1.1                      項目來源

國家電網1.5m沙塵風洞是一座專門用于科研的試驗設備，該設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1.5m沙塵風洞

項目來源：華北電力電學

項目建設地：新疆吐魯番

1.2                      項目建設目的目標

沙塵環(huán)境是引起許多設備失效的一個重要環(huán)境因素。廣泛分布的沙塵環(huán)境，對設備部件、系統(tǒng)和機載設備具有嚴重影響。其主要損壞類型有：沖蝕、磨損、腐蝕及滲透等。目前，在多個國家的相關標準中都規(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。

本項目的目標是建成1.5m量級高性能指標的模擬吹沙、吹塵、沙塵混合環(huán)境試驗風洞，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)境適應性試驗，用以驗證各型電網輸配電產品在沙塵環(huán)境下能否正常工作滿足使用要求。

1.3                      項目建設內容

本沙塵模擬試驗單元主要由以下幾個部分組成，包括風速模擬系統(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)調度各子系統(tǒng)聯(lián)合工作，并對設備的運行情況進行實時監(jiān)控。具體建設內容見下表。

表1-1 項目建設內容

1.4                      關鍵約束分析

（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，沙塵風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)調各設備位置，一定程度上還要綜合平衡性能指標與空間尺寸矛盾。

（2）環(huán)保約束：

本項目試驗的試驗介質為沙塵，容易產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                      沙塵風洞-絕緣子耐腐蝕性能實驗風洞主要技術指標（客戶提出）

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

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

項目建設過程將執(zhí)行以下規(guī)范：

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

（2）JGJT 338-2014《建筑工程風洞試驗方法標準》

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

3.1                      總體布置

沙塵風洞主要由沙塵試驗間、風速模擬系統(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風洞設計技術，采用臥式直流風洞布局方案進行設計。該方案在空氣動力學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。

由于國內各行業(yè)的諸多空氣動力學風洞多采用此類技術設計，技術成熟度很高，在附加的能力建設方面，如進一步隔聲、隔震處理，也有高品質供應商配套實施。

本風洞在廠房內的定置如下圖所示，風洞主體結構回路放置采用臥式放置。風洞的入口水平從側邊吸氣，可有效防止異物的進入。風洞從室外進氣，最終氣流經過處理后，排出室外。

氣動輪廓圖如下圖所示

3.2                      結構方案

風洞由鋼結構洞體、控制系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、噴沙系統(tǒng)等組成。

鋼結構洞體采用優(yōu)質碳鋼制造，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。

各部段采用鋼結構支腿支撐在設備基礎上。

現(xiàn)有方案，鋼結構洞體氣流道全長38.4m，最大寬度為4.4m、最大高度為4m，風洞表面積約344.9㎡，最大風速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。

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

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，用于對風洞進行試驗控制、沙塵濃度測量、濕度控制、風速測量、試驗記錄等。

沙塵風洞控制系統(tǒng)是整個沙塵風洞的控制核心部分，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。通過對上述技術指標的分析和計算，結合風洞試驗要求、設備工作狀態(tài)監(jiān)測和設備需要，在沙塵風洞內部設計了風速、溫度和濕度等測量點，通過這些點的設置和實時測量，能夠完整全面地反映沙塵風洞運行狀況，有利于工作人員分析沙塵風洞運行時出現(xiàn)的各種問題，實現(xiàn)對沙塵風洞運行的實時有效地監(jiān)控，保證沙塵風洞的正常運行。

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絡對風洞內風速、濕度、沙塵濃度等參數(shù)進行設置、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)、轉盤系統(tǒng)等。

3.4                      風速控制系統(tǒng)

風速動力系統(tǒng)用于實現(xiàn)對風機的驅動和控制，從而實現(xiàn)試驗段內不同風速。采用變頻調速的方式，使得風速要求范圍內連續(xù)可調。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的旋轉速度來控制喂料量，從而控制試驗段內塵的濃度。

圖  沙塵系統(tǒng)輸送設備

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，導致顆粒的擴散范圍相當大，在距加沙口處，就已均勻地擴散到試件的迎風面，保證試驗中噴射的沙塵能夠覆蓋試驗件的迎風面。

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噴射到氣流場中的沙塵的質量完成的。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。

向風場中加沙和調節(jié)噴射速度是通過噴射器實現(xiàn)的，噴射器由壓縮空氣產生的正壓空氣流經噴射器時產生吸力，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，加料設備將沙塵加注到秤斗內，流量秤開始按照設定流速開始排料，排料機用變頻器控制調解。為了適應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定值的差值，以此實測差值為依據(jù)，在小范圍內進行緩動的滯后線形調解，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解合理的加料頻率變化。這種雙閉環(huán)串級調節(jié)，連續(xù)進行并最終穩(wěn)定在設定濃度處。

沙塵濃度控制系統(tǒng)

噴射系統(tǒng)采用噴射器播撒沙塵，利用空壓機產生的正壓氣體流經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設備不在本合同包內，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測試沙塵風洞中測量目標平面內沙塵顆粒運動速度的二維速度場分布。PIV設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設備的激光光源通過外層殼體入射窗口進入風洞，再通過風洞表面窗口進入到風洞觀測區(qū)域，在觀測平面內照亮沙塵粒子，PIV設備的接收鏡頭分布在照射平面一側，透過外殼及風洞兩層光學窗口采集觀測區(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                      配套設施

考慮到客戶日后使用維護方便，建議將風洞建設于地面一層。

風洞長軸長度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，同時單側保留3m寬的通道方便進行設備維護和試驗件安裝等，通道對側應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。故設備直接占地面積按38.4*9m進行規(guī)劃（注意風洞軸線不在占地區(qū)域中心）。

從方便使用和保護設備考慮，風洞應有固定的廠房進行遮蔽。

在風洞入口區(qū)域5m范圍內，應無障礙物阻礙空氣正常流通。

6                      本方案亮點        

系統(tǒng)采用應用廣泛的航空氣動力風洞構型，在流場品質、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。

該構型風洞的風場評價，學術界受眾高，所以系統(tǒng)技術成果的可信度較高。

該類型風洞設計技術和建設技術比較成熟，項目管理風險低。

1.                      系統(tǒng)的*性

（1）*的加沙方式

采用目前較*的逆風向加沙方式，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）風洞流道采用鋼結構方案，提高了艙體的剛度，降低了壁板的振動；

（2）流道內風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，并對各相關人的責權進行了詳細的規(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，對生產過程進行了嚴格、細致的規(guī)劃；

（3）制定質量管理及組織措施，對危險操作都進行了規(guī)劃管理。

4.                      系統(tǒng)的可維護性

（1）風洞主體設備布置分布有層次，涉及沙塵輸送及回收設備均置于寬敞房間，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和簡化的設計；采用通用化、系列化、組合化設計技術，最大限度利用現(xiàn)有保障設備和設施，本系統(tǒng)的各類接口采用通用的標準的接口；

（5）本系統(tǒng)設計周詳、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、校準設備、工具、備件和技術資料等。

5.                      系統(tǒng)的環(huán)境適應性

（1）系統(tǒng)的關鍵結構設計都考慮了環(huán)境適應性，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

針對沙塵風洞有設計能力，在不做較大變動設計前提下，其預留擴展功能如下：

（1）風壓試驗

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

（2）霧霾試驗

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