1.1                      項目來源

國家電網(wǎng)1.5m沙塵風(fēng)洞是一座專門用于科研的試驗設(shè)備，該設(shè)備主要開展高壓輸電系統(tǒng)元器件在大氣塵埃環(huán)境耐候性試驗。

項目名稱：國家電網(wǎng)1.5m沙塵風(fēng)洞

項目來源：華北電力電學(xué)

項目建設(shè)地：新疆吐魯番

1.2                      項目建設(shè)目的目標(biāo)

沙塵環(huán)境是引起許多設(shè)備失效的一個重要環(huán)境因素。廣泛分布的沙塵環(huán)境，對設(shè)備部件、系統(tǒng)和機載設(shè)備具有嚴重影響。其主要損壞類型有：沖蝕、磨損、腐蝕及滲透等。目前，在多個國家的相關(guān)標(biāo)準中都規(guī)定了沙塵試驗方法，以評價裝備在沙漠干旱等地區(qū)的沙塵環(huán)境下的工作性能和可靠性等。

本項目的目標(biāo)是建成1.5m量級高性能指標(biāo)的模擬吹沙、吹塵、沙塵混合環(huán)境試驗風(fēng)洞，能夠進行絕緣子在靜態(tài)、絕緣子加電壓100kV狀態(tài)下的沙塵環(huán)境適應(yīng)性試驗，用以驗證各型電網(wǎng)輸配電產(chǎn)品在沙塵環(huán)境下能否正常工作滿足使用要求。

1.3                      項目建設(shè)內(nèi)容

本沙塵模擬試驗單元主要由以下幾個部分組成，包括風(fēng)速模擬系統(tǒng)、沙塵模擬系統(tǒng)、沙塵收集系統(tǒng)（不包括廠房房間）等。通過控制系統(tǒng)調(diào)度各子系統(tǒng)聯(lián)合工作，并對設(shè)備的運行情況進行實時監(jiān)控。具體建設(shè)內(nèi)容見下表。

表1-1 項目建設(shè)內(nèi)容

1.4                      關(guān)鍵約束分析

（1）占地面積與空間限制

在甲方給定的實驗室空間尺寸為，長度66.8米，寬度13.9米，高度9米以內(nèi)，沙塵風(fēng)洞的主體和配套子系統(tǒng)需要較大的占地面積和空間，工藝布置需要綜合協(xié)調(diào)各設(shè)備位置，一定程度上還要綜合平衡性能指標(biāo)與空間尺寸矛盾。

（2）環(huán)保約束：

本項目試驗的試驗介質(zhì)為沙塵，容易產(chǎn)生泄露污染廠房大廳環(huán)境影響其他系統(tǒng)的工作運行，需滿足一定的環(huán)保要求。

2                      沙塵風(fēng)洞-絕緣子耐腐蝕性能實驗風(fēng)洞主要技術(shù)指標(biāo)（客戶提出）

根據(jù)新疆當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境特點，本試驗系統(tǒng)的能力規(guī)劃如下表：

實驗室配套轉(zhuǎn)盤機構(gòu)、加沙裝置、風(fēng)洞試驗的控制設(shè)備、測試設(shè)備，流場指標(biāo)按邊界層風(fēng)洞合格指標(biāo)，要求給出初步方案規(guī)劃、占地面積、用水、用電、用氣情況等。

項目建設(shè)過程將執(zhí)行以下規(guī)范：

（1）GJB 1179A-2012《高速風(fēng)洞和低速風(fēng)洞流場品質(zhì)規(guī)范》

（2）JGJT 338-2014《建筑工程風(fēng)洞試驗方法標(biāo)準》

3                       沙塵風(fēng)洞-絕緣子耐腐蝕性能實驗風(fēng)洞系統(tǒng)組成

3.1                      總體布置

沙塵風(fēng)洞主要由沙塵試驗間、風(fēng)速模擬系統(tǒng)、沙塵模擬系統(tǒng)、沙塵收集系統(tǒng)等系統(tǒng)組成，具體組成如下圖所示。

