1.1                      项目来源

国家电网1.5m沙尘风洞是一座专门用于科研的试验设备，该设备主要开展高压输电系统元器件在大气尘埃环境耐候性试验。

项目名称：国家电网1.5m沙尘风洞

项目来源：华北电力电学

项目建设地：新疆吐鲁番

1.2                      项目建设目的目标

沙尘环境是引起许多设备失效的一个重要环境因素。广泛分布的沙尘环境，对设备部件、系统和机载设备具有严重影响。其主要损坏类型有：冲蚀、磨损、腐蚀及渗透等。目前，在多个国家的相关标准中都规定了沙尘试验方法，以评价装备在沙漠干旱等地区的沙尘环境下的工作性能和可靠性等。

本项目的目标是建成1.5m量级高性能指标的模拟吹沙、吹尘、沙尘混合环境试验风洞，能够进行绝缘子在静态、绝缘子加电压100kV状态下的沙尘环境适应性试验，用以验证各型电网输配电产品在沙尘环境下能否正常工作满足使用要求。

1.3                      项目建设内容

本沙尘模拟试验单元主要由以下几个部分组成，包括风速模拟系统、沙尘模拟系统、沙尘收集系统（不包括厂房房间）等。通过控制系统调度各子系统联合工作，并对设备的运行情况进行实时监控。具体建设内容见下表。

表1-1 项目建设内容

1.4                      关键约束分析

（1）占地面积与空间限制

在甲方给定的实验室空间尺寸为，长度66.8米，宽度13.9米，高度9米以内，沙尘风洞的主体和配套子系统需要较大的占地面积和空间，工艺布置需要综合协调各设备位置，一定程度上还要综合平衡性能指标与空间尺寸矛盾。

（2）环保约束：

本项目试验的试验介质为沙尘，容易产生泄露污染厂房大厅环境影响其他系统的工作运行，需满足一定的环保要求。

2                      沙尘风洞-绝缘子耐腐蚀性能实验风洞主要技术指标（客户提出）

根据新疆当地气候环境特点，本试验系统的能力规划如下表：

实验室配套转盘机构、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。

项目建设过程将执行以下规范：

（1）GJB 1179A-2012《高速风洞和低速风洞流场品质规范》

（2）JGJT 338-2014《建筑工程风洞试验方法标准》

3                       沙尘风洞-绝缘子耐腐蚀性能实验风洞系统组成

3.1                      总体布置

沙尘风洞主要由沙尘试验间、风速模拟系统、沙尘模拟系统、沙尘收集系统等系统组成，具体组成如下图所示。

图  系统组成图

该系统采用成熟的航空空气动力学风洞设计技术，采用卧式直流风洞布局方案进行设计。该方案在空气动力学上有比较高的能效比，同时使动力系统的噪声污染降低到工业场区可以接受的程度。

由于国内各行业的诸多空气动力学风洞多采用此类技术设计，技术成熟度很高，在附加的能力建设方面，如进一步隔声、隔震处理，也有高品质供应商配套实施。

本风洞在厂房内的定置如下图所示，风洞主体结构回路放置采用卧式放置。风洞的入口水平从侧边吸气，可有效防止异物的进入。风洞从室外进气，最终气流经过处理后，排出室外。

气动轮廓图如下图所示

3.2                      结构方案

风洞由钢结构洞体、控制系统、采集系统、喷沙系统等组成。

钢结构洞体采用优质碳钢制造，整个流道有着稳定的高精度型面和长久的使用年限。按流道轮廓特点又分为收集器、等直段、拐角、动力段、圆方过渡段、稳定段、收缩段、试验段、扩散段以及沙尘收集装置等部段。

各部段采用钢结构支腿支撑在设备基础上。

现有方案，钢结构洞体气流道全长38.4m，最大宽度为4.4m、最大高度为4m，风洞表面积约344.9㎡，最大风速55m/s，能量比为1.6674，所需电机功率不小于177.2kW，压增不小于1217.0pa，流量不下于123.75m3/s。

风机采用轴流风机，非标定制，8片桨叶、7片止旋片、最大工作转速1100rpm，变频控制调速。整机有不低80%的运行效率和较低的噪声，非常适合风洞使用。风机振动隔离，可根据客户需求采用质量块吸震基础或是隔震系统基础。确保动力系统振动不会对测量系统产生影响。

3.3                      控制系统

控制系统由控制器、控制软件、传感器等组成，用于对风洞进行试验控制、沙尘浓度测量、湿度控制、风速测量、试验记录等。

沙尘风洞控制系统是整个沙尘风洞的控制核心部分，所有控制指令的发出、信息的处理、状态的反馈都是由该部分来完成的。通过对上述技术指标的分析和计算，结合风洞试验要求、设备工作状态监测和设备需要，在沙尘风洞内部设计了风速、温度和湿度等测量点，通过这些点的设置和实时测量，能够完整全面地反映沙尘风洞运行状况，有利于工作人员分析沙尘风洞运行时出现的各种问题，实现对沙尘风洞运行的实时有效地监控，保证沙尘风洞的正常运行。

