Система криообеспечения высокотемпературного сверхпроводящего трансформатора

Полезная модель относится к системам криообеспечения высокотемпературного сверхпроводящего (ВТСП) трансформатора. Система криообеспечения ВТСП трансформатора содержит криостат с ВТСП обмотками, расходные сосуды жидкого азота, систему управления, которая включает блок системы управления, ряд датчиков и электромагнитные клапаны, систему заправки расходных сосудов с транспортным сосудом. При снижении уровня жидкого азота в криостате ниже заданного, подается сигнал на открытие электромагнитного клапана, в результате чего криогенная жидкость из расходных сосудов поступает в криостат. Для определения уровня криогенной жидкости в криостате предусмотрен оптоволоконный измеритель уровня поплавкового типа, подключенный к блоку системы управления. Для непрерывной работы системы используются два расходных сосуда с криогенной жидкостью, работающие попеременно. Расходные сосуды установлены на электронные весы, соединенные с блоком системы управления системы и показывающие уровень жидкости в расходных сосудах. В систему криообеспечения включена система заправки расходных сосудов, которая обеспечивает подачу криогенной жидкости из транспортного сосуда в расходные сосуды по сигналу, поступающему от системы управления. В дренажном трубопроводе криостата и в трубопроводе, соединяющем транспортный сосуд и расходные сосуды, установлены датчики фазы. Технический результат состоит в повышении надежности и упрощении эксплуатации системы криообеспечения ВТСП трансформатора на всем технологическом цикле (охлаждение, рабочие и аварийные режимы, заполнение расходных сосудов криогенной жидкостью). Предложенная система криообеспечения ВТСП трансформатора может быть использована для охлаждения и криостатирования различного ВТСП электрооборудования энергетического назначения.

Полезная модель относится к системам криообеспечения высокотемпературного сверхпроводящего (ВТСП) электроэнергетического оборудования и может быть использована для охлаждения и криостатирования ВТСП обмоток трансформатора.

Известна система криообеспечения ВТСП трансформатора, предназначенная для охлаждения и криостатирования ВТСП обмоток трансформатора или автоматической подачи криогенной жидкости в криостат ВТСП обмоток трансформатора, которая содержит криостат со сверхпроводящей обмоткой, выполненный с трубопроводом подачи криогенной жидкости и трубопроводом дренажа криостата, расходный сосуд с трубопроводом забора криогенной жидкости, который соединен с трубопроводом подачи криогенной жидкости, блок системы управления с устройством контроля системы управления, электромагнитный клапан, размещенный на трубопроводе подачи криогенной жидкости и подключенный к выходу блока системы управления, измеритель уровня, размещенный в криостате со сверхпроводящей обмоткой, и подключенный ко входу блока системы управления. (патент КНР 102426464, 2012 г.)

Принцип работы указанной системы криообеспечения ВТСП трансформатора состоит в том, что светодиодный измеритель уровня, закрепленный в криостате ВТСП обмоток трансформатора, подает сигнал системе управления электромагнитным клапаном, обеспечивающим своевременное перетекание жидкого азота из расходного сосуда в криостат с ВТСП обмоткой.

Однако, такая система криообеспечения ВТСП трансформатора обладает следующими недостатками: светодиодный измеритель уровня характеризуется пониженной точностью и требует дискретной установки светодиодных датчиков фазы, подача криогенной жидкости в криостат будет прекращена в случае ее израсходования в расходном сосуде, указанная система криообеспечения ВТСП трансформатора не обеспечивает подачу криогенной жидкости в расходный сосуд.

Предложенное техническое решение, направленное на достижение технического результата, позволяет устранить указанные недостатки, то есть повысить надежность и упростить эксплуатацию работы системы криообеспечения ВТСП трансформатора за счет попеременного использования двух расходных сосудов, автоматизации операций заправки расходных сосудов и контроля функционирования системы криообеспечения ВТСП трансформатора, измерения уровня криогенной жидкости в криостате как непрерывной величины.

