CN220707828U - 一种用于超导电缆冷却的过冷液氮循环装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于超导电缆冷却的过冷液氮循环装置，包括超导电缆组件、液氮循环组件，所述液氮循环组件的输出端和输入端分别与超导电缆组件的输入端和输出端相连，并连接形成一个闭式液氮循环回路，所述液氮循环组件包括冷箱、两组泵箱、冷源组件。本实用新型中，通过设置斯特林制冷机、逆布雷顿制冷机、抽空减压***三套冷源为制冷***提供冷量，三套冷源相互独立且互为备份，提高***冷源运行可靠性的同时最大限度节约成本，通过使用两套泵箱为制冷***提供循环动力，两套泵箱并联，互为备份，同时将液氮泵均单独设置在独立的泵箱中，便于检修，通过绝缘段的设置，能够防止金属材质的第一连接管路和第二连接管路导电。

Description

一种用于超导电缆冷却的过冷液氮循环装置

技术领域

本实用新型涉及超导电缆冷却技术领域，更具体涉及一种用于超导电缆冷却的过冷液氮循环装置。

背景技术

高温超导技术作为具有战略意义的前沿引领技术，随着城市化和工业化的飞速发展，在城市电网改造、磁悬浮交通、大科学装置等领域都展现出广泛应用前景。尤其是高温超导输电，被誉为本世纪电力行业的一场革命，是21世纪最具潜力的电工技术，具有损耗低、容量大、体积小、无污染等优点，有望在城市电网改造、狭窄走廊主干电网、需求特殊且常规技术难以解决的场合获得工程应用及推广。高温超导电缆正在迅速接近商用现实，许多电缆示范项目正在世界各地展示该技术的可行性。这些工程中的一个共同点是，高温超导电缆是用过冷循环液氮进行冷却。通常循环液氮温度范围在68-75K之间，液氮不允许在电缆通电的情况下沸腾，以避免潜在的电气问题和不均匀的冷却。

高温超导电缆的制冷分为开式制冷和闭式制冷；开式制冷，就是使用大量液氮，供给在抽空减压下运行的冷箱，以冷却循环的液氮。开式制冷的主要优点是设计相对简单，液氮消耗量大，可靠性高。闭式制冷，是使用机械制冷机来保持过冷液氮运行温度。与开式制冷相比，闭式制冷的主要优点是运行成本更低，也可以避免使用相对较大的液氮储槽进行日常液氮加注。

现有专利公告号为CN112542271A的专利文献公开了一种液氮冷却循环***，应用于超导电缆的冷却，包括控制装置、冷却循环管道、抽空制冷装置、液氮补充装置；抽空制冷装置包括过冷液氮杜瓦、制冷设备和换热器；过冷液氮杜瓦中存放有过冷液氮，换热器设置于过冷液氮杜瓦中；控制装置控制制冷设备使用抽空减压方式对过冷液氮杜瓦中的过冷液氮进行制冷，换热器与冷却循环管道连接，利用过冷液氮杜瓦中的过冷液氮对冷却循环管道中的循环液氮进行冷却；解决了处理循环液氮换热过程中液氮蒸发产生的氮气问题，无须成本较贵的制冷机组即可以实现制冷；从而实现了在解决处理循环液氮换热过程中液氮蒸发产生的氮气的同时，降低液氮冷却循环***的造价成本、维修成本。

一旦过冷液氮循环***出现问题，如冷源、液氮泵出现损坏，就会造成冷却失效，无法实现对超导电缆进行冷却，无法保证过冷液氮循环***运行的可靠性。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于，如何提高过冷液氮循环***对电缆冷却的可靠性。

本实用新型通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种用于超导电缆冷却的过冷液氮循环装置，包括超导电缆组件、液氮循环组件，所述液氮循环组件的输出端和输入端分别与超导电缆组件的输入端和输出端相连，并连接形成一个闭式液氮循环回路，所述液氮循环组件包括冷箱、两组泵箱、冷源组件，所述超导电缆组件的输出端通过第一连接管路与冷箱的输入端相连，所述冷箱的输出端通过第二连接管路与超导电缆组件的输入端相连，两组所述泵箱并联连接在第一连接管路上，所述泵箱内均设有液氮泵，所述液氮泵连接在第一连接管路上并为液氮循环提供动力，所述冷源组件包括斯特林制冷机、逆布雷顿制冷机、抽空减压***，所述斯特林制冷机、逆布雷顿制冷机、抽空减压***均与冷箱相连，并均能够单独为冷箱内介质制冷，所述超导电缆组件的输出端与液氮循环组件的输入端之间设有绝缘段。

