研究成果，78W@80K標(biāo)準(zhǔn)展開討論，據(jù)了解該型號的制冷機(jī)，相對卡諾效率為18.8%。雖然液氮溫區(qū)冷量方面我國的研究還比較少，但是在其他方面已經(jīng)逐漸達(dá)到發(fā)達(dá)國家水平，甚至部分研究已經(jīng)超出發(fā)達(dá)國家。尤其是300W@80K標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，不僅從多方面對制冷機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，同時相對卡諾效率從18.8%已經(jīng)提升至38.9%。由此可以發(fā)現(xiàn)，高溫超導(dǎo)電纜的回?zé)嵝椭评錂C(jī)研究，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，取得很多突破性的研究進(jìn)展，為后期研究的進(jìn)行增加了信息，也積累了研究經(jīng)驗。

3.2 G-M制冷機(jī)研究

以絕熱放氣降溫的方式實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)的運(yùn)行，這是G-M制冷機(jī)運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，這種原理又被稱之為西蒙膨脹。相較于斯特林制冷機(jī)，G-M制冷機(jī)在結(jié)構(gòu)方面具有設(shè)計簡單優(yōu)勢，在性能方面穩(wěn)定性也比較突出，同時將操作步驟簡化，從單一的工作溫區(qū)延伸到多種工作溫區(qū)。通過對Gryimech公司關(guān)于G-M制冷機(jī)方面的研究發(fā)現(xiàn)，該公司所研究的AL300G-M制冷機(jī)，技術(shù)指標(biāo)方面不僅能夠滿足基本參數(shù)要求，同時還能在很多性能上進(jìn)行升級。我國在這方面的研究從未停止，參考上海交通大學(xué)關(guān)于G-M制冷機(jī)方面的研究，以Regen軟件為基礎(chǔ)，在Fluent軟件的輔助下，針對回?zé)嵝椭评錂C(jī)展開數(shù)值仿真計算研究，并且從回?zé)崞鞣矫嬷贫▋?yōu)化計劃，結(jié)合內(nèi)部氣體流動損失等的研究，對G-M制冷機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，研制出120W@77KG-M標(biāo)準(zhǔn)的制冷機(jī)。該制冷機(jī)對傳統(tǒng)G-M制冷機(jī)從多方面做出升級，尤其是氣體流動損失方面，有效抑制能量損失，增加冷量，提高制冷機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，提升G-M制冷機(jī)使用價值。

3.3 脈沖管制冷機(jī)研究

脈沖管制冷機(jī)的研究是基于斯特林制冷機(jī)、G-M制冷機(jī)研究基礎(chǔ)上展開，絕對熱膨脹制冷原理是脈沖管制冷機(jī)運(yùn)行的核心。脈沖管制冷機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中，多方面進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新，不僅從多方面改善了制冷機(jī)運(yùn)行不足，將其可靠性加以提高，也從維護(hù)角度出發(fā)保證了制冷機(jī)運(yùn)行性能，有效減少制冷機(jī)運(yùn)行過程中的維護(hù)頻率。國內(nèi)外對這方面研究非常重視，持續(xù)深入研究的同時，在很多技術(shù)上都取得了突破。脈沖管制冷機(jī)研究參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 脈沖管制冷機(jī)相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計表