圖  系統(tǒng)組成圖

該系統(tǒng)采用成熟的航空空氣動力學(xué)風(fēng)洞設(shè)計技術(shù)，采用臥式直流風(fēng)洞布局方案進行設(shè)計。該方案在空氣動力學(xué)上有比較高的能效比，同時使動力系統(tǒng)的噪聲污染降低到工業(yè)場區(qū)可以接受的程度。

由于國內(nèi)各行業(yè)的諸多空氣動力學(xué)風(fēng)洞多采用此類技術(shù)設(shè)計，技術(shù)成熟度很高，在附加的能力建設(shè)方面，如進一步隔聲、隔震處理，也有高品質(zhì)供應(yīng)商配套實施。

本風(fēng)洞在廠房內(nèi)的定置如下圖所示，風(fēng)洞主體結(jié)構(gòu)回路放置采用臥式放置。風(fēng)洞的入口水平從側(cè)邊吸氣，可有效防止異物的進入。風(fēng)洞從室外進氣，最終氣流經(jīng)過處理后，排出室外。

氣動輪廓圖如下圖所示

3.2                      結(jié)構(gòu)方案

風(fēng)洞由鋼結(jié)構(gòu)洞體、控制系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、噴沙系統(tǒng)等組成。

鋼結(jié)構(gòu)洞體采用優(yōu)質(zhì)碳鋼制造，整個流道有著穩(wěn)定的高精度型面和長久的使用年限。按流道輪廓特點又分為收集器、等直段、拐角、動力段、圓方過渡段、穩(wěn)定段、收縮段、試驗段、擴散段以及沙塵收集裝置等部段。

各部段采用鋼結(jié)構(gòu)支腿支撐在設(shè)備基礎(chǔ)上。

現(xiàn)有方案，鋼結(jié)構(gòu)洞體氣流道全長38.4m，最大寬度為4.4m、最大高度為4m，風(fēng)洞表面積約344.9㎡，最大風(fēng)速55m/s，能量比為1.6674，所需電機功率不小于177.2kW，壓增不小于1217.0pa，流量不下于123.75m3/s。

風(fēng)機采用軸流風(fēng)機，非標(biāo)定制，8片槳葉、7片止旋片、最大工作轉(zhuǎn)速1100rpm，變頻控制調(diào)速。整機有不低80%的運行效率和較低的噪聲，非常適合風(fēng)洞使用。風(fēng)機振動隔離，可根據(jù)客戶需求采用質(zhì)量塊吸震基礎(chǔ)或是隔震系統(tǒng)基礎(chǔ)。確保動力系統(tǒng)振動不會對測量系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

3.3                      控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由控制器、控制軟件、傳感器等組成，用于對風(fēng)洞進行試驗控制、沙塵濃度測量、濕度控制、風(fēng)速測量、試驗記錄等。

沙塵風(fēng)洞控制系統(tǒng)是整個沙塵風(fēng)洞的控制核心部分，所有控制指令的發(fā)出、信息的處理、狀態(tài)的反饋都是由該部分來完成的。通過對上述技術(shù)指標(biāo)的分析和計算，結(jié)合風(fēng)洞試驗要求、設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)測和設(shè)備需要，在沙塵風(fēng)洞內(nèi)部設(shè)計了風(fēng)速、溫度和濕度等測量點，通過這些點的設(shè)置和實時測量，能夠完整全面地反映沙塵風(fēng)洞運行狀況，有利于工作人員分析沙塵風(fēng)洞運行時出現(xiàn)的各種問題，實現(xiàn)對沙塵風(fēng)洞運行的實時有效地監(jiān)控，保證沙塵風(fēng)洞的正常運行。

控制系統(tǒng)具有遠程和本地控制功能。在遠程控制模式下，試驗人員可通過計算機網(wǎng)絡(luò)對風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)速、濕度、沙塵濃度等參數(shù)進行設(shè)置、測量和控制。計算機終端具有圖形顯示、操作提示、安全保護、故障診斷、數(shù)據(jù)記錄等功能。

