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(jī)載設(shè)備具有嚴(yán)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(zhǔn)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(jìn)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(yùn)行情況進(jìn)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(yùn)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(diǎn)，本試驗系統(tǒng)的能力規(guī)劃如下表：

實驗室配套轉(zhuǎn)盤機(jī)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(zhǔn)》

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(jìn)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(jìn)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(jìn)入。風(fēng)洞從室外進(jìn)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(diǎn)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(kuò)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(jī)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(jī)采用軸流風(fēng)機(jī)，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(jī)有不低80%的運(yùn)行效率和較低的噪聲，非常適合風(fēng)洞使用。風(fēng)機(jī)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(jìn)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(diǎn)，通過這些點(diǎn)的設(shè)置和實時測量，能夠完整全面地反映沙塵風(fēng)洞運(yùn)行狀況，有利于工作人員分析沙塵風(fēng)洞運(yùn)行時出現(xiàn)的各種問題，實現(xiàn)對沙塵風(fēng)洞運(yùn)行的實時有效地監(jiān)控，保證沙塵風(fēng)洞的正常運(yùn)行。

控制系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程和本地控制功能。在遠(yuǎn)程控制模式下，試驗人員可通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)速、濕度、沙塵濃度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、測量和控制。計算機(jī)終端具有圖形顯示、操作提示、安全保護(hù)、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(jī)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(jī)編碼器的組成方式，對電機(jī)軸頭旋轉(zhuǎn)編碼器的反饋脈沖進(jìn)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(jìn)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(jī)控制喂料機(jī)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(qiáng)烈的橫向動量交換和湍流摻混擴(kuò)散，導(dǎo)致顆粒的擴(kuò)散范圍相當(dāng)大，在距加沙口處，就已均勻地擴(kuò)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(kuò)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(qiáng)烈的橫向動量交換和湍流摻混擴(kuò)散作用，使得沙塵得以向噴嘴周邊更寬的范圍擴(kuò)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(jìn)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(yùn)動作用完成擴(kuò)散，并通過氣流攜裹作用運(yùn)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(kuò)散作用原理來實現(xiàn)，由于擴(kuò)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)產(chǎn)生的正壓氣體流經(jīng)噴射器對物料進(jìn)行抽吸和輸送，通過控制空壓機(jī)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(jī)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(jìn)行噴射。同時在試驗室內(nèi)使用獨(dú)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(yùn)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(yùn)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(jī)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(jìn)入風(fēng)洞，再通過風(fēng)洞表面窗口進(jìn)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(yùn)動速度大小及運(yùn)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(hù)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(jìn)行設(shè)備維護(hù)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(hù)需求。故設(shè)備直接占地面積按38.4*9m進(jìn)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(hù)設(shè)備考慮，風(fēng)洞應(yīng)有固定的廠房進(jìn)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(diǎn)        

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(jìn)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(jī)葉片上鑲嵌了耐磨層，提高了使用壽命，延長了維護(hù)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(jìn)行了詳細(xì)的項目實施組織策劃工作，建立了嚴(yán)格的項目實施組織，并對各相關(guān)人的責(zé)權(quán)進(jìn)行了詳細(xì)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(yán)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(jìn)行了嚴(yán)格、細(xì)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(jìn)行了規(guī)劃管理。

4.                      系統(tǒng)的可維護(hù)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(yùn)行和維護(hù)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(hù)的耐磨有機(jī)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(zhǔn)的接口；

（5）本系統(tǒng)設(shè)計周詳、實施計劃完整細(xì)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(zhǔn)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(kuò)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(jìn)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(jìn)行。