人工覆冰气候室制冷系统参数计算与设备选型分析

第36卷第5期湖南电力HUNANELECTRICPOWER2016年10月doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2016.05.005人工覆冰气候室制冷系统参数计算与设备选型分析孙利朋\蒋正龙2,卢杰3,赵世华\杨柳3(1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007;2.国网湖南省电力公司防灾减灾中心，湖南长沙410000;3.国网湖南省电力公司岳阳分公司，湖南岳阳414000)摘要：维护结构和制冷设备是开展特高压设备人工覆冰的主要设备，准确选取其参数是成功开展覆冰试验的关键。本文提出了维护结构和制冷设备的参数计算方法，并对实际的特高压人工覆冰气候室的各项制冷参数进行了测量，验证了参数选型的正确性。关键词：特高压；覆冰；气候实验室；制冷中图分类号：TM752.5文献标志码：A文章编号：1008-0198(2016)05-0021-05ParameterscalculationandequipmentselectionanalysisofartificialicingclimatelaboratoriesSUNLipeng1,JIANGZhenglong2,LUJie3,ZHAOShihua1,YANGLiu3(1.StateGridHunanElectricPowerCorporationResearchInstitute,Changsha410007,China；2.StateGridHunanElectricPowerCorporationDisasterPreventionandReductionCenter,Changsha410000,China；3.StateGridElectricPowerCorporationYueyangPowerSupplyCompany,Yueyang,414000,China)Abstract:Themaintenancestructureandtherefrigerationequipmentarethemainequipmentsofartificialicing,accurateselectionofitsparametersisthekeytothesuccessdevelopmentoficingtest.Thispaperpresentsthecalculationmethodsofparametersofthemaintenancestructureandrefrigerationequipment,measurestherefrigerationparametersoftheactualUHVartificialicingclimatechamber,andverifiesthecorrectnessoftheparameterselection.Keywords：UHV；icing；artificialclimate；Refrigeration覆冰是严重威胁输变电设备安全运行的自然灾害之一〔卜7〕，特高压输电线路是连接全国区域电网的骨干电网，其覆冰事故对电网的安全运行危害极大。特高压人工覆冰气候试验室是研究特高压输变电设备覆冰问题的主要平台，通过在其室内开展覆冰试验，可以为特高压输变电设备在覆冰地区的设计和运行维护提供大量的技术支撑[8_10〕。维护结构和制冷设备是特高压人工覆冰气候试验室覆冰试验的主要设备，准确选取其参数是开展覆冰试验的关键。根据特高压人工覆冰气候室保温性能的要求,计算围护结构的参数；根据特高压设备覆冰的不同试验阶段对制冷量的需求，计算制冷设备的参数并进行设备选型；通过对实际的特高压人工覆冰气候室的降温和保温性能以及覆冰试验过程中各项参数的实测，进一步验证参数计算及设备选型的正确。