高溫超導電力應用的低溫冷卻系統(tǒng)及制冷機
摘 要：在過去的十多年中, 高溫超導(HTS)在電力應用的諸多方面, 如電力傳輸電纜、故障限流器、變壓器、船舶推進馬達、發(fā)電機和電感貯能, 取得了很大的進展. 低溫冷卻系統(tǒng)是超導電力設備的重要組成部分, 對 HTS 電力應用的成敗及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展起重大影響. 低溫冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定性、成本很大程度上是由制冷機的性能、價格決定的. 介紹各種 HTS 電力應用低溫冷卻系統(tǒng)的熱負荷水平、冷卻方式、致冷介質(zhì). 從制冷量、維護周期、價格、可靠性方面選擇了幾種適用于 HTS 電力設備的商用制冷機產(chǎn)品, 介紹其工作原理、性能參數(shù)、適用場合. 未來 HTS 電力應用對制冷機的要求主要集中在可靠性、效率、價格 3 方面: 可靠性要提高到 99.8%, 制冷機相對卡諾效率提高 30%以上, 制冷機在 80 K 溫度下制冷成本降低到 25 美元/W 以下. 此外, 對恒溫器、低溫管道、流體循環(huán)泵也作了簡要介紹.
1 引言
2011 年是超導現(xiàn)象發(fā)現(xiàn) 100 周年. 其中前 70 年是低溫超導應用的發(fā)展時期, 后 30 年是高溫超導應用的快速發(fā)展階段. 自20 世紀60 年代美國建成超導氫泡室磁體以來, 低溫超導磁體已廣泛地應用于高能粒子加速器、核聚變實驗裝置、強磁場裝置、核磁共振儀、醫(yī)用磁共振成像儀、大功率微波發(fā)射、磁分離、大直徑單晶生長爐、超導量子儀等. 雖然在電力應用方面曾嘗試低溫超導電纜、大功率馬達、發(fā)電機和大容量電磁貯能等, 但都未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化. 其原因之一是致冷成本太高、可靠性太低.
20 世紀 80 年代高溫超導(HTS)材料的發(fā)現(xiàn)使人們重新燃起超導電力應用的熱情, 而且將 21 世紀電力工業(yè)的發(fā)展寄托在超導技術(shù)應用上. 近十幾年來HTS 電力電纜、變壓器(尤其是用于電力機車)、故障限流器、大型艦船推進馬達、大型發(fā)電機都取得了重大進展. 低溫超導磁體的電流引線采用 HTS 后, 系統(tǒng)的致冷負荷大幅度降低. HTS 電流引線已進入實用化階段. HTS 能夠成功應用于電力設備必須滿足的基本條件是: 或具備經(jīng)濟性優(yōu)勢, 或體積小、重量輕, 或技術(shù)先進、優(yōu)于常規(guī)技術(shù). HTS 電力應用的運行溫度取決于應用場合及磁場大小, 通常在 20~77 K (即液氫至液氮溫度). 這比低溫超導的4.2 K液氦溫度高得多, 其致冷費用也相應大幅度降低, 而且降低了技術(shù)難度. 只要 HTS 線材的成本降低到合理的水平, 它的電力應用前景是令人樂觀和值得期待的.
目前, 可以應用于電力設備或具有應用潛力的HTS 材料主要有 Bi-2223, YBCO 和 MgB2帶材或線材.Bi-2223 和 YBCO 的臨界溫度都高于液氮溫度 77 K, 可以在液氮溫區(qū)使用. 目前Bi-2223 價格比YBCO 便宜, 同樣尺寸規(guī)格帶材的臨界電流也高, 是使用最為廣泛的 HTS. YBCO 帶材的原材料成本比以銀作為主要原材料的 Bi-2223 帶材低很多, 具有降低成本的較大潛力. YBCO 在垂直場下的臨界電流衰減小于Bi-2223, 在較強磁場方面應用具有優(yōu)勢. 雖然 MgB2的超導臨界轉(zhuǎn)變溫度(39 K)遠低于液氮溫度, 但其物理、化學性能更接近于合金材料, 相對容易加工, 價格也比較便宜, 所以得到了人們的廣泛重視.
圖 1 給出了各種 HTS 電力應用的運行溫度和熱負荷水平. HTS 電力應用的運行溫度集中在20 和77 K兩個溫區(qū)附近. 其中電纜、變壓器和故障限流器都運行在液氮溫區(qū)(65~77 K). 對于電纜和限流器(包括電阻型和飽和鐵心型), 超導材料所處的磁場較低, 一般可以采用Bi-2223 帶材. 變壓器繞組內(nèi)磁場略高些, 早期采用Bi-2223帶材的超導變壓器運行溫度在30 K左右. 由于YBCO 在垂直場下臨界電流衰減很小, 在過冷液氮溫度(如~65 K)就可以承載較大電流. 因此, 目前超導變壓器較多設計采用 YBCO 帶材. 超導貯能、超導電機的磁場較高, 運行在液氫液氖溫區(qū)附近(20~35 K). 大型馬達、發(fā)電機繞組通常采用液氖冷卻, 運行在25~35 K 溫區(qū). 未來大型超導貯能線圈有可能采用廉價又便于做成圓線電纜的 MgB2 導體, 可運行在液氫溫度(20 K). 若設計小型高貯能密度的線圈, 宜采用 YBCO 或 Bi-2223, 其運行溫度可以提高至25~30 K 水平, 由小型制冷機致冷.