風(fēng)洞主控制系統(tǒng)包括主控控制系統(tǒng)、視頻實時顯示與監(jiān)控系統(tǒng)、沙塵模擬系統(tǒng)、動力控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)等。

3.4                      風(fēng)速控制系統(tǒng)

風(fēng)速動力系統(tǒng)用于實現(xiàn)對風(fēng)機的驅(qū)動和控制，從而實現(xiàn)試驗段內(nèi)不同風(fēng)速。采用變頻調(diào)速的方式，使得風(fēng)速要求范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。系統(tǒng)采用矢量變頻器+電機編碼器的組成方式，對電機軸頭旋轉(zhuǎn)編碼器的反饋脈沖進行監(jiān)測，反饋至變頻器，從而形成矢量閉環(huán)控制方式，具有優(yōu)于0.1%的轉(zhuǎn)速控制精度。

3.5                      噴沙系統(tǒng)

沙塵系統(tǒng)采用氣固射流文丘里噴射器播撒沙塵，噴口采用拉瓦爾噴管形狀，利用高壓的氣體通過噴射器對模擬沙塵進行抽吸和輸送，通過控制高壓氣體壓力來調(diào)節(jié)噴射速度；鑒于最大和最小塵流量差距懸殊，在流量秤秤體出口安裝螺旋喂料器，通過電機控制喂料機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)速度來控制喂料量，從而控制試驗段內(nèi)塵的濃度。

圖  沙塵系統(tǒng)輸送設(shè)備

射流加沙方式使得噴射含沙氣流與試驗艙氣流兩股流動而造成強烈的橫向動量交換和湍流摻混擴散，導(dǎo)致顆粒的擴散范圍相當(dāng)大，在距加沙口處，就已均勻地擴散到試件的迎風(fēng)面，保證試驗中噴射的沙塵能夠覆蓋試驗件的迎風(fēng)面。

通過增加擴散距離，保證噴口處沙塵已分布均勻試驗區(qū)域，現(xiàn)采用逆向射流加沙方式，沙顆粒覆蓋面積大，均勻性相對較好；主要原因是兩股反向流動造成強烈的橫向動量交換和湍流摻混擴散作用，使得沙塵得以向噴嘴周邊更寬的范圍擴散，通過增大加沙速度與風(fēng)速之差，使得沙顆粒的散布面積及均勻性進一步提高。

沙塵模擬系統(tǒng)的工作原理是噴嘴把沙以一定的速度噴射到氣流場中，通過固體顆粒在氣流場中布朗運動作用完成擴散，并通過氣流攜裹作用運送到試驗區(qū)域，形成較為均勻的氣固兩相流流場。

沙塵場的濃度是通過控制單位時間內(nèi)噴射到氣流場中的沙塵的質(zhì)量完成的。均勻性保證主要由沙塵的布朗擴散作用原理來實現(xiàn)，由于擴散需要一定的距離，因此噴嘴與試驗件的距離比較重要，另外由于沙的顆粒度較大，重力作用較為明顯，噴嘴的噴射方向和角度需考慮重力影響作用。

向風(fēng)場中加沙和調(diào)節(jié)噴射速度是通過噴射器實現(xiàn)的，噴射器由壓縮空氣產(chǎn)生的正壓空氣流經(jīng)噴射器時產(chǎn)生吸力，抽吸走位于噴射器上方的物料，并使之在正壓氣動輸送系統(tǒng)中噴射沙塵。