1特高压人工覆冰气候试验室制冷系统关键参数计算说明特高压人工覆冰气候试验室的布置图如图1所示，其内部净空尺寸为22m(长）x22m(宽）X27.5m(高），总体积为13310m3，维护结构采用内保温型式。被试品为特高压绝缘子串，串长约10m,试验时，布置在气候室的中央。在气候室外收稿日期：2016-02-25•2卜第36卷第5期湖南电力2016年10月墙上安装有一支特高压环氧树脂胶浸纸绝缘穿墙套管，用于将特高压试验电压引入气候室内，其重量约为8t。80002400080008000:叫=^T5AfZIX1'TZz，-----^LA(丫:Q\)B_yy1®)---------—(a)维护结构平面布局图(b)立面布局图图1特高压人工覆冰气候试验室布置图目前，人工覆冰试验没有IEC或国家标准可循，大部分的国内外研究机构参照Farzaneh等在20世纪90年代提出的试验方法〔9—10〕进行试验，分为4个阶段：第一阶段覆冰过程，即将被试品覆冰至预定状态，在此阶段根据制冷机组的制冷量需求不同又可分为前后两个阶段，其前阶段为气候室内空气降温过程，此过程中，覆冰喷头不喷淋覆冰水，开启所有的制冷机组，迅速将气候室的环境温度降至试验温度，后阶段为被试品覆冰过程，在此过程中，开启覆冰喷头，对被试品进行喷淋并覆冰，根据覆冰形态，控制制冷机组的开启数量和制冷功率大小，调节覆冰温度；第二阶段冰层硬化，即将冰层冷冻约20min;第三阶段融冰过程，即关闭所有的制冷机组，开启气候室大门，让气候室内温度缓慢上升至试验温度；第四阶段试验过程，即采用升压设备进行升压试验。其中第一、二阶段需要开启制冷设备进行制冷。•22•2特高压人工覆冰气候试验室制冷参数计算及设备选型2.1维护结构参数计算选用的维护结构保温材料为硬质聚氨醋，该材料具有难燃、不吸水、保温性能好的特点，是特高压人工覆冰气候室的理想保温材料。为满足保温要求，我们假定环境温度为30°C，人工气候室内温度为-15°C，保温厚度为200mm，在制冷机组停止工作时，室内温度变化量的计算方法如下。传热系数尺：1K=--------------1^i821+++入1入2式中‘为气候室对外热交换系数，为23.26W/(m2.K);心为气候室对内热交换系数，为11.63W/(m2•K);A1为钢材热传导系数，为36.4W/(m•K);8:为气候室内维护结构的钢板厚度，为0.001m;A2为硬质聚氨醋的热传导系数，为0.022W/(m•K);82为气候室内维护结构硬质聚氨醋的厚度。硬质聚氨醋板的厚度按20cm计算，其传热系数为0.1375W/m2•K。传热功率P传热：P传热=FMT式中F为传热面积，K为传热系数，Af为气候室内外温差。硬质聚氨醋板的厚度为20cm时，传热功率P传热为20-96kW。设人工气候室室内每小时温升为3K，则人工气候室内空气每小时对外释放的热量为G空气=C空气m空气Af式中c空气为空气比热容，C空气=1.01kj/kg•C;m空气为空气质量（kg);m空气=p空气Xy;Af温差，A7=3C;G空气为46661kj;因此，折合功率为尸空气为12.96kW。气候室内的还有电葫芦、钢梁等钢材，总重量约50t，钢材每小时温升3K所释放的热量为G钢材二c钢材m钢材Af式中C钢材为空气比热容，C钢材=0.452kj/kg•C。G钢材为67800kj，则折合功率尸钢材为18.83kW。综合上述计算，可知：P空气+P钢材=31.29kWP传热=20.96kW因此，选用20cm的聚氨醋保温板即可满足第36卷第5期孙利朋等：人工覆冰气候室制冷系统参数计算与设备选型分析2016年10月要求。2.2制冷设备参数计算在覆冰试验过程中，主要存在以下部分的制冷负荷：1)气候室内空气降温冷负荷；2)维护结构冷负荷；3)覆冰水冷负荷；4)电器设备冷负荷；5)套管冷负荷；6)冷却绝缘子串冷负荷;7)密封漏冷；8)其他设备冷负荷。设特高压人工覆冰气候室内的起始降温温度T0=35丈，其最终温度7\=-15丈，则温差Af=50丈。2.2.1气候室内空气降温冷负荷空气的降温有显热和潜热两部分。