不同HTS 電力應用的熱負荷范圍也是不同的. HTS電纜的恒溫器熱負荷和交流損耗水平為 3~5 W/m. 對于長度大于 1 km 的傳輸電纜, 其熱負荷可達數(shù)十千瓦. 相比之下, 變壓器和限流器的熱負荷要小 1~2個數(shù)量級. 馬達和發(fā)電機的熱負荷在數(shù)百瓦水平. 對于貯存能量在 50 MJ~1 GJ 量級 MgB2磁貯能線圈, 由于體積龐大, 熱負荷可高達數(shù)百瓦至千瓦水平;
圖1 HTS電力應用的運行溫區(qū)、熱負荷水平和各類現(xiàn)有制冷機的供冷溫區(qū)及制冷量范圍
比如最高磁場為11 T 的2.4 GJ YBCO 環(huán)形貯能線圈, 貯能密度高體積小, 設計制冷機配置為4.8 kW@20 K +18 kW@77 K.
2 低溫致冷介質(zhì)和冷卻模式
除了固體傳導冷卻(僅適合于熱負荷較小的場合), 大部分 HTS 電力應用要求低溫致冷介質(zhì), 例如, 液氮、液氖、液氫或氣氦, 直接接觸傳熱并帶走熱 量. 表1列出了與此相關(guān)的5種氣體的液化溫度(即大氣壓下沸點)、固化溫度、氣化潛熱、液態(tài)密度和比熱.
氦的液化溫度為 4.2 K, 大大低于 HTS 電力應用的運行溫區(qū)(20~77 K), 但將超導材料溫度降至并保持在液氦溫度的成本太高, 致冷系統(tǒng)比較復雜, 可靠性較低, 在經(jīng)濟上不劃算. 由于它的氣相比熱大和液化溫度低, 氦氣成為大多數(shù)制冷機內(nèi)部的工作氣體.
氦氣也可用于冷卻 HTS 馬達、發(fā)電機或貯能線圈, 只限于熱負荷不大的部件. 因為它比液-固之間的傳熱系數(shù)小 1~2 個數(shù)量級(對于迫流氦氣, 傳熱系數(shù)~300 W K-1 m-2). 而且它又沒有液體冷卻時氣化潛熱可利用, 故遠不如液體冷卻下運行溫度穩(wěn)定.
表1 可用于 HTS 電力應用的各種致冷介質(zhì)的部分熱力學數(shù)據(jù)
液氫的液化溫度為 20.3 K, 是超導貯能、超導電機較為理想的運行溫度. 氫能是未來清潔能源之一, 也是重要的能源貯存和傳輸形式. 有人設想將液氫傳輸主干網(wǎng)與 MgB2 超導電纜主干電網(wǎng)結(jié)合在一起, 構(gòu)建未來能源傳輸主干網(wǎng). MgB2 貯能線圈也可利用液氫冷卻. 使用液氫作為冷卻介質(zhì)應采取措施, 預防其爆炸的風險, 確保設備運行和人身安全.
液氖溫度和液氫溫度相差不多. 氖氣是一種惰性氣體, 其安全性比液氫高的多. 氖的單位體積氣化潛熱比液氦高 40 倍, 液氖冷卻的 HTS 線圈運行溫度十分穩(wěn)定, 多數(shù)HTS馬達和發(fā)電機的冷卻采用液氖. 此外, 逆布萊頓(Inverse Brayton)循環(huán)制冷機若采用氖氣作為工質(zhì), 則制冷效率會比氦氣有所提高. 但氖氣只能從空氣中提取, 遠遠高于氦氣的價格, 在 HTS電力應用方面具有很大局限性.
液氮的液化溫度是 77 K, 是最廉價的低溫液體, 具有優(yōu)良的電絕緣性能(與變壓器油相差無幾)和很高的氣化潛熱. 因此, HTS 電纜、變壓器和故障限流器都選擇其作為致冷介質(zhì). 通過減壓降溫, 可使液氮降溫至 63.15 K. 由于目前 HTS 的價格很貴, 而降溫能大大提高 HTS 的臨界電流密度, 因此設計者都把運行溫度降至盡可能低的水平, 變壓器與限流器選擇在 65~66 K, 電纜在 70 K.
液氮溫度低于 63.15 K 時會變成固氮. 近年來還有人提出采用固氮冷卻運行在 20~30 K 溫區(qū)的 HTS線圈. 利用在此溫區(qū)固氮比熱遠遠大于金屬材料比熱的特點, 固氮可成為大的熱沉. 但是固氮的熱導率較低, 使熱沉難以如愿發(fā)揮作用.