通过设置斯特林制冷机、逆布雷顿制冷机、抽空减压***三套冷源为制冷***提供冷量，三套冷源相互独立且互为备份，提高***冷源运行可靠性的同时最大限度节约成本，通过使用两套泵箱为制冷***提供循环动力，两套泵箱并联，互为备份，同时将液氮泵均单独设置在独立的泵箱中，便于检修，通过绝缘段的设置，能够防止金属材质的第一连接管路和第二连接管路导电。

作为优选的技术方案，还包括控压***、液氮储槽，所述泵箱内还设有控压容器，所述控压容器与第一连接管路相连，所述控压***包括补气控压管路、补液控压管路，所述液氮储槽的气体输出口与液体输出口分别通过补气控压管路、补液控压管路与控压容器相连，所述补气控压管路、补液控压管路均设有控制阀门。

作为优选的技术方案，所述控压***还包括加热控压组件，所述加热控压组件包括设于控压容器内的加热器。

作为优选的技术方案，所述液氮循环组件还包括空压机、控压补气缓冲罐，所述补气控压管路的输入端还与空压机的输出端相连，所述补气控压管路上设有控压补气缓冲罐。

作为优选的技术方案，所述补气控压管路包括第一支路、第二支路、主管路，所述液氮储槽通过第一支路与主管路相连，所述空压机通过第二支路与主管路相连，所述第一支路上依次设有第一手动截止阀、空温式汽化器，所述第二支路上依次设有单向阀、第一减压阀，所述主管路上设有第二减压阀，且分别与两个所述泵箱内的控压容器相连，所述控压容器上还连接有排气管路，所述排气管路上设有第六气动截止阀。

作为优选的技术方案，所述补液控压管路的输入端与液氮储槽相连，所述补液控压管路的输出端分别与两个控压容器相连，所述补液控压管路上设有第二手动截止阀、管道过滤器、控制阀门。

作为优选的技术方案，所述液氮循环组件还包括补液容器，所述补液控压管路的输出端还通过补液输入管路与补液容器相连，所述补液容器通过补液输出管路与冷箱相连，所述补液输入管路上设有第四气动截止阀，所述补液输出管路上设有第五气动截止阀。

作为优选的技术方案，所述冷箱内设有过冷换热器，所述过冷换热器两端分别与第一连接管路和第二连接管路相连，所述过冷换热器位于冷箱内冷却介质液面以下。

作为优选的技术方案，所述超导电缆组件包括沿液氮循环方向设置的第一终端恒温器、超导电缆恒温器、第二终端恒温器，所述液氮循环组件用于为超导电缆组件提供冷量。

作为优选的技术方案，所述绝缘段设于第一连接管路上。

本实用新型的优点在于：

(1)本实用新型中，通过设置斯特林制冷机、逆布雷顿制冷机、抽空减压***三套冷源为制冷***提供冷量，三套冷源相互独立且互为备份，提高***冷源运行可靠性的同时最大限度节约成本，通过使用两套泵箱为制冷***提供循环动力，两套泵箱并联，互为备份，同时将液氮泵均单独设置在独立的泵箱中，便于检修，通过绝缘段的设置，能够防止金属材质的第一连接管路和第二连接管路导电。

(2)本实用新型中，提出了一种补液容器的概念，补液容器为排气口与大气连通的常压液氮杜瓦，液氮储槽中高压液氮进入补液容器后变为77.2K常压液氮，通过补液容器向负压冷箱中补充液氮，减小补液过程中冷箱温度波动，从而保证***循环液氮温度稳定性。

(3)本实用新型中，循环***补充液氮及压力控制均是通过控压容器来实现，控压容器底部通过管道与循环液氮连通，可以对循环管道补充液氮及传递压力，所需液氮由液氮储槽提供，压力控制有补液放气、补气放气、加热放气三种控压方式，以上三种控压方式相互备份，可提高***压力控制可靠性。