按降温3h计算，空气的显热：0显=C空气m空气^式中C空气为空气比热容，1.01kJ/kg.丈。显热的制冷功率P显=G显々=72kW。空气的潜热：0潜=C空气m空气一A2)A^*式中^为常温下的空气含湿量，为14.68g/kg，A〇为-15丈时空气的含湿量，为1.01g/kg。潜热的制冷功率P潜=0潜A=0.98kW。在空气温度由35丈降至-15丈过程中，空气中的含湿量下降，且这部分水分也会凝结成冰，但耗冷量不大，按经验值估算为P凝=2kW。经计算，气候室内空气降温总制冷功率为74.98kW。2.2.2维护结构冷负荷顶部和四周维护结构冷负荷^:ATxS,p=115；821+++^1A2dN式中?W为气候室对外热交换系数，为23.26W/(m2.K);«?N为气候室对内热交换系数，为11.63W/(m2.K);At为钢材热传导系数，为36.4W/(m•K);8i为气候室内维护结构的钢板厚度，为0.001m;A2为硬质聚氨酯的热传导系数，为0.022W/(m•K);82为气候室内维护结构硬质聚氨酯的厚度，为0.2m;叉为顶部和四周维护结构的总面积，为2904m2。地面冷负荷P地：0.2xATxS?=83+1A3^N式中83为气候室地面的混凝土厚度，为0.01m;A3为混凝土热传导系数，为1.74W/(m•K);S2为地面的表面积，为484m2。经计算，维护结构的总冷负荷为71.85kW。2.2.3覆冰水冷负荷覆冰水的冷负荷主要有3部分组成，第一部分为常温下的水制冷至零度的水；第二部分为零度的水变为零度的冰；第三部分为零度的冰降温至试验温度。根据喷淋喷头的选型参数，气候室每小时的最大喷水量约为2195kg。设水的起始温度T。水=30丈，则水温变化AT水=30丈。覆冰水第一部分制冷负荷：P1水=C水xm水x么了水八=77kW式中C水为水的比热容，为4.212kJ/kg•丈y为降温时间，为3600s。覆冰水第二部分制冷负荷：P2水=^结xm水/t=203.13kW式中C结为冰的溶解热，为333.146kJ/kg。覆冰水第三部分制冷负荷：P3水=C冰x肌冰x=19-11kW式中C冰为冰的比热容，为2.09kJ/kg•丈；m冰为冰的质量，m冰=m水=2195kg;AT冰为冰降低的温度，为15丈。经计算，覆冰水总冷负荷为299.29kW。2.2.4电气设备冷负荷考虑带电覆冰时对气候室的输人电源功率P试=25kW;诱导风机2台，每台18kW，P诱=36kW;冷风机，每台11kW，共计21台，P风机=231kW;覆冰管道加热丝，P加热丝=20kW;因此，P设=302kW。2.2.5套管冷负荷P套=C套m套AT/t=11.6kW式中^为套管的比热容，为0.837^1/^.丈）；m套为气候室内套管的重量，为3000kg。2.2.6冷却绝缘子串冷负荷P绝=C绝m绝AT/t=3.88kW式中C绝为瓷质绝缘子的比热容，为0.837kJ/(kg.T；);m绝为绝缘子重量，按50片，每片20kg考虑，共计1000kg。2.2.7密封漏冷按工程经验值10kW考虑。2.2.8其他冷负荷•23•第36卷第5期湖南电力2016年10月主要为房间照明，500W灯具共10盏，尸灯=5kW0总制冷负荷计算：按试验的2个阶段进行：第一阶段的制冷负荷有：降温负荷、维护结构冷负荷、电气设备冷负荷、套管冷负荷、冷却绝缘子冷负荷、密封漏冷、其他冷负荷；第二阶段的制冷负荷有：覆冰水冷负荷、维护结构冷负荷、电气设备冷负荷、套管冷负荷、冷却绝缘子冷负荷、密封漏冷、其他冷负荷。经计算，第一阶段的制冷总负荷为479.31kW，第二阶段的制冷总负荷为703.62kW〇因此，制冷机组的最大制冷量为703.62kW。制冷裕量系数取1.1，制冷机组的制冷量应大于773.98kW〇2.3制冷设备的参数选型考虑一定的冗余量后，结合设备制造参数，制冷机组选用2台型号为LSB720DZ的机组，其单台名义工况制冷功率为720kW，但制冷功率与冷冻水的出水温度有关：冷冻水的出水温度越低，其制冷功率越小，名义工况的冷冻水出水温度为-5°