氧的液化溫度是 90 K, 稍高于液氮. 液氧也是一種來源廣泛、價格低廉的低溫液體. 由表 1 可見, 液氧的凝固溫度比液氮大約低9 K, 其壓力也低得多. 然而液氧太活潑, 不宜直接采用. 它與液氮的混合物(氮組分 22%)可達到更低固化溫度, 接近 50 K, 并且又不像純液氧那么活潑, 有成為 HTS 電力應用冷卻介質(zhì)的可能性. 液氮含量與液相溫區(qū)見圖 2.
HTS 電力設備的致冷模式可分為傳導式和浸泡式兩種. 傳導式是用導熱良好的銅將制冷機冷頭與超導部件連接, 通過熱傳導吸收熱量. 冷頭和超導部件之間還需要用氮化鋁來實現(xiàn)良好的導熱和電絕緣. 傳導式致冷模式不需要液體/氣體致冷介質(zhì), 用制冷機就能實現(xiàn)致冷, 使用簡單、方便. 但也存在降溫速度慢, 溫度均勻性差、抗熱擾動能力低等缺點, 往往應用于超導部件體積小、熱負荷較低的場合, 如小型貯能線圈.
浸泡式致冷模式是用液體致冷介質(zhì)浸泡超導部件, 利用致冷介質(zhì)吸收、傳遞熱量. 對于變壓器、故障限流器, 制冷機冷頭能直接安裝在超導線圈杜瓦上, 通常采用過冷液氮浸泡冷卻, 這是最簡單而且有效的致冷模式. 電纜的長度比較長, 而制冷機只能布置在沿線的若干地點, 必須采用循環(huán)泵驅(qū)動液氮流動, 保證超導電纜溫度的均勻性. 對于旋轉(zhuǎn)電機和中等貯能線圈, 制冷機冷頭不方便安裝在超導線圈杜瓦上, 使用循環(huán)泵又會大大增加復雜性, 這時可采用熱虹吸管輔助冷卻. 其基本原理是: 來自再冷凝槽的低溫液體借助于位差流向需冷卻的 HTS 部件, 受熱氣化的冷蒸汽回流到制冷機冷頭上的冷凝器被凝結(jié)液化. 熱虹吸管方法能做到 HTS 部件與冷頭之間的溫差小于 1 K. 美國奧爾巴尼(Albany)電纜即采用熱虹吸管將過冷槽液氮與斯特林(Stirling)制冷機耦合; 有人也將此法用于液氫冷卻的 MgB2 磁貯能線圈.
HTS 電力設備的致冷系統(tǒng)可分成開式和閉式兩類. 開式系統(tǒng)指的是將蒸發(fā)的氮氣直接排放到大氣中. 如液氮冷卻的電纜、變壓器和故障限流器, 若采用直接浸泡, 不安裝制冷機, 氣化的氮氣自然或通過機械泵釋放到大氣中, 就可視為開式系統(tǒng). 如果從工業(yè)界購買液氮方便, 價格又不高, 則開式系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)簡單、投資少、可靠性高的選擇. 尤其適用于實驗室研究及中試階段. 它也可作為閉式系統(tǒng)的制冷量備份或補充. 其缺點是冷蒸氣至室溫的顯熱被白白浪費, 且有定期運輸和補充液氮的麻煩.
如果來自 HTS 部件的冷蒸氣返回到冷箱, 并被制冷機重新液化后繼續(xù)參與冷卻循環(huán), 則稱為閉式系統(tǒng). 其優(yōu)點是系統(tǒng)運行易實現(xiàn)自動化. HTS 電力設備產(chǎn)品都應該盡量采用閉式冷卻系統(tǒng), 尤其是采用氦、氖等昂貴介質(zhì)的設備. 表 2 收集了近年來 HTS電纜、變壓器、故障限流器、旋轉(zhuǎn)電機和貯能線圈冷卻系統(tǒng)的冷卻模式、運行溫度、制冷量、制冷機等 信息.
圖 2 氧-氮混合液體的全液、液-固共存和全固相的溫區(qū)
致冷系統(tǒng)通常由裝有超導部件的恒溫器、裝有控制閥和液氮循環(huán)泵的杜瓦、低溫管道、制冷機、控制系統(tǒng)和備用設備等組成. 圖 3(a)是用于超導電纜實驗研究的致冷系統(tǒng)主體部分: 一臺斯特林制冷機與杜瓦相連, 接收蒸發(fā)的冷氮氣, 并將再冷凝的液氮輸回杜瓦內(nèi)的液氮過冷槽, 杜瓦內(nèi)的液氮循環(huán)泵把壓力高于大氣壓(3~6 bar)的液氮通過低溫管道與試驗的電纜終端連接. 但另一些 HTS 電力應用, 如限流器、變壓器、貯能線圈和旋轉(zhuǎn)電機等, 不需要液氮循環(huán)泵, 可省去裝液氮循環(huán)泵的杜瓦. 電阻型限流器屬于此類型(見圖 3(b)).
制冷機是 HTS 電力應用制冷系統(tǒng)中至關(guān)重要的部分. 其性能和超導電力設備的效率、成本、可靠性有很大關(guān)系. 下面將介紹應用于超導電力設備的低溫制冷機.