系統(tǒng)組成及工作流程

（1）系統(tǒng)組成

沙塵模擬系統(tǒng)主要包括沙塵氣力輸送噴射系統(tǒng)與濃度控制系統(tǒng)兩部分。

沙塵噴射系統(tǒng)主要包含噴射器、噴射管路、噴嘴等；

濃度控制系統(tǒng)包含粉塵濃度儀、電子流量秤、螺旋喂料器以及PLC控制系統(tǒng)。

（2）系統(tǒng)工作流程

沙塵模擬系統(tǒng)工作時，加料設(shè)備將沙塵加注到秤斗內(nèi)，流量秤開始按照設(shè)定流速開始排料，排料機用變頻器控制調(diào)解。為了適應(yīng)不同濃度要求的控制，流量秤排料采用雙口徑螺旋輸送喂料。

噴射系統(tǒng)啟動后，濃度儀在線檢測實際濃度值，我們獲得實測濃度與設(shè)定值的差值，以此實測差值為依據(jù)，在小范圍內(nèi)進行緩動的滯后線形調(diào)解，電子秤根據(jù)要求的流量變化，參照實際檢測的流量來計算與調(diào)解合理的加料頻率變化。這種雙閉環(huán)串級調(diào)節(jié)，連續(xù)進行并最終穩(wěn)定在設(shè)定濃度處。

沙塵濃度控制系統(tǒng)

噴射系統(tǒng)采用噴射器播撒沙塵，利用空壓機產(chǎn)生的正壓氣體流經(jīng)噴射器對物料進行抽吸和輸送，通過控制空壓機的氣量大小來調(diào)節(jié)噴射速度；鑒于最大和最小沙塵流量差距懸殊，考慮在儲料倉出口安裝螺旋喂料器，通過電機控制喂料器的旋轉(zhuǎn)速度來控制喂料量，而噴射器安裝在喂料器的下方，通過壓縮空氣直接進行噴射。同時在試驗室內(nèi)使用獨立可控的噴嘴改善噴射的均勻性和可控性。

4                      PIV試驗（PIV設(shè)備不在本合同包內(nèi)，本章節(jié)僅介紹試驗示意方法）

PIV測量主要完成的是對沙塵顆粒在運動過程中的速度場分布測量，PIV測試沙塵風(fēng)洞中測量目標(biāo)平面內(nèi)沙塵顆粒運動速度的二維速度場分布。PIV設(shè)備搭建主要包括激光光源，片光生成器，接收相機以及軟件四個部分。

PIV設(shè)備的激光光源通過外層殼體入射窗口進入風(fēng)洞，再通過風(fēng)洞表面窗口進入到風(fēng)洞觀測區(qū)域，在觀測平面內(nèi)照亮沙塵粒子，PIV設(shè)備的接收鏡頭分布在照射平面一側(cè)，透過外殼及風(fēng)洞兩層光學(xué)窗口采集觀測區(qū)域的沙塵粒子圖像，通過PIV采集處理軟件得到沙塵的運動速度大小及運動方向。PIV測量原理如下圖所示。

圖 PIV測量原理二維視圖

5                      配套設(shè)施

考慮到客戶日后使用維護方便，建議將風(fēng)洞建設(shè)于地面一層。

風(fēng)洞長軸長度38.4m，末端深入沉積室，因此，洞體在一層占地面積為38.4m*5m的矩形區(qū)域，同時單側(cè)保留3m寬的通道方便進行設(shè)備維護和試驗件安裝等，通道對側(cè)應(yīng)保留距離建筑墻不小于0.7m的寬度的區(qū)域用于清理維護需求。故設(shè)備直接占地面積按38.4*9m進行規(guī)劃（注意風(fēng)洞軸線不在占地區(qū)域中心）。

從方便使用和保護設(shè)備考慮，風(fēng)洞應(yīng)有固定的廠房進行遮蔽。

在風(fēng)洞入口區(qū)域5m范圍內(nèi)，應(yīng)無障礙物阻礙空氣正常流通。

6                      本方案亮點        

系統(tǒng)采用應(yīng)用廣泛的航空氣動力風(fēng)洞構(gòu)型，在流場品質(zhì)、電能效率、低噪聲方面有較好的評價，也符合國家綠色節(jié)能的倡議。