Технический результат достигается тем, что система криообеспечения высокотемпературного сверхпроводящего трансформатора, содержащая криостат со сверхпроводящей обмоткой, который выполнен с трубопроводом подачи криогенной жидкости и трубопроводом дренажа криостата, расходный сосуд с трубопроводом забора криогенной жидкости, который соединен с трубопроводом подачи криогенной жидкости, блок системы управления с устройством контроля системы управления, электромагнитный клапан, размещенный на трубопроводе подачи криогенной жидкости и подключенный к выходу блока системы управления, измеритель уровня, размещенный в криостате со сверхпроводящей обмоткой, и подключенный ко входу блока системы управления, содержит дополнительный расходный сосуд с трубопроводом забора криогенной жидкости, систему заправки расходных сосудов с транспортным сосудом и блоком системы заправки, подключенным к блоку системы управления, электронные весы, которые размещены под расходными сосудами и подключены ко входу блока системы управления, датчики фазы, при этом расходные сосуды выполнены с трубопроводами дренажа расходных сосудов и трубопроводами заправки расходных сосудов, концы которых размещены внутри каждого из расходных сосудов, причем на трубопроводах дренажа расходного сосуда размещены электромагнитные клапаны и датчики давления, которые подключены соответственно к выходу и входу блока системы управления, а транспортный сосуд системы заправки расходных сосудов соединен трубопроводом доставки криогенной жидкости, конец которого размещен внутри транспортного сосуда, с трубопроводами заправки расходных сосудов, при этом датчики фазы размещены в трубопроводе дренажа криостата и трубопроводе доставки криогенной жидкости, и подключены ко входу блока системы управления, а измеритель уровня выполнен оптоволоконным поплавкового типа.

Кроме того, система заправки расходных сосудов снабжена воздуходувкой, которая подключена в выходу блока системы заправки расходных сосудов, а транспортный сосуд выполнен с оптоволоконным измерителем уровня поплавкового типа, который подключен ко входу блока системы заправки расходных сосудов, и трубопроводом наддува транспортного сосуда, который соединен с воздуходувкой.

Сущность системы криообеспечения ВТСП трансформатора иллюстрируется рисунком.

Система криообеспечения ВТСП трансформатора содержит криостат 1 ВТСП обмотки трансформатора 2 с оптоволоконным измерителем уровня поплавкового типа 3 и расходные сосуды 4. Криостат 1 и расходные сосуды 4 соединены трубопроводом забора криогенной жидкости 5, на которых установлены вентили забора криогенной жидкости 6, и трубопроводом подачи криогенной жидкости 7, на котором установлен электромагнитный клапан 8. Расходные сосуды 4 размещены на электронных весах 9 и выполнены с трубопроводами дренажа расходных сосудов 10, на которых установлены электромагнитный клапан 11 и датчики давления 12. Криостат 1 выполнен с трубопроводом дренажа криостата 13, на котором установлен датчик фазы 14. Также система криообеспечения ВТСП трансформатора содержит блок системы управления (БСУ) 15, к которому подключено устройство контроля системы управления 16, содержит систему заправки расходных сосудов 17 с транспортным сосудом 18, в котором размещен оптоволоконный измеритель уровня поплавкового типа 19, и блоком системы заправки 20, причем транспортный сосуд 18 соединен с расходными сосудами трубопроводом доставки криогенной жидкости 21, на котором установлен датчик фазы 22, и трубопроводами заправки расходного сосуда 23, на которых установлены вентили подачи криогенной жидкости 24. Воздуходувка 25 подключена к транспортному сосуду 18 трубопроводом наддува транспортного сосуда 26, на котором установлены вентиль наддува транспортного сосуда 27 и манометр 28.

Система криообеспечения ВТСП трансформатора работает следующим образом. При снижении уровня жидкого азота в криостате 1 ниже заданного, подается сигнал на открытие электромагнитного клапана 8. Криогенная жидкость из расходных сосудов 4 поступает в криостат 1, чем и достигается заданный уровень криогенной жидкости. Отработанная криогенная жидкость в виде паров покидает криостат 1 через трубопроводы дренажа криостата 13.

Система криообеспечения ВТСП трансформатора обеспечивает автоматическое поддержание заданного уровня криогенной жидкости в криостате 1, выдачу предупреждений о переходе в аварийный режим работы, управление охлаждением входящих в нее элементов. Также система криообеспечения ВТСП трансформатора дает визуальное представление о параметрах системы, характеризующих ее работу.