3 制冷機分類和制冷效率
制冷機的原理是利用電能、機械能做功, 從低溫物體吸收熱量, 并釋放到高溫物體. 制冷機是依靠制冷工質(zhì)經(jīng)歷不同的循環(huán)來實現(xiàn)制冷功能的. 工質(zhì)從室溫變化到低溫, 會放出熱量; 從低溫變化到室溫, 會吸收熱量. 高效率的制冷機通常具有換熱器, 使得工質(zhì)在室溫和低溫之間變化時放出的熱量與吸收的熱量產(chǎn)生傳遞. 根據(jù)工質(zhì)內(nèi)部熱量傳遞方式的不同可分為間壁換熱型(Recuperative)和回熱型(Regenera-tive)兩種類型.圖 4 為 5 種典型的制冷循環(huán).
1)間壁換熱型制冷機: 主要有 J-T (Joule-Thom-son)節(jié)流制冷機和逆布萊頓(Inverse Brayton)制冷機,克勞德(Claude)制冷機是前兩種的組合. 對流換熱型制冷機的熱工質(zhì)流體和冷工質(zhì)流體由固體壁面隔開,分別在不同的流道中流動, 通過工質(zhì)與流道壁面之間的對流換熱進行熱量交換. 間壁換熱器內(nèi)熱流工質(zhì)和冷流工質(zhì)其壓力與流量大致穩(wěn)定, 流量、壓力和熱流-換熱器-冷流三者之間熱量傳遞等參數(shù)類似于直流電路的電流和電壓. 間壁換熱型制冷機工作過程是工質(zhì)氣體被壓縮機壓縮后變成高溫高壓工質(zhì), 進入冷凝器將熱量散失至冷卻水或空氣中, 流經(jīng)主換熱器預冷后經(jīng)節(jié)流閥(J-T)或膨脹機做工(逆布萊頓)獲得制冷量.
表 2 典型HTS 電力應用的低溫系統(tǒng)重要特征和參數(shù)
圖3 電纜和限流器試驗的冷卻系統(tǒng)
(a) 采用過冷 LN2 迫流冷卻的 HTS 電纜; (b) 在 San Dionogi 電站的 Bi-2223 限流器
圖4 對流換熱和回熱型制冷機的循環(huán)簡圖
制冷機的效率和制冷循環(huán)不可逆程度有關(guān). 不可逆損失大, 制冷效率就越低. J-T 節(jié)流制冷機的 J-T節(jié)流是不可逆膨脹, 不可逆損失大, 故效率較低. 如果要達到低的溫度, 其換熱器效率必須足夠高. 它的最大的優(yōu)點是簡單、可靠性高, 適合于小型制冷機. 逆布萊頓制冷機采用透平膨脹機代替J-T 節(jié)流制冷機的節(jié)流閥, 將制冷工質(zhì)的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為有效功取出, 不可逆損失較小, 可達到高效率. 如果進一步采用磁軸承的無油透平壓縮機, 則可靠性和維護周期都將大大提高. 逆布萊頓制冷機可提供最寬溫區(qū)(4 K 至>77 K)和最大制冷量(MW 水平). 在液氮溫區(qū)和大制冷功率條件下, 逆布萊頓循環(huán)制冷機是各種制冷機中效率最高的. 對于大熱負荷的 HTS 電力應用宜選擇逆布萊頓制冷機, 盡管其價格比斯特林制冷機高得多. 美國長島超導電纜項目長度較長, 電壓等級較高, 所需制冷量也大, 低溫系統(tǒng)采用了法液空公司生產(chǎn)的逆布萊頓循環(huán)制冷機.
2)回熱型制冷機包括G-M(Gifford-McMahon)制冷機、斯特林制冷機、脈沖管(Pulse Tube)制冷機, 其特點是冷工質(zhì)流體和熱工質(zhì)流體共用一個流道. 工質(zhì)周期性通過回熱器, 并與回熱器內(nèi)的蓄熱材料交換熱量. 冷頭內(nèi)流體的壓力、流量以及與回熱器熱量傳遞都以脈動和交變形式進行, 類似于交流電路. G-M 制冷機和 G-M 型脈沖管制冷機的震蕩頻率約為1 Hz; 斯特林制冷機和斯特林型脈沖管制冷機震蕩頻率可高達 60 Hz. 除了回熱器外, 斯特林和 G-M 制冷機還有類似于活塞的排出器. 在壓縮機向冷頭供氣的前半周期, 回熱器內(nèi)氣體被預冷和壓縮, 排出器向冷頭移動. 后半周期當進氣回路關(guān)閉, 回氣路開通后, 冷頭內(nèi)的氣體膨脹、產(chǎn)生制冷量并返回壓縮機低壓側(cè), 氣體冷卻回熱器. 由于回熱器只需一個流體通道, 采用多孔網(wǎng)板及磁性蓄冷材料顆粒制成的回熱器效率高達 95%以上, 所以回熱型制冷機易做到高效、結(jié)構(gòu)緊湊, 制造簡單和成本低. 