国家电网1.5m沙尘风洞方案

1                      背景概述

1.1                      项目信息

（1）                      项目建设方：XXX

（2）                      项目建设地：新疆吐鲁番

1.2                      建设背景

我国西北地区风沙较大,沙尘暴频繁发生，在沙尘暴的作用下沉积在绝缘子表面的沙尘量严重增大，沉积的沙尘使绝缘子工作环境发生变化，一旦绝缘子工作环境发生变化其电场分布将会发生畸变，绝缘子沿面电场大于空气击穿场强时，闪络事故可能发生，因此通过建设沙尘风洞实验室分析接触网复合绝缘子在沙尘地区染污后的沿面电场分布，可为沙尘地区绝缘子闪络机理的研究提供一定的参考。

沙尘风洞可开展研究风沙地区环境物理及其对材料和电力系统的影响机制，包括风沙天气、沙尘暴对电网活动的影响，如模拟尘暴和尘卷风条件下的电力系统评估试验；模拟设备表面砂尘的聚集和吹除作用，同时还承担研究风致砂尘运动等大气风蚀过程。

目前我国已有单位设有人工积污类的风洞，该类风洞只是利用风洞对各种型式的绝缘子作吹灰试验，达不到更宽的风速适应性以及更均匀的浓度效果，目前我国还没有真正的电网系统专用的风沙环境风洞实验室。

1.3                     国家电网1.5m沙尘风洞方案 本项目技术难点

沙尘风洞建设主要的技术难点为：

（1）                      高风速的收集技术难点。过滤器在高风速下会产生更高的风道压阻，考虑到本项目需要实现55m/s量级的高风速，超高的风速带来更高的风阻，对风洞气动设计带来较高的设计难点，且对风沙试验不利。

（2）                      气动轮廓构型难点。对于本项目而言，采用不同的气动轮廓构型会带来不同的影响，直流式虽然风洞本体的建设成本低，但是对过滤的要求高，风洞能量效率低，需要更高功率的风机，综合建设成本更高。回流式虽然风洞本体建设成本高，但能量比高，对过滤要求不高，试验和维护更便利，但需要更精准的设计，寻求适合本项目工况的气动方案。

1.4                      项目创新性

（1）                      采集回流立式布局方案，避免了采用风阻式过滤收集装置带来的能量损失，利用沙尘自重提高了收集效率，降低了沙尘的投入量。

（2）                      采用长驻室结构，兼顾了扩展电网大型绝缘设备的试验能力，更接近自然风沙环境空间，便于后期开展各类中大型试验。

（3）                      使用矢量流量称配合喂料，精确控制进行砂尘供给，同时采用大周期滞后的控制策略，保证控制精度满足试验要求。

1.5                      重要说明

本报告只作为初步项目评估使用，不作为最终实施依据。

2                      技术指标

（1）                      风洞类型：沙尘风洞

（2）                      风洞形式：回流式风洞，立式

（3）                      现有厂房约束：W10m×L40m×H13m

（4）                      环境温度：-10°C～室温

（5）                      试验段尺寸：试验段尺寸为1.0m（宽）×1.5m（高）×3.0m（长）

（6）                      试验段风速范围：2m/s~55m/s（29m/s以上时的沙尘试验技术指标不作为验收指标）

（7）                      风沙试验：绝缘子测试，模拟新疆地区沙尘暴；沙尘试验时最高风速为29m/s；

（8）                      沙尘浓度为0~250mg/m3、250~500mg/m3、500~1000mg/m3；

（9）                      沙尘试验时长：1h；

（10）                      流场性能(试验区中心)：

1）       风速范围：2～55m/s ；

2）       模型区中心湍流度（最大风速）：1％左右；

3）       速度均匀性（最大风速）：不大于0.05；

（11）                      现场环境：白天空气温度最高55℃，地表温度最高70℃，夜间低温度-20℃；

实验室净空间尺寸，长度40米，宽度10米，高度13米以内，配套转盘机构、加沙装置、风洞试验的控制设备、测试设备，流场指标按边界层风洞合格指标，要求给出初步方案规划、占地面积、用水、用电、用气情况等。

3                      技术方案

3.1                      风洞形式

回流下吸立式。 开口带驻室风洞总长： 30900mm。    

最大宽度：3500mm，风洞总高9500mm。

图 3‑1 风洞布置图

3.2                      风洞风速控制

风速通过PLC系统及软件自动控制。

3.3                      沙尘实验

3.3.1                      总处理风量

喷口尺寸宽1.0m×高1.5m；

根据吹沙试验时最大风速29m/s，可得：

最大吹沙试验风量=1.5×1.0×29×3600=156,600m3/h；

3.3.2                      喷射砂尘流量

喷口尺寸宽1.0m×高1.5m；风速29m/s；沙尘浓度为 0～1000mg/m3,按最大浓度1000mg/m3计算:

砂流量=1.0×29×1.0×1.5×3600= 156.6kg/h；

因试验时砂尘采用循环使用方式，砂尘在试验箱内有少量悬浮和沉积，所以砂尘实际用量远小于计算数值。

3.3.3                      砂尘浓度测量

砂尘仪采用交流静电感应测量原理，当带电粒子接触或经过传感器测量杆附近时，在测量杆上产生感应电动势，这个电动势经过测量放大，通过智能数字算法，过滤直流部分干扰信号，只有信号中的交流分布用于计算粉尘含量，对应输出4-20mA或者报警开关信号。

