國家電網1.5m沙塵風洞方案砂塵循環
采用螺旋輸送機構，將收塵斗下方的砂塵收集后輸送到下料器，再通過下料器下方的氣力輸送機構將砂塵按試驗濃度要求進行補料，試驗過程中部分砂塵可循環使用。輸送速度變頻可調，功率約11KW。

1                      背景概述

1.1                      項目信息

（1）                      項目建設方：XXX

（2）                      項目建設地：新疆吐魯番

1.2                      建設背景

我國西北地區風沙較大,沙塵暴頻繁發生，在沙塵暴的作用下沉積在絕緣子表面的沙塵量嚴重增大，沉積的沙塵使絕緣子工作環境發生變化，一旦絕緣子工作環境發生變化其電場分布將會發生畸變，絕緣子沿面電場大于空氣擊穿場強時，閃絡事故可能發生，因此通過建設沙塵風洞實驗室分析接觸網復合絕緣子在沙塵地區染污后的沿面電場分布，可為沙塵地區絕緣子閃絡機理的研究提供一定的參考。

沙塵風洞可開展研究風沙地區環境物理及其對材料和電力系統的影響機制，包括風沙天氣、沙塵暴對電網活動的影響，如模擬塵暴和塵卷風條件下的電力系統評估試驗；模擬設備表面砂塵的聚集和吹除作用，同時還承擔研究風致砂塵運動等大氣風蝕過程。

目前我國已有單位設有人工積污類的風洞，該類風洞只是利用風洞對各種型式的絕緣子作吹灰試驗，達不到更寬的風速適應性以及更均勻的濃度效果，目前我國還沒有真正的電網系統專用的風沙環境風洞實驗室。

1.3                     國家電網1.5m沙塵風洞方案 本項目技術難點

沙塵風洞建設主要的技術難點為：

（1）                      高風速的收集技術難點。過濾器在高風速下會產生更高的風道壓阻，考慮到本項目需要實現55m/s量級的高風速，超高的風速帶來更高的風阻，對風洞氣動設計帶來較高的設計難點，且對風沙試驗不利。

（2）                      氣動輪廓構型難點。對于本項目而言，采用不同的氣動輪廓構型會帶來不同的影響，直流式雖然風洞本體的建設成本低，但是對過濾的要求高，風洞能量效率低，需要更高功率的風機，綜合建設成本更高。回流式雖然風洞本體建設成本高，但能量比高，對過濾要求不高，試驗和維護更便利，但需要更精準的設計，尋求適合本項目工況的氣動方案。

1.4                      項目創新性

（1）                      采集回流立式布局方案，避免了采用風阻式過濾收集裝置帶來的能量損失，利用沙塵自重提高了收集效率，降低了沙塵的投入量。

（2）                      采用長駐室結構，兼顧了擴展電網大型絕緣設備的試驗能力，更接近自然風沙環境空間，便于后期開展各類中大型試驗。

（3）                      使用矢量流量稱配合喂料，精確控制進行砂塵供給，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。

1.5                      重要說明

本報告只作為初步項目評估使用，不作為最終實施依據。

2                      技術指標

（1）                      風洞類型：沙塵風洞

（2）                      風洞形式：回流式風洞，立式

（3）                      現有廠房約束：W10m×L40m×H13m

（4）                      環境溫度：-10°C～室溫

（5）                      試驗段尺寸：試驗段尺寸為1.0m（寬）×1.5m（高）×3.0m（長）

（6）                      試驗段風速范圍：2m/s~55m/s（29m/s以上時的沙塵試驗技術指標不作為驗收指標）

（7）                      風沙試驗：絕緣子測試，模擬新疆地區沙塵暴；沙塵試驗時最高風速為29m/s；

（8）                      沙塵濃度為0~250mg/m3、250~500mg/m3、500~1000mg/m3；

（9）                      沙塵試驗時長：1h；

（10）                      流場性能(試驗區中心)：

1）       風速范圍：2～55m/s ；

2）       模型區中心湍流度（最大風速）：1％左右；

3）       速度均勻性（最大風速）：不大于0.05；

（11）                      現場環境：白天空氣溫度最高55℃，地表溫度最高70℃，夜間低溫度-20℃；

實驗室凈空間尺寸，長度40米，寬度10米，高度13米以內，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劃、占地面積、用水、用電、用氣情況等。

3                      技術方案

3.1                      風洞形式

回流下吸立式。 開口帶駐室風洞總長： 30900mm。    

最大寬度：3500mm，風洞總高9500mm。

圖 3?1 風洞布置圖

3.2                      風洞風速控制

風速通過PLC系統及軟件自動控制。

3.3                      沙塵實驗

3.3.1                      總處理風量

噴口尺寸寬1.0m×高1.5m；

根據吹沙試驗時最大風速29m/s，可得：

最大吹沙試驗風量=1.5×1.0×29×3600=156,600m3/h；

3.3.2                      噴射砂塵流量

噴口尺寸寬1.0m×高1.5m；風速29m/s；沙塵濃度為 0～1000mg/m3,按最大濃度1000mg/m3計算:

砂流量=1.0×29×1.0×1.5×3600= 156.6kg/h；

因試驗時砂塵采用循環使用方式，砂塵在試驗箱內有少量懸浮和沉積，所以砂塵實際用量遠小于計算數值。

3.3.3                      砂塵濃度測量

砂塵儀采用交流靜電感應測量原理，當帶電粒子接觸或經過傳感器測量桿附近時，在測量桿上產生感應電動勢，這個電動勢經過測量放大，通過智能數字算法，過濾直流部分干擾信號，只有信號中的交流分布用于計算粉塵含量，對應輸出4-20mA或者報警開關信號。