斯特林制冷機的壓力震蕩由壓縮機直接產(chǎn)生, 而 G-M 制冷機則依靠旋轉(zhuǎn)閥門控制氣流流向冷頭或返回壓縮機的低壓側(cè). 氣流經(jīng)過閥會產(chǎn)生壓頭損失, 因此 G-M 制冷機的效率比斯特林制冷機低得多. 但 G-M 制冷機的壓縮機高壓相對穩(wěn)定, 可利用活性炭吸附器除油, 從而可選用空調(diào)器大量使用的油潤滑商用壓縮機, 可靠性大大提高, 也降低了成本. 油吸附器的更換周期為 1~2年, 壓縮機與冷頭由軟管連接, 壓縮機可遠離冷頭. 冷頭運行的噪音小. 所以, G-M 制冷機在中、低制冷量要求場合比較受歡迎. 脈沖管制冷機的最主要特征是采用“脈沖管-孔板-貯氣罐”組合取代排出器, 這樣既降低了振動和制造成本, 又消除了運動件導致的磨損和不可靠性, 故屬本征高可靠性機型. 脈沖管制冷機也分為斯特林型(無閥)和 G-M 型(有旋轉(zhuǎn)閥), 但它們在大制冷量情況下實際效率都比有排出器的制冷機低(見表 3), 尤其大制冷量(如 1 kW@77 K 或400 W@30 K)的脈沖管制冷機都遇到了氣流角分布不均勻和換熱器內(nèi)部流動不穩(wěn)定的難題, 導致效率降低. 脈沖管制冷機除了用普通的壓縮機外, 還有利用熱聲發(fā)動機代替普通壓縮機的熱聲型脈沖管制冷機. 熱聲發(fā)動機是利用熱聲轉(zhuǎn)化效應將熱能轉(zhuǎn)化為聲能, 沒有運動部件. 熱聲型脈沖管制冷機的優(yōu)點是完全沒有運動部件, 理論上沒有維護周期, 從長遠看具有一定的應用前景. 目前熱聲型脈沖管制冷機產(chǎn)品在液氮溫區(qū)為數(shù)十瓦量級, 百瓦級制冷機正在研制中. 熱聲制冷機的單臺制冷量較低, 效率約為卡諾效率的 15%左右, 尚未應用在超導電力方面. 所以, 目前這 3 種回熱型制冷機各有優(yōu)缺點, HTS 電力應用可根據(jù)具體的使用要求和經(jīng)費實力來選擇合適的制冷機.
減少損耗是人們從事超導電力應用的重要目的之一. 超導材料能減少電能傳輸損耗, 但維持超導材料低溫環(huán)境需要依靠制冷機來吸收超導電力設備的熱負荷(包括環(huán)境漏熱及焦耳熱). 制冷機是以消耗電能為代價產(chǎn)生制冷量的. 計算超導電力設備的損耗時, 必須把制冷機的耗電考慮進去. 制冷機的耗電占超導電力設備損耗的絕大部分(80%以上). 提高制冷機效率將大大減低超導電力設備的運行成本及增強競爭力.
根據(jù)熱力學第二定律, 在熱源、冷源溫度確定的情況下, 理想逆卡諾循環(huán)的制冷效率是所有制冷循環(huán)所能達到的理論最高效率. 實際制冷機的制冷效率只能低于逆卡諾循環(huán)效率. 逆卡諾循環(huán)制冷效率COP 為
其中 Th 和 Tc 分別是制冷循環(huán)的熱源和冷源溫度. 制冷量除以 COP, 即等于制冷機的耗電. 由(1)式可知, COP 卡諾的大小與熱端、冷端溫度有關(guān). 表 4 為熱端溫度為 303 K, 不同制冷溫度(20~77 K)下的逆卡諾循環(huán)及實際制冷機的COP 值. 從表4 看出, 隨著制冷溫度的降低, 理想 COP 卡諾大大減小. 在熱負荷不變的情況下, 如果能把運行溫度從 20 K 提高至 77 K, 理想情況下制冷機的耗電將減少 80%.
實際制冷機的 COP 也隨著溫度的減低而減少, 且減少幅度遠大于 COP 卡諾. 這說明運行溫度越低, 實際制冷機的不可逆損失增多, 耗電急劇增加. 實際中, 人們將制冷機的制冷效率與逆卡諾循環(huán)的理想制冷效率的比值(百分比)稱為制冷機的相對卡諾效率. 相對卡諾效率表示的是實際制冷機與理想制冷循環(huán)的相差程度. 由于壓縮機效率、回熱器/換熱器效率、氣流的壓頭損失、環(huán)境對制冷機的漏熱和各種不可逆過程因素影響, 使得相對卡諾效率只能小于 1. 圖 5 和 6 給出了相對卡諾效率與制冷量和制冷溫度的相關(guān)性. 對于制冷溫度~80 K 大型制冷機(>幾千瓦), 相對卡諾效率可望達到卡諾效率的25%~30%. 比如 Stirling C&R 公司的 SPC 和 LPC 系列產(chǎn)品在 80 K 制冷溫度下已達到卡諾效率的 28%, 相當接近目標值(?30%@80 K), 其壓縮機的驅(qū)動功率超過 10 kW. 但是在 20 K, 斯特林制冷機的效率還難以達到卡諾效率的 10%(圖 6).