該構(gòu)型風(fēng)洞的風(fēng)場評價，學(xué)術(shù)界受眾高，所以系統(tǒng)技術(shù)成果的可信度較高。

該類型風(fēng)洞設(shè)計技術(shù)和建設(shè)技術(shù)比較成熟，項目管理風(fēng)險低。

1.                      系統(tǒng)的*性

（1）*的加沙方式

采用目前較*的逆風(fēng)向加沙方式，提高沙場的均勻性

使用流量稱配合螺旋喂料，精確控制進行沙塵供給，同時采用大周期滯后的控制策略，保證控制精度滿足試驗要求。

2.                      系統(tǒng)的可靠性

（1）風(fēng)洞流道采用鋼結(jié)構(gòu)方案，提高了艙體的剛度，降低了壁板的振動；

（2）流道內(nèi)風(fēng)機葉片上鑲嵌了耐磨層，提高了使用壽命，延長了維護周期，提高了設(shè)計壽命；保證平均故障時間超過1000h，同時能保障連續(xù)工作時間超過24h，保證主體設(shè)計壽命不低于10年。

3.                      系統(tǒng)的安全性

（1）系統(tǒng)的集成和建設(shè)進行了詳細的項目實施組織策劃工作，建立了嚴格的項目實施組織，并對各相關(guān)人的責(zé)權(quán)進行了詳細的規(guī)劃，保障項目實施過程可控、保證過程的安全性；

（2）系統(tǒng)的集成和建設(shè)工作方案制定了嚴格的項目實施計劃和安全管理方案及措施，對生產(chǎn)過程進行了嚴格、細致的規(guī)劃；

（3）制定質(zhì)量管理及組織措施，對危險操作都進行了規(guī)劃管理。

4.                      系統(tǒng)的可維護性

（1）風(fēng)洞主體設(shè)備布置分布有層次，涉及沙塵輸送及回收設(shè)備均置于寬敞房間，檢修空間足夠，實現(xiàn)沙塵與潔凈空氣的物理隔離；

（2）系統(tǒng)的運行和維護所需資源均為生產(chǎn)生活常用資源，易于獲得和存儲，系統(tǒng)隨時能夠滿足用戶的實驗需求；

（3）本系統(tǒng)的設(shè)計高可靠、易維修、可測試，容易保障和便于保障，即“好保障"，如觀察窗玻璃，采用可維護的耐磨有機玻璃。

（4）本系統(tǒng)盡可能采用成熟的技術(shù)和簡化的設(shè)計；采用通用化、系列化、組合化設(shè)計技術(shù)，最大限度利用現(xiàn)有保障設(shè)備和設(shè)施，本系統(tǒng)的各類接口采用通用的標(biāo)準的接口；

（5）本系統(tǒng)設(shè)計周詳、實施計劃完整細致，能保證系統(tǒng)在保障上能夠方便、快捷地獲得正常使用和維修所需的檢測、校準設(shè)備、工具、備件和技術(shù)資料等。

5.                      系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性

（1）系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計都考慮了環(huán)境適應(yīng)性，如溫濕度傳感器充分考慮耐沙塵特性；

（2）系統(tǒng)集成過程中充分考慮了電磁環(huán)境兼容問題，保證系統(tǒng)能在高電壓通電的實驗環(huán)境下有效的工作；

（3）試驗操作過程中人員配備防塵面罩以及手套等，保證操作人員在粉塵環(huán)境中正常工作。

6.                      系統(tǒng)的可拓展性

針對沙塵風(fēng)洞有設(shè)計能力，在不做較大變動設(shè)計前提下，其預(yù)留擴展功能如下：

（1）風(fēng)壓試驗

沙塵試驗在現(xiàn)有功率和流道形式基礎(chǔ)上，進行少量的部件設(shè)計便可實現(xiàn)風(fēng)壓試驗要求。

（2）霧霾試驗

沙塵風(fēng)洞在現(xiàn)有功率和流道形式基礎(chǔ)上，只需改變噴嘴形式和配備噴霾系統(tǒng)設(shè)備便可進行。