(4)本实用新型中，低温自动阀门均为气动阀门，气动阀们工作需要提供4-6bar稳定的气源，为保证气源可靠性，采用氮气源、空气源两种气源为自动阀门供气，同时氮气源干燥、充足，优先使用氮气源，通过调节减压阀出气压力大于空压机启动压力即可实现该目标，进一步提高了***可靠性。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的***结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的整体结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的第一泵箱结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的第一控压容器结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的承插公头组件结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的承插母头组件结构示意图；

图7为本实用新型实施例提供的第一控压容器筒体结构示意图；

图8为本实用新型实施例提供的控压容器第二过滤网结构示意图；

图9为本实用新型实施例提供的控压容器第一过滤网结构示意图；

附图标号：1、空压机；2、单向阀；3、阀门气源储罐；4、第一减压阀；5、第二减压阀；6、空温式汽化器；7、第一手动截止阀；8、管道过滤器；9、第二手动截止阀；10、液氮储槽；11、第一气动截止阀；12、第二气动截止阀；13、第三气动截止阀；14、第四气动截止阀；15、第一管道过滤器；151、过滤管；152、过滤网；16、补液容器；17、第一泵箱；171、承插母头组件；1711、第一承插母头管体；1712、第二承插母头管体；1713、承插母头连接管；1714、承插母头法兰；172、承插公头组件；1721、承插公头管体；1722、承插公头压环；18、第五气动截止阀；19、第六气动截止阀；20、第一控压容器；201、铜棒；202、换热棒；203、换热棒固定管；204、控压容器第一过滤网；205、控压容器第二过滤网；206、第一控压容器筒体；2061、第一控压容器外筒体；2062、第一控压容器内筒体；21、斯特林制冷机；22、第七气动截止阀；23、第八气动截止阀；24、第一空温式汽化器；25、第九气动截止阀；26、第十气动截止阀；27、第十一气动截止阀；28、第一抽空泵；29、第二抽空泵；30、第十二气动截止阀；31、第二空温式汽化器；32、冷箱；33、过冷换热器；34、第十三气动截止阀；35、第十四气动截止阀；36、第十五气动截止阀；37、逆布雷顿制冷机；38、第十六气动截止阀；39、第一终端恒温器；40、第十七气动截止阀；41、超导电缆恒温器；42、第十八气动截止阀；43、第一流量计；44、第一液氮泵；45、第十九气动截止阀；46、第二十气动截止阀；47、第二控压容器；48、第二流量计；49、第二液氮泵；50、第二管道过滤器；51、第二终端恒温器；52、第二泵箱；53、第二十一气动截止阀；54、第二十二气动截止阀；55、第二十三气动截止阀；56、控压补气缓冲罐。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参阅图1和图2，一种用于超导电缆冷却的过冷液氮循环装置，包括超导电缆组件、液氮循环组件，液氮循环组件的输出端和输入端分别与超导电缆组件的输入端和输出端相连，并连接形成一个闭式液氮循环回路，超导电缆组件包括沿液氮循环方向设置的第一终端恒温器39、超导电缆恒温器41、第二终端恒温器51，液氮循环组件用于为超导电缆组件提供冷量；从第二终端恒温器51内流出的回温液氮(＜77K)经泵箱17内的液氮泵增压，进入冷箱32内的过冷换热器33取得冷量变成70K过冷液氮(冷源为逆布雷顿制冷机37或斯特林制冷机21或者抽空减压***)，然后流入高温超导电缆的第一终端恒温器39内，冷却超导电缆，最后再返回液氮泵，开始新一轮次循环；

液氮循环组件包括冷箱32、两组泵箱、冷源组件、控压***、液氮储槽10、补液容器16、空压机1、控压补气缓冲罐56，超导电缆组件的输出端通过第一连接管路与冷箱32的输入端相连，冷箱32的输出端通过第二连接管路与超导电缆组件的输入端即第一终端恒温器39相连，两组泵箱并联连接在第一连接管路上，第一连接管路上设有绝缘段，绝缘段能够满足液氮在第一连接管路上连通，同时可起到绝缘作用，绝缘段位于第二终端恒温器51下游，由于所有的连接管路均为金属管道，防止其导通，泵箱内均设有液氮泵、控压容器，液氮泵连接在第一连接管路上并为液氮循环提供动力，控压容器与第一连接管路相连，控压容器用于控制循环液氮工作压力并缓冲液氮热胀冷缩过程中的体积变化，冷源组件包括斯特林制冷机21、逆布雷顿制冷机37、抽空减压***，斯特林制冷机21、逆布雷顿制冷机37、抽空减压***均与冷箱32相连，并均能够单独为冷箱32内的介质(即饱和态液氮)制冷。