4 當前相關(guān)制冷機產(chǎn)品及主要參數(shù)
目前商業(yè)低溫制冷機發(fā)展已經(jīng)較為成熟, 各種類型制冷機在市場上均有現(xiàn)成產(chǎn)品, 制冷量從10 mW至10 kW, 運行條件、使用壽命、維護周期也不盡相同. 適用于超導電力應用的制冷機應滿足以下要求. 首先, 制冷量足夠大. 超導電力設備的體積大, 傳輸電流大, 熱負荷也比較大, 一般為102 W(20 K)或103 W (77 K)量級. 如果單臺制冷機制冷量太小, 需要多臺制冷機同時工作, 會占用太多空間, 增加系統(tǒng)復雜性, 減低可靠性. 從目前項目經(jīng)驗來看, 單臺制冷機制冷量應大于30 W@20 K 或100 W@77 K. 其次, 制冷機 的制冷效率要高. 采用高效率的制冷機, 對超導電力設備的經(jīng)濟性能是非常重要的. 最后, 需要制冷機維護周期及使用壽命長, 維護簡便. 制冷機是超導電力設備的重要部件. 一旦制冷機發(fā)生故障或檢修, 會對超導電力設備正常運行造成影響, 甚至導致設備停運. 制冷機維護時如果要拆卸冷頭, 會影響超導電力設備的正常運行. 應選擇冷頭無需維護或少維護的制冷機. 表 3 收集了可提供 20~80 K 低溫、制冷量較大的商用制冷機產(chǎn)品及其主要參數(shù). 下面對其性能、廠家進行介紹.
表3 可用于 HTS 電力應用的商用制冷機產(chǎn)品參數(shù)
表4 運行溫度 20~77 K 的理想 COP 卡諾和實際 COP 實際
圖5 制冷機效率與制冷量的相關(guān)性
圖6 制冷機效率與溫度的相關(guān)性
荷蘭 Stirling C&R 公司生產(chǎn)的斯特林制冷機制冷量大于其他廠家的產(chǎn)品. 制冷量最高的 SPC-4型制冷機制冷量達 4000 W@80 K, 相對制冷效率高達 28%, 但不足之處是維護周期較短, 只有 6000 h. 圖7 為該型號制冷機的照片. 該制冷機冷頭與壓縮機是一體的, 使用時需要使用管道將冷頭與冷箱進行連接.
日本 AISIN SEIKI 公司的線性馬達驅(qū)動的斯特林制冷機(圖 8)雖然維護周期增加至 7500 h, 但效率降低很多. 冷頭與壓縮機是不可分離的. 如果采用Stirling C&R 和 AISIN SEIKI 公司的制冷機, 需要對制冷機維護問題有一個較好的應對方案.
圖 7 Stirling C&R 公司的 SPC-4 制冷機
圖 8 AISIN SEIKI 公司的 SC1501 型斯特林制冷機
美國 Cryomech 公司生產(chǎn)的 G-M 制冷機(圖 9)在0~40 K 溫區(qū)效率與 Stirling C&R 公司的斯特林制冷機相近, 其維護周期1~2 年, 遠遠大于斯特林制冷機, 而且冷頭與壓縮機可拉開較大距離, 冷頭可直接安裝在杜瓦上, 比較適合用于電纜、電機和貯能線圈.
美國 Qdrive 公司的 2S241 型(圖 10)脈沖管制冷機, 制冷量只有 220 W@77 K, 其效率比 Stirling C&R 公司斯特林制冷機低, 只比 Cryomech 公司的G-M 制冷機略高一些, 其原因之一是大制冷量脈沖管內(nèi)氣流沿角向分布不均勻, 使效率遠遠低于一般斯特林制冷機. 2S241 型制冷機最大的優(yōu)勢是無需維護.
美國Praxair 公司、美國家標準技術(shù)研究所(NIST)與 Qdrive 公司合作研發(fā) 1 kW@77 K 和 500 W@30 K的斯特林型脈沖管制冷機. 利用 Qdrive 公司的2s362K 型壓縮機, 已經(jīng)完成兩臺 1 kW@77 K 樣機(圖11)的研制, 并應用于美國哥倫布超導電纜示范項目. 該制冷機同樣無需維護. 500 W@30 K 制冷機尚在研究當中, 未投放市場.
圖12 是法液空為美國長島138 kV/2.4 kA 電纜II期設計的集成式22 kW@71 K逆布萊頓制冷機, 不僅制冷量大幅度增加、效率提高、可免維護, 而且非常緊湊, 只占一個 40 ft 集裝箱體積. 該制冷機應用了磁浮軸承、高速馬達、透平壓縮機和透平膨脹機能量回收等技術(shù), 價格較昂貴.
圖9 Cryomech 公司的 G-M 制冷機
圖10 Qdrive 公司的 2S362 型脈沖管制冷機
圖11 普萊克斯公司斯特林型脈沖管制冷機
日本 SHI 公司是世界著名的低溫制冷機制造公司, 其G-M型制冷機銷量排名世界第一. CH110 型制冷機(圖 13)是該公司在 77 K 下制冷量最大的制冷機, 冷頭維護周期約為 13000 h, 壓縮機維護周期約為20000 h.