Для автоматизации выполнения перечисленных функций в системе криообеспечения ВТСП трансформатора выделена система управления. В систему управления входит блок системы управления 15 и устройство контроля системы управления 16 (далее планшетный компьютер 16), которое подключено к блоку системы управления, оптоволоконный измеритель уровня поплавкового типа 3, электронные весы 9, датчики давления 12, датчик фазы 14, датчик фазы 22, которые подключены ко входу блока системы управления 15, электромагнитный клапан 8, электромагнитные клапаны 11, которые подключены к выходу блока системы управления 15.

Для поддержания работоспособности системы криообеспечения ВТСП трансформатора требуется заправка криогенной жидкостью расходных сосудов 4. Для автоматизации заправки криогенной жидкостью расходных сосудов 4 в системе криообеспечения ВТСП трансформатора выделена система заправки расходных сосудов 17. В систему заправки расходных сосудов 17 входят блок системы заправки расходных сосудов 20, подключенный к блоку системы управления, оптоволоконный измеритель уровня поплавкового типа 19, подключенный ко входу блока системы заправки, воздуходувка 25, подключенная к выходу блока системы заправки.

Блок системы управления 15 обеспечивает автоматический сбор показаний датчиков, подключенных к его входу, обменивается информацией с блоком системы заправки 20, осуществляет управление блоком системы заправки 20, электромагнитными клапанами 4 и 6. Блок системы заправки 20 обменивается информацией с блоком системы управления 15, обеспечивает автоматический сбор показаний оптоволоконного измерителя уровня 19 и осуществляет управление воздуходувкой 25. Вентили забора криогенной жидкости 6, подачи криогенной жидкости 24 и наддува транспортного сосуда 27 регулируются вручную.

Все показания датчиков, собираемые системой управления, выводятся на экран планшетного компьютера 16, предоставляющего пользователю прямую и обратную связь с системой управления. Это делает возможным задавать режим работы системы криообеспечения ВТСП трансформатора, проводить необходимые технологические операции и оценивать текущее состояние системы криообеспечения ВТСП трансформатора.

Из транспортного сосуда 18 криогенная жидкость по трубопроводу доставки криогенной жидкости 21, через вентиль подачи криогенной жидкости 24 и трубопровод заправки криогенной жидкости 23 поступает в расходный сосуд 4. Из расходного сосуда 4 криогенная жидкость по трубопроводу забора криогенной жидкости 5 через вентиль забора криогенной жидкости сосуда 6 и по трубопроводу подачи криогенной жидкости 7 через электромагнитный клапан 8 подается в криостат 1.

Для подачи криогенной жидкости из расходного сосуда 4 по трубопроводу забора криогенной жидкости 5 в расходном сосуде 4 создается избыточное давление при помощи испарения криогенной жидкости в стандартном испарительном теплообменнике (на фиг. не показан), встроенном в расходный сосуд 4. Также в расходный сосуд 4 встроен автоматический механический клапан (на фиг. не показан), входящий в состав испарительного теплообменника, который перекрывает поступление криогенной жидкости к испарительному теплообменнику при достижении давлением заданного уровня, чем достигается автоматическое поддержание заданного уровня давления. В случае превышения давлением заданного уровня излишек паров криогенной жидкости из расходного сосуда 4 по трубопроводу дренажа расходного сосуда 10 через электромагнитный клапан 11 сбрасывается в окружающую среду, чем также достигается поддержание заданного уровня давления.

Для подачи криогенной жидкости из транспортного сосуда 18 по трубопроводу доставки криогенной жидкости 21 в транспортном сосуде 18 создается избыточное давление посредством наддува воздуха. Воздух наддува подается в транспортный сосуд 18 по трубопроводу наддува транспортного сосуда 26 через вентиль наддува транспортного сосуда 27 воздуходувкой 25. Давление в транспортном сосуде 18 определяется при помощи манометра 28.

Для автоматического поддержания заданного уровня криогенной жидкости в криостате 1 система управления определяет уровень криогенной жидкости в криостате 1 при помощи оптоволоконного измерителя уровня поплавкового типа 3, который с высокой точностью позволяет определять уровень жидкости в криостате как непрерывную величину, и управляет электромагнитным клапаном 4.

Для фиксации наличия капель криогенной жидкости в потоке паров криогенной жидкости в трубопроводе дренажа криостата 13 установлен датчик фазы 14 термоанимометрического типа. Показания датчика фазы 14 свидетельствуют об уровне охлаждения элементов системы криообеспечения ВТСП трансформатора, работающей в режиме охлаждения, переходе элементов системы криообеспечения ВТСП трансформатора в аварийный режим работы.