采用逆布雷顿制冷机37、斯特林制冷机21和抽空减压***三种大冷量冷源，三种冷源相互备份，可在线任意切换、在线维护检修，液氮循环动力源液氮泵置于独立的泵箱内，***采用两套泵箱相互备份，泵箱可实现在线切换和在线维护，***控压采用补液控压、补气控压和加热控压三种控压方式，各控压方式相互独立，互相备份，***自动阀门为气动阀，阀门气源来自液氮储槽10或者空压机1，两者一用一备，保证气源可靠性。

参阅图1，控压***包括补气控压管路、补液控压管路、加热控压组件，液氮储槽10的气体输出口与液体输出口分别通过补气控压管路、补液控压管路与控压容器相连，加热控压组件包括设于控压容器内的加热器，补气控压管路、补液控压管路均设有控制阀门，控制阀门均为气动截止阀。

参阅图1，两组泵箱包括第一泵箱17和第二泵箱52，第一泵箱17与第二泵箱52结构相同，第一泵箱17内设有第一控压容器20、第一管道过滤器15、第一液氮泵44、第一流量计43，第二泵箱52内设有第二控压容器47、第二管道过滤器50、第二液氮泵49、第二流量计48，第一泵箱17和第二泵箱52并联连接在第一连接管路上，第一泵箱17位于第一连接管道的上游和下游分别设有第一气动截止阀11和第十八气动截止阀42，第二泵箱52位于第一连接管道的上游和下游分别设有第二十一气动截止阀53和第二十气动截止阀46，第一控压容器20和第二控压容器47内均设有加热器。

参阅图3、图4、图5、图6，第一管道过滤器15和第二管道过滤器50均为可拆卸结构，原有的管道过滤器直接焊接在管道上，即本实施例中的第一连接管路上，但其不便于检修，一旦出现问题，只能对金属管路进行破拆，造成检修不变；

本实施例中，以第一管道过滤器15上的承插结构为例，第一泵箱17顶部固定连接有承插母头组件171，第一连接管路与承插母头组件171插接的一端固定连接有承插公头组件172，承插公头组件172的底部固定连接有第一管道过滤器15，其中，承插公头组件172包括承插公头管体1721、承插公头压环1722，承插公头压环1722固定连接在承插公头管体1721顶部，承插母头组件171包括第一承插母头管体1711、第二承插母头管体1712、承插母头连接管1713、承插母头法兰1714，第一承插母头管体1711内同轴固定有第二承插母头管体1712，第一承插母头管体1711与第一泵箱17固定连接，第二承插母头管体1712与承插公头管体1721滑动配合，第二承插母头管体1712底部固定连接有承插母头连接管1713，承插母头连接管1713为第一连接管路的一部分，第一承插母头管体1711顶部固定连接有承插母头法兰1714，第二承插母头管体1712内径略大于承插公头管体1721外径，承插公头管体1721底部成型有螺纹接口，与第一管道过滤器15螺纹连接，第一管道过滤器15包括过滤管151、过滤网152，过滤管151周向开设有多组圆形通孔，每组通孔包括多个均沿过滤管151周向等角度分布的通孔，多组通孔且沿其轴向等距分布，侧面开孔的目的在于保证过流面积，对循环***不造成阻力，承插母头连接管1713与过滤管151之间留有空隙，其中空隙内固定有过滤网152，过滤网152与承插母头连接管1713之间形成一个密闭的腔体结构，即致密钢丝网，可起到过滤作用，过滤网152可固定在第二承插母头管体1712底部；

氮气自第一连接管路进入承插公头管体1721内，并进入过滤管151内，自其侧面的通孔经致密钢丝网过滤，进入过滤网152与承插母头连接管1713之间形成的密闭的腔体结构内，并进入后续的第一连接管路内。