圖12 法液空公司逆布萊頓制冷機
圖13 SHI公司的 CH110 型G-M 制冷機
5 對未來制冷機的基本要求及其發(fā)展趨勢
1997 和 1998 年, 美國能源部組織部分國家實驗室、大學、設備制造企業(yè)和電力部門的相關(guān)專家召開了兩次研討會, 認為當時制冷機的技術(shù)水平和超導電力應用的要求存在較大差距; 并提出未來十幾年內(nèi), 超導電力應用對制冷機的要求主要有 3 點.
1)可靠性提高到 99.8%. 電力工業(yè)可靠性要求高達99.8%~99.9%, 因此超導電力設備的可靠性應大于 99.9%, 其中也包括低溫系統(tǒng). 按此可靠性要求, 每年容許的制冷機停機維護的時間只有 8 h. 決定制冷機長久運行可靠性的重要因素是平均維護周期(MTBM). 制冷機的平均維護周期越長, 則其長久運行的可靠性越好.
低溫系統(tǒng)維護的主要任務是清潔和更換磨損的零部件, 這是增加可靠性、減小故障的必要手段. 增加可靠性的另一個方法是設置冗余機或貯液氮備份, 如果單個制冷機的可使用率為 90%, 則理論上增加一臺冗余制冷機可將可使用率提高到 99%. 當然, 如此將導致投資大幅度增加. 對于開式液氮冷卻系統(tǒng)可采用較大的貯罐的方法來提高冗余度.
提高可靠性的最佳途徑是盡可能去除運動部件和有摩擦的零件. 脈沖管制冷機的冷頭無運動部件, 從而可避免移動活塞產(chǎn)生的振動和磨損. 如果再配用聲驅(qū)動壓縮機, 則可以做到無需維護. 所以它是未來制冷機的發(fā)展方向. 美國 Praxair 公司與 Qdrive公司合作研發(fā)的斯特林型脈沖管制冷機能做到無需維護. 對于逆布萊頓制冷機, 如果高速透平壓縮機采用氣體軸承或磁軸承(圖14), 且與透平膨脹機同軸相連, 則可提高效率, 并實現(xiàn)維護周期大于 3 年.
2)制冷機的相對卡諾效率提高到 30%. 提高制冷效率的關(guān)鍵在于提高壓縮機的效率, 減少不可逆損失. 研制大功率制冷機也是提高制冷效率的方法之一, 單臺大功率制冷機的制冷效率優(yōu)于多臺總制冷量相同的制冷機效率.
圖14 采用氣體軸承或磁軸承的制冷機
3)80 K 制冷機的成本降低到 25 美元/W 以下.目前制冷機還相當昂貴, 這制約了 HTS 電力應用和推廣. 表 5 給出了 2004 年的典型制冷機的單位制冷量的價格水平. 從表 5 數(shù)據(jù)可見, AL330 是性價比較高的25 K 制冷機, 而LPC 斯特林制冷機的性價比和效率皆優(yōu). 近年 HTS 線材價格仍然相當高, 其大規(guī)模應用于電力系統(tǒng)的條件并未成熟. 所以, 為此服務的制冷機市場還不大, 生產(chǎn)制冷機主要依靠小企業(yè), 價格較高, 目前的價格與 2004 年差異甚小. 降低制冷機成本的主要手段之一是提高制冷機的市場需求. 據(jù)估計, 一旦制冷機規(guī)格形成系列化和標準化零部件, 其產(chǎn)量達到每年 10 萬臺以上時, 則價格可望下降 5~10 倍.
目前, 制冷機的耗電占超導電力設備耗電的絕大部分, 而且制冷機的成本較高. 因此, 制冷機直接影響超導電力設備的初投資及運行成本, 從而影響超導電力設備的經(jīng)濟性. 在上述 3 點要求中, 可靠性不直接影響超導電力設備的經(jīng)濟性, 但對用戶的說服力、應用前景起著非常重要的作用. 效率及價格對不同的超導電力設備經(jīng)濟性影響是不同的. 超導電纜、超導變壓器主要與常規(guī)電纜、變壓器競爭, 節(jié)能是競爭優(yōu)勢之一. 制冷機的效率及價格嚴重影響設備的經(jīng)濟性, 尤其對于制冷量需求大、制冷機成本占總成本比重較大的超導電纜來說. 超導限流器沒有常規(guī)的競爭設備, 尤其在高電壓等級. 電網(wǎng)用戶為了解決日益嚴重的短路問題, 能夠接受較高的價格. 而且超導限流器所需制冷量不大, 制冷機成本占總成本比重較低. 制冷機的效率及價格對超導限流器的經(jīng)濟性影響很小. 短時間內(nèi)制冷機的性能很難有非常大的提高, 從這一點考慮, 超導限流器的市場前景更為光明.