借鑒Praxair公司關(guān)于脈沖管制冷機(jī)方面的研究，以Sage軟件作為研究基礎(chǔ)，對斯特林脈沖管制冷機(jī)展開升級研究，標(biāo)準(zhǔn)為300W@80K。從液氮溫區(qū)條件出發(fā)，標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整為77 K，并且對制冷量進(jìn)行增加，得到全新型脈沖管制冷機(jī)。借助高溫超導(dǎo)電纜所提供的優(yōu)勢，將其應(yīng)用到供電站冷卻系統(tǒng)中，運(yùn)行效果非常理想。以此次研究作為參考，相關(guān)科研機(jī)構(gòu)開始加大對脈沖管制冷機(jī)的研究力度。綜合上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)等的研究，著重對脈沖管制冷機(jī)領(lǐng)域展開研究。根據(jù)上海交通大學(xué)相關(guān)研究，以數(shù)值計算為基礎(chǔ)，從回?zé)崞鲀?nèi)部結(jié)構(gòu)出發(fā)，對填充材料、熱流損失的關(guān)系展開研究，并且進(jìn)行了仿真模擬實(shí)驗。參考實(shí)驗結(jié)果，成功研制出標(biāo)準(zhǔn)為32W@80K，類型為單級G-M脈沖管制冷機(jī)。中國科學(xué)院相關(guān)技術(shù)人員為了進(jìn)一步對脈沖管制冷機(jī)性能進(jìn)行優(yōu)化升級，在研究中通過調(diào)相的手段，及時展開仿真模擬數(shù)值計算，參照相關(guān)運(yùn)行理論，研制出標(biāo)準(zhǔn)為1106W@77K的三缸脈沖管制冷機(jī)，對相對卡諾效率進(jìn)行了提高，達(dá)到57.1%。隨后以此為基礎(chǔ)，該研究小組在研究對象中增加并聯(lián)慣性管的研究項目，通過冷卻處理，優(yōu)化脈沖管制冷機(jī)運(yùn)行性能。此次研究中應(yīng)用到數(shù)值模擬軟件，制冷量從1 106 W提升至1 100 W，同時冷頭溫度為80 K。

在此基礎(chǔ)上，中國科學(xué)院方面，以Regen軟件，對回?zé)崞髡归_研究，同時采用慣性管組合優(yōu)化的手段，及時調(diào)整制冷機(jī)的絲網(wǎng)填充手段，目標(biāo)是制備相對卡諾效率10.0%，制冷量為5 W，冷頭溫度為60 K，同軸型脈沖管制冷機(jī)。隨后浙江大學(xué)以Sage軟件為基礎(chǔ)，從損失機(jī)理方面出發(fā)，針對回?zé)崞髦写嬖诘拿}沖管內(nèi)部流場存在的缺陷進(jìn)行研究，經(jīng)過仿真模擬數(shù)值研究，得到最終的優(yōu)化結(jié)果。隨后研制出大功率單級屬性，制冷量為650 W，冷頭溫度為77 K的斯特林脈沖管制冷機(jī)。

4 結(jié)論

（1）綜合高溫超導(dǎo)電纜的優(yōu)勢研究，認(rèn)識到高溫超導(dǎo)電纜的回?zé)嵝椭评錂C(jī)研究在很多方面具有突出優(yōu)勢。對比普通電纜類型，高溫超導(dǎo)電纜不僅運(yùn)行效率更高，損耗低，而且輸電量大，為制冷機(jī)創(chuàng)新與功能強(qiáng)化提供更多幫助。

（2）充分了解當(dāng)前高溫超導(dǎo)電纜的回?zé)嵝椭评錂C(jī)研究仿真軟件類型，Regen、Sage、CFD數(shù)值方針3種類型，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)用范圍、優(yōu)勢與劣勢都需詳細(xì)掌握，這是回?zé)嵝椭评錂C(jī)研究的基本前提。

（3）我國在制冷機(jī)研究方面雖然起步比較晚，但是技術(shù)創(chuàng)新非常快，積極總結(jié)制冷機(jī)研究經(jīng)驗，參考國外先進(jìn)研究過程，不斷對制冷機(jī)性能進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)制冷機(jī)研究現(xiàn)狀，及時吸取教訓(xùn)，利用數(shù)值仿真模擬的方式，計算出更精準(zhǔn)的結(jié)果，研制出更多功能性強(qiáng)的回?zé)嵝椭评錂C(jī)。

（4）未來高溫超導(dǎo)電纜的回?zé)嵝椭评錂C(jī)必然會形成產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢，也會帶動制冷機(jī)研究進(jìn)步。