参阅图1，控压容器与第一连接管路相连，即第一控压容器20和第二控压容器47均与第一连接管路相连，本实施例中，以第一控压容器20通过导冷管路与第一连接管路相连为例，导冷管路内设有铜棒201，用于将第一连接管路内的冗余冷量通过铜棒201传递至第一控压容器20，对其内进行冷却，用于降低第一连接管路内的循环氮气与控压容器内的饱和态液氮之间的热量差，保证其热量平衡，如果存在漏热(即控压容器内饱和液氮漏热大于冷量输入)，那么液氮就会汽化，汽化会增加控压容器内的压力，那么就需要通过开启第六气动截止阀19去放气，保证压力稳定，所以采用铜棒将循环管道内的过冷液氮冷量导入控压容器内的饱和液氮，使输入控压容器的冷量与控压容器的漏热达到平衡，但是由于无法准确计算控压容器漏热值，需要更换不同尺寸的铜棒201以确保达到最优的冷量传导效果，所以并未将铜棒201直接固定在导冷管路内，而是将其设置为可拆卸结构，同时由于铜棒201伸入导冷管路内，会对整个循环管路的补液速率造成影响，因此，在第一控压容器20与第一连接管路之间增加补液管路，以确保铜棒201的***不会影响液氮储槽向循环***的补液速率。

参阅图7、图8、图9，第一控压容器20包括第一控压容器筒体206、控压容器第一过滤网204、控压容器第二过滤网205、换热棒固定管203、换热棒202，第一控压容器筒体206包括同轴固定的第一控压容器外筒体2061和第一控压容器内筒体2062，第一控压容器外筒体2061上固定连接有承插母头2063，承插母头2063上可拆卸的固定连接有承插公头2064，承插母头2063、承插公头2064与承插公头组件172、承插母头组件171使用原理相同，均是滑动配合并通过法兰螺栓连接，承插母头2063固定连接在第一控压容器外筒体2061顶部，承插公头2064卡接在承插母头2063上，承插公头2064与承插母头2063的两个法兰盘通过螺栓可拆卸固定，承插公头2064底部通过换热棒固定管203、换热棒202与铜棒201固定连接，其中，换热棒固定管203与换热棒202固定连接，换热棒202底部与铜棒201螺纹连接，便于铜棒201更换，控压容器第一过滤网204固定在第一控压容器内筒体2062内，且位于换热棒固定管203、换热棒202外侧，第一控压容器内筒体2062底部内壁固定连接有控压容器第二过滤网205，控压容器第一过滤网204和控压容器第二过滤网205均可防止杂质进入循环管道，这样使得第一控压容器20通过补液管路与第一连接管路连通，第一控压容器20也通过导冷管路与第一连接管路连通，导冷管路的竖向侧壁开设有第一连接管路的输入端口，第一连接管路与导冷管路的一端和补液管路的一端通过三通方式连接。

参阅图1，补气控压管路的输入端还与空压机1的输出端相连，补气控压管路上设有控压补气缓冲罐56，补气控压管路包括第一支路、第二支路、主管路，液氮储槽10通过第一支路与主管路相连，空压机1通过第二支路与主管路相连，第一支路上依次设有第一手动截止阀7、空温式汽化器6，第二支路上依次设有单向阀2、阀门气源储罐3、第一减压阀4，阀门气源储罐3用于为所有的气动阀进行供气，主管路上设有第二减压阀5，且分别与第一泵箱17和第二泵箱52内的第一控压容器20和第二控压容器47相连，第一控压容器20和第二控压容器47均连接有排气管路，排气管路上设有第六气动截止阀19，主管路通过第一补气管路与第一控压容器20相连，主管路通过第二补气管路与第二控压容器47相连，第一补气管路上设有第三气动截止阀13，第二补气管路上设有和第二十三气动截止阀55。

参阅图1，补液控压管路的输入端与液氮储槽10相连，补液控压管路的其中两个输出端分别与第一控压容器20和第二控压容器47相连，补液控压管路上设有第二手动截止阀9、管道过滤器8、第二气动截止阀12、第二十二气动截止阀54，补液控压管路通过第一补液管路与第一控压容器20相连，补液控压管路通过第二补液管路与第二控压容器47相连，其中，第二气动截止阀12、第二十二气动截止阀54分别设置可控制补液控压管路是否与第一控压容器20和第二控压容器47连通，补液控压管路的另一输出端与补液容器16，补液容器16通过补液输出管路与冷箱32相连，用于为冷箱32补充液氮，补液输入管路上设有第四气动截止阀14，补液输出管路上设有第五气动截止阀18；