表5 部分商用制冷機單位制冷量的價格和效率(2004 年數(shù)據(jù))
6 恒溫器、低溫管道與液氮循環(huán)泵
除了制冷機, 恒溫器、低溫管道和循環(huán)泵也是超導電力設備冷卻系統(tǒng)的主要部件. 恒溫器和低溫管道的漏熱是超導電力設備熱負荷的主要組成部分, 其絕熱性能對降低致冷系統(tǒng)的設備投資和運行制冷能耗十分重要. 對于超導電纜, 因為其長度很大, 所以電纜本體恒溫管的單位長度靜態(tài)熱負荷應盡可能小. 高真空多層絕熱方式是在恒溫器的內(nèi)外夾層之間抽真空并安裝多層絕熱材料, 能夠隔絕傳導漏熱及對流漏熱, 并最大可能減少輻射漏熱, 是效果最好的絕熱形式. 目前, 用于超導電力應用的恒溫器和低溫管道均采用這種絕熱形式. 其中大部分恒溫器表面有效熱導率為 10?5 W K-1 m-1. 低溫管道(包括電纜的本體恒溫器)由于在內(nèi)外管之間采用支撐管增加了漏熱, 加上距離較長, 抽真空阻力大, 表面有效熱導率高于恒溫器, 達到 10-4 W K-1 m-1 量級. 大多數(shù)的恒溫器和低溫管道一般用不銹鋼來制作. 但對于變壓器, 若其產(chǎn)生的交變磁場穿過金屬恒溫器, 會產(chǎn)生渦流損耗. 因此, 變壓器用一般用非金屬恒溫器. 圖15(a)是德國西門子公司研發(fā)的機車變壓器; (b)是新西蘭工業(yè)研究公司(IRL)設計的 1 MVA 試驗變壓器. 從恒溫器內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以看到, 超導線圈浸泡在環(huán)氧樹脂制成的環(huán)狀液氮容器中, 外真空容器也采用玻璃纖維加強的環(huán)氧樹脂.
液氮循環(huán)泵對于冷卻 HTS 電纜是不可或缺的. 相對制冷機的壓縮機來說, 液氮循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速很高, 軸承更容易磨損, 維護周期更短. 在超導電纜冷卻系統(tǒng)設計時, 要充分考慮液氮循環(huán)泵的這一特點.
圖 15 變壓器所用的非金屬恒溫器
(a) 西門子變壓器; (b) IRL 1MVA 變壓器
常用的離心式液氮泵分為兩種: 長軸型和短軸型. 長軸型液氮泵的室溫電機和低溫葉輪通過薄壁長軸連接在一起, 軸的材料為高強度、低熱導率的不銹鋼, 具有漏熱小的特點. 由于軸比較長, 在葉輪附近安裝有低溫軸承. 如果低溫軸承采用自潤滑滾珠軸承(圖 16), 其壽命只有半年. 為避免更換軸承影響電纜的冷卻和運行, 可采用多臺泵, 增加冗余. 另外, 研發(fā)液氮動壓軸承也許可實現(xiàn)免維修.
短軸型液氮泵的軸比較短, 主要通過葉輪和電機之間的防輻射屏來減少輻射漏熱和對流漏熱. 有的短軸型液氮泵采用復合材料來制作轉(zhuǎn)動軸, 利用復合材料的低熱導率來減少傳導漏熱. 軸及葉輪外安裝有真空夾套, 減少環(huán)境對低溫液體的傳熱. 由于軸較短, 短軸型液氮泵不需要安裝低溫軸承, 轉(zhuǎn)速比長軸型更高, 連續(xù)運行時間更長. 短軸型液氮泵維護時可以把電機及葉輪從真空夾套取出, 不影響液氮的循環(huán), 維護更加方便.
圖16 采用滾珠軸承的液氮泵
7 結(jié)論
超導電力技術(shù)的應用必將促進 21 世紀電力工業(yè)產(chǎn)生革命性的發(fā)展, 而20~77 K 低溫系統(tǒng)是這一發(fā)展不可或缺的條件. 由于近幾十年來在醫(yī)用磁共振儀、航天探測、天然氣液化等需求的促進下, 各種微型和小型制冷機得到了商業(yè)化應用. 這些制冷機也被用于目前各種 HTS 電力應用(如電纜、變壓器、故障電流限制器、電機和電感貯能等)的研發(fā)或示范項目, 但它們的可靠性、制冷效率和價格等仍與 HTS 電力技術(shù)的大規(guī)模應用的要求有較大差距.
冷卻系統(tǒng)的長期可靠運行及其設備投資成本的大幅度下降是實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化 HTS 電力應用的前提條件. 要做到冷卻系統(tǒng)長期可靠運行首先設法通過技術(shù)進步延長制冷機、液氮泵等設備的維護周期, 然后通過增加冗余度和優(yōu)化設計來提高系統(tǒng)的可使用率. 降低設備成本方面一是靠技術(shù)進步降低單臺設備的制造成本, 二是靠增加市場的銷售量來降低單臺設備的非制造成本.
相信隨著應用規(guī)模的擴大, 超導電力設備的冷卻系統(tǒng)的成本會大幅度下降, 運行可靠性也會顯著提高.
參考資料：略
來源：https://www.sciengine.com/SST/doi/10.1360/ze2013-43-10-1101
本文標題：高溫超導電力應用的低溫冷卻系統(tǒng)及制冷機
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