Использование двух расходных сосудов 4 обеспечивает непрерывную работу системы криообеспечения ВТСП трансформатора за счет их последовательного подключения во времени. Количество криогенной жидкости, содержащейся в каждом расходном сосуде 4, определяется системой управления при помощи электронных весов 9. В случае израсходования криогенной жидкости в расходном сосуде 4 системой управления при помощи планшетного компьютера 16 подается сигнал пользователю. После команды пользователя на заправку расходного сосуда 4 система управления открывает электромагнитный клапан 11 соответствующего расходного сосуда 4 для дренажа паров криогенной жидкости и понижения давления в расходном сосуде 4 до атмосферного давления. После дренажа паров криогенной жидкости из расходного сосуда 4 пользователь вручную закрывает вентиль забора криогенной жидкости 6, открывает вентиль подачи криогенной жидкости 24 и дает команду системе управления на заправку расходного сосуда 4 криогенной жидкостью. Система управления подает соответствующий сигнал системе заправки расходных сосудов 17, в результате чего криогенная жидкость поступает из транспортного сосуда 18 в расходный сосуд 4. Подача криогенной жидкости контролируется системой управления при помощи датчика фазы 22. После окончания заправки расходного сосуда система управления выдает сигнал на окончание подачи криогенной жидкости 4 системе заправки расходных сосудов 17 и уведомляет пользователя. Пользователь вручную закрывает вентиль подачи криогенной жидкости 24, открывает вентиль забора криогенной жидкости 6 и отдает команду системе управления на перевод расходного сосуда 4 в рабочий режим. Система управления закрывает электромагнитный клапан 11, и после достижения необходимого давления в расходном сосуде 4 он переводится в рабочий режим.

Предложенная система криообеспечения ВТСП трансформатора может быть использована для охлаждения и криостатирования ВТСП электрооборудования энергетического назначения (трансформаторы, генераторы, токоограничители, двигатели и т.д.).

1. Система криообеспечения высокотемпературного сверхпроводящего трансформатора, содержащая криостат со сверхпроводящей обмоткой, который выполнен с трубопроводом подачи криогенной жидкости и трубопроводом дренажа криостата, расходный сосуд с трубопроводом забора криогенной жидкости, который соединен с трубопроводом подачи криогенной жидкости, блок системы управления с устройством контроля системы управления, электромагнитный клапан, размещенный на трубопроводе подачи криогенной жидкости и подключенный к выходу блока системы управления, измеритель уровня, размещенный в криостате со сверхпроводящей обмоткой, и подключенный ко входу блока системы управления, отличающаяся тем, что она содержит дополнительный расходный сосуд с трубопроводом забора криогенной жидкости, систему заправки расходных сосудов с транспортным сосудом и блоком системы заправки, подключенным к блоку системы управления, электронные весы, которые размещены под расходными сосудами и подключены ко входу блока системы управления, датчики фазы, при этом расходные сосуды выполнены с трубопроводами дренажа расходных сосудов и трубопроводами заправки расходных сосудов, концы которых размещены внутри каждого из расходных сосудов, причем на трубопроводах дренажа расходного сосуда размещены электромагнитные клапаны и датчики давления, которые подключены соответственно к выходу и входу блока системы управления, а транспортный сосуд системы заправки расходных сосудов соединен трубопроводом доставки криогенной жидкости, конец которого размещен внутри транспортного сосуда, с трубопроводами заправки расходных сосудов, при этом датчики фазы размещены в трубопроводе дренажа криостата и трубопроводе доставки криогенной жидкости, и подключены ко входу блока системы управления, а измеритель уровня выполнен оптоволоконным поплавкового типа.

2. Система криообеспечения высокотемпературного сверхпроводящего трансформатора по п. 1, отличающаяся тем, что система заправки расходных сосудов снабжена воздуходувкой, которая подключена к выходу блока системы заправки расходных сосудов, а транспортный сосуд выполнен с оптоволоконным измерителем уровня поплавкового типа, который подключен к входу блока системы заправки расходных сосудов, и трубопроводом наддува транспортного сосуда, который соединен с воздуходувкой.