通过补液容器16的设置，补液容器16为排气口与大气连通的常压液氮杜瓦，液氮储槽10中高压液氮进入补液容器16后变为77.2K常压液氮，通过补液容器16向负压冷箱32中补充液氮，减小补液过程中冷箱32的温度波动，从而保证***循环液氮温度稳定性。

参阅图1，冷箱32为双层真空绝热容器，冷箱32内设有过冷换热器33，过冷换热器33两端分别与第一连接管路和第二连接管路相连，过冷换热器33位于冷箱32内冷却介质液面以下，使得过冷换热器33浸泡在负压液氮中，与负压液氮温度一致，***循环的高压液氮经过过冷换热器33与负压液氮换热取得冷量，从而保证进入超导电缆的液氮为过冷态液氮，冷箱32为双层真空绝热容器，其中储存的是负压饱和液氮，作用是冷却循环管道中是高压液氮使其保持过冷态，负压液氮的冷量则来自逆布雷顿制冷机37或斯特林制冷机21或抽空减压泵第一抽空泵28或第二抽空泵29。

参阅图1，第一泵箱17采用单层结构，采用真空多层绝热保温，第一液氮泵44和第二液氮泵49均为过冷液氮提供循环动力，通过变频器调速调节循环流量，第一控压容器20和第二控压容器47均用于控制循环液氮工作压力，同时也作为循环***的缓冲容器，以缓冲液氮热胀冷缩过程中的体积变化，***补液及压力控制均是通过控压容器来实现，第一控压容器20和第二控压容器47底部通过管道与循环液氮连通，从而进行压力传递，***工作压力控制有三种方式：

(1)补气控压：压力低于设定值下限时，第三气动截止阀13打开，控压补气缓冲罐56向控压容器(第一控压容器20或第二控压容器47)补气，达到目标压力时，停止进气，高于设定值上限时，开启第六气动截止阀19进行排气，达到设定值后关闭，控压补气缓冲罐56的气源来自液氮储槽10气相空间，经过空温式汽化器6后变为常温氮气，经第二减压阀5减压后进入控压补气缓冲罐56；

(2)补液控压：压力低于设定值下限时，第二气动截止阀12打开，液氮储槽10向控压容器补液，达到目标压力时，停止进液，高于设定值上限时，开启控压容器的第六气动截止阀19，达到设定值后关闭，由于刚打开第二气动截止阀12(用于补液)时，进来的是气液两相流，所以可以达到增压目的；

(3)加热控压：压力低于设定值下限时，打开布置在控压容器中的加热器，达到目标压力时，停止加热，高于设定值上限时，开启控压容器的第一气动截止阀(用于排气)19，达到设定值后关闭。

以上控压方式可由自行选择，相互独立，互相备份，控压过程均由程序自动控制，不需要人员值守，控压容器顶部设置补液口，所需液氮由液氮储槽10提供，控压容器设置有液位计，可实时监测其液位，当液位低于设定值下限时，开启第三气动截止阀13向***补液，高于设定值上限时，关闭补液阀，停止补液，为保护液氮泵叶轮不被固体颗粒物损坏，液氮泵上游设置管道过滤器，液氮泵出口安装有第一流量计43，可以实时监测***流量，通过变频器可以控制泵的转动频率以调节液氮循环流量，从而调节超导电缆的进出口温差，液氮泵为运动部件，需要做定期维护，为提高制冷***可靠性，液氮泵与控压容器放置在一个泵箱中，且泵箱进行冗余设计，***配置2套泵箱，第一泵箱17和第二泵箱52，一用一备，备份冷态泵箱可随时快速切换至工作状态。