3.3.4                      收集

1)       砂尘循环

采用螺旋输送机构，将收尘斗下方的砂尘收集后输送到下料器，再通过下料器下方的气力输送机构将砂尘按试验浓度要求进行补料，试验过程中部分砂尘可循环使用。输送速度变频可调，功率约11KW。

图 3‑2 俯视沙尘布置图

图 3‑3螺旋输送机构参考图

2)       砂尘收集和管道清洁

配置1套集尘系统, 功率约22KW（暂估）。在收集料斗下方设有阀门和接口，通过管道连接到集尘器上，试验结束清洁系统或更换砂尘时使用。可手动控制和自动控制，集尘箱采用抽屉式结构，当灰尘积满后打开门板，即可将储料器拉出进行砂尘的清理，完成后再将储料器送入即可。管道内其余残留砂尘采用人工清洁方式。

3.4                      风洞主要几何尺寸

考虑到上述指标要求，风洞主要几何尺寸如下：

（1）                      试验段

1000mm×1500mm×3000mm，采用开口射流封闭驻室形式，有效避免沙尘扩散，降低风洞能量损耗。加长驻室设计，有效沉积沙尘，另外增加驻室长度，可以有充分条件用来模拟大气边界层。

（2）                      动力段

由异步电动机提供，Ф2000mm×5000mm，拟使用8片叶片，内有整流装置。

（3）                      收缩段

收缩比6，长3000mm。

（4）                      稳定段

3000mm×3000mm，长2200mm。内有二层紊流网及不锈钢蜂窝器。

4                      厂房条件需求（甲方/最终用户方提供）

（1）                      安装场地由使用方提供，风洞总体使用电源功率不低于400kVA（暂定，可优化功率），并提供安装和调试期间的电。

（2）                      甲方提供满足风洞的地面载荷基础。

（3）                      满足风洞部段和相关设备进出的物流通道和安装空间。

（4）                      安装和调试期间的基本生活条件。

5                      项目建设周期

本项目预计建设周期：6-8个月（非冬季时期，考虑新疆地区，工期略长）。

6                      已建成有风洞业绩

6.1                      兰州大学沙尘风洞

兰州大学多功能环境风洞实验室是西部灾害与环境力学教育部重点实验室的重要研究平台，建设过程中得到“985工程"、“双很好建设"的强力支持，总投资超过2000万元，2006年已验收。

该风洞为直流下吹式风洞，由动力段、整流段、实验段和扩散段四部分组成，风速由3m/s至40 m/s连续可调，洞体总长55m，实验段长20m，实验段截面积1.30 m （宽）×1.45 m （高），是中国西北地区尺寸最大的环境风洞平台，主要用于近地层风环境模拟，开展与之相关的风沙（雪）运动机理、土壤侵蚀过程、风成地貌机制，荒漠化治理方案以及建筑物风载等方面的实验研究。风洞实验室配备有粒子图像测速仪（PIV）、多普勒粒子动态分析仪（PDA）、热线风速仪、多通道压力扫描阀、高速摄影仪、风速廓线仪、超声风速仪、气溶胶粒度谱仪、集沙仪、六分力天平、粒径分析仪等专业测量设备，同时还配备大量的实验辅助设备以及自主研发的专业型测量装置，为相关科研实验的开展提供了坚实的设备支持。

图 6‑1兰州大学沙尘风洞

6.2                      中国XX集团XX所沙尘风洞

Ø       大型砂尘环境模拟设施，是世界上目前最大尺寸的砂尘试验风洞。

Ø       具有砂尘混合试验能力。

Ø       空气温度：20˚C～72˚C；

Ø       风速：V=1.5m/s～29m/s（喷口处）；

Ø       可模拟吹砂、吹尘及砂尘混合试验。

Ø       2023年(已验收)

图 6‑2 北京XX所沙尘风洞

6.3                      西南部地区-某整车沙尘实验箱

砂尘试验箱的主要试验对象是大型猛士车以及车载部件、同等尺寸规模以下的电子信息装备。具备砂尘环境模拟能力，满足吹砂和吹尘试验要求。

Ø                      出风口尺寸：不小于2m×2m；

Ø                      风速： 0m/s～29m/s（±1m/s）；

Ø                      砂尘浓度：

吹尘试验浓度：10.6±7g/m3；

吹砂试验浓度：低砂、中砂、高砂。

图 6‑3某整车砂尘试验箱

6.4                      中国火星沙尘风洞

火星风洞可开展火星自主探测的相关研究，包括研究火星表面风致沙尘运动、沙尘暴的形成机理等火星大气风蚀过程、火星大气边界层、沙砾迁移、地表面风蚀过程、尘埃光谱特性、尘埃的物理等特性。

火星风洞全长约4米，试验段净空间宽约0.21m，高约0.21m，真空容器为卧式结构，长度约5米，试验时可使容器内真空压力达到100Pa。容器上设有多个功能的法兰接口，风洞上设有多个观察窗，可进行PIV试验。

图 6‑4火星沙尘风洞

6.5                      中国科学院新疆生态与地理研究所风洞实验室

6.6                      内蒙古农业大学风沙物理实验室

试验段尺寸为1.2×1.2×16m，风洞主要以风沙环境试验研究、教学观摩试验为主，同时兼顾建筑学院、交通学院的教学科研需求。

(1) 微风速段：风速3～10.0m/s，测量精度：＜土1%（FS）

(2) 中风速段：风速10.0～40.0m/s，测量精度：＜土0.5%(FS)

图 6‑5 内蒙古农业大学风沙物理实验室

6.7                      新疆交通科学研究院

6.8                      国家电网武汉电力科学研究院人工积污风洞