3.3.4                      收集

1)       砂塵循環

采用螺旋輸送機構，將收塵斗下方的砂塵收集后輸送到下料器，再通過下料器下方的氣力輸送機構將砂塵按試驗濃度要求進行補料，試驗過程中部分砂塵可循環使用。輸送速度變頻可調，功率約11KW。

圖 3?2 俯視沙塵布置圖

圖 3?3螺旋輸送機構參考圖

2)       砂塵收集和管道清潔

配置1套集塵系統, 功率約22KW（暫估）。在收集料斗下方設有閥門和接口，通過管道連接到集塵器上，試驗結束清潔系統或更換砂塵時使用。可手動控制和自動控制，集塵箱采用抽屜式結構，當灰塵積滿后打開門板，即可將儲料器拉出進行砂塵的清理，完成后再將儲料器送入即可。管道內其余殘留砂塵采用人工清潔方式。

3.4                      風洞主要幾何尺寸

考慮到上述指標要求，風洞主要幾何尺寸如下：

（1）                      試驗段

1000mm×1500mm×3000mm，采用開口射流封閉駐室形式，有效避免沙塵擴散，降低風洞能量損耗。加長駐室設計，有效沉積沙塵，另外增加駐室長度，可以有充分條件用來模擬大氣邊界層。

（2）                      動力段

由異步電動機提供，Ф2000mm×5000mm，擬使用8片葉片，內有整流裝置。

（3）                      收縮段

收縮比6，長3000mm。

（4）                      穩定段

3000mm×3000mm，長2200mm。內有二層紊流網及不銹鋼蜂窩器。

4                      廠房條件需求（甲方/最終用戶方提供）

（1）                      安裝場地由使用方提供，風洞總體使用電源功率不低于400kVA（暫定，可優化功率），并提供安裝和調試期間的電。

（2）                      甲方提供滿足風洞的地面載荷基礎。

（3）                      滿足風洞部段和相關設備進出的物流通道和安裝空間。

（4）                      安裝和調試期間的基本生活條件。

5                      項目建設周期

本項目預計建設周期：6-8個月（非冬季時期，考慮新疆地區，工期略長）。

6                      已建成有風洞業績

6.1                      蘭州大學沙塵風洞

蘭州大學多功能環境風洞實驗室是西部災害與環境力學教育部重點實驗室的重要研究平臺，建設過程中得到“985工程"、“雙很好建設"的強力支持，總投資超過2000萬元，2006年已驗收。

該風洞為直流下吹式風洞，由動力段、整流段、實驗段和擴散段四部分組成，風速由3m/s至40 m/s連續可調，洞體總長55m，實驗段長20m，實驗段截面積1.30 m （寬）×1.45 m （高），是中國西北地區尺寸最大的環境風洞平臺，主要用于近地層風環境模擬，開展與之相關的風沙（雪）運動機理、土壤侵蝕過程、風成地貌機制，荒漠化治理方案以及建筑物風載等方面的實驗研究。風洞實驗室配備有粒子圖像測速儀（PIV）、多普勒粒子動態分析儀（PDA）、熱線風速儀、多通道壓力掃描閥、高速攝影儀、風速廓線儀、超聲風速儀、氣溶膠粒度譜儀、集沙儀、六分力天平、粒徑分析儀等專業測量設備，同時還配備大量的實驗輔助設備以及自主研發的專業型測量裝置，為相關科研實驗的開展提供了堅實的設備支持。

圖 6?1蘭州大學沙塵風洞

6.2                      中國XX集團XX所沙塵風洞

?       大型砂塵環境模擬設施，是世界上目前最大尺寸的砂塵試驗風洞。

?       具有砂塵混合試驗能力。

?       空氣溫度：20?C～72?C；

?       風速：V=1.5m/s～29m/s（噴口處）；

?       可模擬吹砂、吹塵及砂塵混合試驗。

?       2023年(已驗收)

圖 6?2 北京XX所沙塵風洞

6.3                      西南部地區-某整車沙塵實驗箱

砂塵試驗箱的主要試驗對象是大型猛士車以及車載部件、同等尺寸規模以下的電子信息裝備。具備砂塵環境模擬能力，滿足吹砂和吹塵試驗要求。

?                      出風口尺寸：不小于2m×2m；

?                      風速： 0m/s～29m/s（±1m/s）；

?                      砂塵濃度：

吹塵試驗濃度：10.6±7g/m3；

吹砂試驗濃度：低砂、中砂、高砂。

圖 6?3某整車砂塵試驗箱

6.4                      中國火星沙塵風洞

火星風洞可開展火星自主探測的相關研究，包括研究火星表面風致沙塵運動、沙塵暴的形成機理等火星大氣風蝕過程、火星大氣邊界層、沙礫遷移、地表面風蝕過程、塵埃光譜特性、塵埃的物理等特性。

火星風洞全長約4米，試驗段凈空間寬約0.21m，高約0.21m，真空容器為臥式結構，長度約5米，試驗時可使容器內真空壓力達到100Pa。容器上設有多個功能的法蘭接口，風洞上設有多個觀察窗，可進行PIV試驗。

圖 6?4火星沙塵風洞

6.5                      中國科學院新疆生態與地理研究所風洞實驗室

6.6                      內蒙古農業大學風沙物理實驗室

試驗段尺寸為1.2×1.2×16m，風洞主要以風沙環境試驗研究、教學觀摩試驗為主，同時兼顧建筑學院、交通學院的教學科研需求。

(1) 微風速段：風速3～10.0m/s，測量精度：＜土1%（FS）

(2) 中風速段：風速10.0～40.0m/s，測量精度：＜土0.5%(FS)

圖 6?5 內蒙古農業大學風沙物理實驗室

6.7                      新疆交通科學研究院

6.8                      國家電網武漢電力科學研究院人工積污風洞