在制冷***运行时，冷箱32中为约68K的饱和液氮，饱和压力约17kPa，此时液氮储槽10内为0.8MPa左右的饱和液氮，温度较高，为防止向冷箱32补液时对冷箱32的液氮温度造成冲击，为冷箱32设置一个常压补液容器16，液氮储槽10中高压液氮进入补液容器16，变为常压液氮，对应液氮温度为77.2K，补液容器16始终保持一定液位的液氮，当冷箱32需要补液时，打开第五气动截止阀18，利用重力及压差作用向冷箱32补液。

参阅图1，斯特林制冷机21通过斯特林制冷机输入管路和斯特林制冷机输出管路与冷箱32相连，斯特林制冷机输入管路和斯特林制冷机输出管路上分别设有第七气动截止阀22和第八气动截止阀23，第一连接管路通过冷箱输入管路与冷箱32相连，冷箱输入管路上设有第十七气动截止阀40，冷箱32通过冷箱输出管路与第二连接管路相连，冷箱输出管路上设有第十三气动截止阀34，第一连接管路和第二连接管路之间还通过中间连接管路相连，中间连接管路上依次设有第十六气动截止阀38、逆布雷顿制冷机37、第十五气动截止阀36，中间连接管路的设置使得整个循环***无需通过冷箱32，可直接通过逆布雷顿制冷机37，通过逆布雷顿制冷机37直接提供冷量，其中，冷箱输入管路还通过第三连接管路与中间连接管路相连，且第三连接管路与冷箱输入管路相连的一端位于第十七气动截止阀40的下游，第三连接管路与中间连接管路相连的一端位于第十五气动截止阀36的上游、逆布雷顿制冷机37的下游，第三连接管路上设有第十四气动截止阀35，通过第三连接管路的设置，使其作为旁通管路，可通过逆布雷顿制冷机37对冷箱32提供冷量，这样设置的优点在于，使得冷箱32作为蓄冷装置，即使透平出现故障，也能够使得冷箱32的冷量维持一定时间，保证***的整体运行，第三连接管路与中间连接管路相连的一端位于第十五气动截止阀36的上游。

参阅图1，抽空减压***包括两组并联的结构相同的抽空减压管路，分别为第一抽空减压管路和第二抽空减压管路，第一抽空减压管路上依次设有第一空温式汽化器24、第十一气动截止阀27、第一抽空泵28，第二抽空减压管路上依次设有第二空温式汽化器31、第十二气动截止阀30、第二抽空泵29，其中，第一空温式汽化器24、第十一气动截止阀27之间还连接有第一维护检修管路，第一维护检修管路上设有第九气动截止阀25，第二空温式汽化器31、第十二气动截止阀30之间还连接有第二维护检修管路，第二维护检修管路上设有第十气动截止阀26。

需要说明的是，逆布雷顿制冷机37维护周期长，控温稳定，工作过程中不消耗液氮，可与冷箱32脱开使用，需要维护时，关闭第十五气动截止阀36、第十六气动截止阀38即可与***断开，其它冷源需要维护时，利用该制冷机也可保证***运行；斯特林制冷机21通过斯特林制冷机输入管路和斯特林制冷机输出管路与冷箱32连接，冷氮气进入斯特林制冷机21降温回到冷箱32，不断降低冷箱32蒸气压从而为冷箱32提供冷量，工作时不消耗冷箱32中液氮，需要维护时，关闭第七气动截止阀22和第八气动截止阀23，即可将其与制冷***脱开；抽空减压***通过第一抽空减压管路和第二抽空减压管路与冷箱32相连，当启用抽空减压***时，以第一抽空减压管路为例，蒸发的氮气通过管道经过第一空温式汽化器24加热至常温，随后被第一抽空泵28抽出排至大气，液氮在蒸发的过程中为冷箱32内剩余液氮提供冷量，抽空减压***采用冗余设计，1用1备，该方式需要抽出氮气，所以液氮消耗量较大，但是其具有结构简单、造价便宜、降温速度快等优点，需要维护时，可关闭阀门第九气动截止阀25、第十气动截止阀26、第十一气动截止阀27、第十二气动截止阀30，将抽空泵与***断开。

本实施例中，所有的气动截止阀(即第一气动截止阀11至第二十三气动截止阀55)均为气动阀，气动阀工作需要4-6bar气源，为保证气源稳定可靠，采用氮气和空气两种气源，一用一备。氮气源来自于液氮储槽10用气阀，氮气经空温式汽化器6加热至室温，经第一减压阀4减压后进入气源储罐3提供给各阀门使用，空气源来自空压机1，经单向阀2进入阀门气源储罐3供各阀门使用，氮气源干燥、充足，优先使用氮气源，通过调节第一减压阀4出气压力大于空压机1启动压力即可实现该目标。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于超导电缆冷却的过冷液氮循环装置，其特征在于，包括超导电缆组件、液氮循环组件，所述液氮循环组件的输出端和输入端分别与超导电缆组件的输入端和输出端相连，并连接形成一个闭式液氮循环回路，所述液氮循环组件包括冷箱、两组泵箱、冷源组件，所述超导电缆组件的输出端通过第一连接管路与冷箱的输入端相连，所述冷箱的输出端通过第二连接管路与超导电缆组件的输入端相连，两组所述泵箱并联连接在第一连接管路上，所述泵箱内均设有液氮泵，所述液氮泵连接在第一连接管路上并为液氮循环提供动力，所述冷源组件包括斯特林制冷机、逆布雷顿制冷机、抽空减压***，所述斯特林制冷机、逆布雷顿制冷机、抽空减压***均与冷箱相连，并均能够单独为冷箱内介质制冷，所述超导电缆组件的输出端与液氮循环组件的输入端之间设有绝缘段。

2.根据权利要求1所述的一种用于超导电缆冷却的过冷液氮循环装置，其特征在于，还包括控压***、液氮储槽，所述泵箱内还设有控压容器，所述控压容器与第一连接管路相连，所述控压***包括补气控压管路、补液控压管路，所述液氮储槽的气体输出口与液体输出口分别通过补气控压管路、补液控压管路与控压容器相连，所述补气控压管路、补液控压管路均设有控制阀门。

3.根据权利要求2所述的一种用于超导电缆冷却的过冷液氮循环装置，其特征在于，所述控压***还包括加热控压组件，所述加热控压组件包括设于控压容器内的加热器。

4.根据权利要求2所述的一种用于超导电缆冷却的过冷液氮循环装置，其特征在于，所述液氮循环组件还包括空压机、控压补气缓冲罐，所述补气控压管路的输入端还与空压机的输出端相连，所述补气控压管路上设有控压补气缓冲罐。

5.根据权利要求4所述的一种用于超导电缆冷却的过冷液氮循环装置，其特征在于，所述补气控压管路包括第一支路、第二支路、主管路，所述液氮储槽通过第一支路与主管路相连，所述空压机通过第二支路与主管路相连，所述第一支路上依次设有第一手动截止阀、空温式汽化器，所述第二支路上依次设有单向阀、第一减压阀，所述主管路上设有第二减压阀，且分别与两个所述泵箱内的控压容器相连，所述控压容器上还连接有排气管路，所述排气管路上设有第六气动截止阀。

6.根据权利要求5所述的一种用于超导电缆冷却的过冷液氮循环装置，其特征在于，所述补液控压管路的输入端与液氮储槽相连，所述补液控压管路的输出端分别与两个控压容器相连，所述补液控压管路上设有第二手动截止阀、管道过滤器、控制阀门。

7.根据权利要求6所述的一种用于超导电缆冷却的过冷液氮循环装置，其特征在于，所述液氮循环组件还包括补液容器，所述补液控压管路的输出端还通过补液输入管路与补液容器相连，所述补液容器通过补液输出管路与冷箱相连，所述补液输入管路上设有第四气动截止阀，所述补液输出管路上设有第五气动截止阀。

8.根据权利要求7所述的一种用于超导电缆冷却的过冷液氮循环装置，其特征在于，所述冷箱内设有过冷换热器，所述过冷换热器两端分别与第一连接管路和第二连接管路相连，所述过冷换热器位于冷箱内冷却介质液面以下。

9.根据权利要求7所述的一种用于超导电缆冷却的过冷液氮循环装置，其特征在于，所述超导电缆组件包括沿液氮循环方向设置的第一终端恒温器、超导电缆恒温器、第二终端恒温器，所述液氮循环组件用于为超导电缆组件提供冷量。

10.根据权利要求1所述的一种用于超导电缆冷却的过冷液氮循环装置，其特征在于，所述绝缘段设于第一连接管路上。