控制系统具有远程和本地控制功能。在远程控制模式下，试验人员可通过计算机网络对风洞内风速、湿度、沙尘浓度等参数进行设置、测量和控制。计算机终端具有图形显示、操作提示、安全保护、故障诊断、数据记录等功能。

风洞主控制系统包括主控控制系统、视频实时显示与监控系统、沙尘模拟系统、动力控制系统、数据采集系统、转盘系统等。

3.4                      风速控制系统

风速动力系统用于实现对风机的驱动和控制，从而实现试验段内不同风速。采用变频调速的方式，使得风速要求范围内连续可调。系统采用矢量变频器+电机编码器的组成方式，对电机轴头旋转编码器的反馈脉冲进行监测，反馈至变频器，从而形成矢量闭环控制方式，具有优于0.1%的转速控制精度。

3.5                      喷沙系统

沙尘系统采用气固射流文丘里喷射器播撒沙尘，喷口采用拉瓦尔喷管形状，利用高压的气体通过喷射器对模拟沙尘进行抽吸和输送，通过控制高压气体压力来调节喷射速度；鉴于最大和最小尘流量差距悬殊，在流量秤秤体出口安装螺旋喂料器，通过电机控制喂料机构的旋转速度来控制喂料量，从而控制试验段内尘的浓度。

图  沙尘系统输送设备

射流加沙方式使得喷射含沙气流与试验舱气流两股流动而造成强烈的横向动量交换和湍流掺混扩散，导致颗粒的扩散范围相当大，在距加沙口处，就已均匀地扩散到试件的迎风面，保证试验中喷射的沙尘能够覆盖试验件的迎风面。

通过增加扩散距离，保证喷口处沙尘已分布均匀试验区域，现采用逆向射流加沙方式，沙颗粒覆盖面积大，均匀性相对较好；主要原因是两股反向流动造成强烈的横向动量交换和湍流掺混扩散作用，使得沙尘得以向喷嘴周边更宽的范围扩散，通过增大加沙速度与风速之差，使得沙颗粒的散布面积及均匀性进一步提高。

沙尘模拟系统的工作原理是喷嘴把沙以一定的速度喷射到气流场中，通过固体颗粒在气流场中布朗运动作用完成扩散，并通过气流携裹作用运送到试验区域，形成较为均匀的气固两相流流场。

沙尘场的浓度是通过控制单位时间内喷射到气流场中的沙尘的质量完成的。均匀性保证主要由沙尘的布朗扩散作用原理来实现，由于扩散需要一定的距离，因此喷嘴与试验件的距离比较重要，另外由于沙的颗粒度较大，重力作用较为明显，喷嘴的喷射方向和角度需考虑重力影响作用。

向风场中加沙和调节喷射速度是通过喷射器实现的，喷射器由压缩空气产生的正压空气流经喷射器时产生吸力，抽吸走位于喷射器上方的物料，并使之在正压气动输送系统中喷射沙尘。

系统组成及工作流程

（1）系统组成

沙尘模拟系统主要包括沙尘气力输送喷射系统与浓度控制系统两部分。

沙尘喷射系统主要包含喷射器、喷射管路、喷嘴等；

浓度控制系统包含粉尘浓度仪、电子流量秤、螺旋喂料器以及PLC控制系统。

（2）系统工作流程

沙尘模拟系统工作时，加料设备将沙尘加注到秤斗内，流量秤开始按照设定流速开始排料，排料机用变频器控制调解。为了适应不同浓度要求的控制，流量秤排料采用双口径螺旋输送喂料。

喷射系统启动后，浓度仪在线检测实际浓度值，我们获得实测浓度与设定值的差值，以此实测差值为依据，在小范围内进行缓动的滞后线形调解，电子秤根据要求的流量变化，参照实际检测的流量来计算与调解合理的加料频率变化。这种双闭环串级调节，连续进行并最终稳定在设定浓度处。

沙尘浓度控制系统

喷射系统采用喷射器播撒沙尘，利用空压机产生的正压气体流经喷射器对物料进行抽吸和输送，通过控制空压机的气量大小来调节喷射速度；鉴于最大和最小沙尘流量差距悬殊，考虑在储料仓出口安装螺旋喂料器，通过电机控制喂料器的旋转速度来控制喂料量，而喷射器安装在喂料器的下方，通过压缩空气直接进行喷射。同时在试验室内使用独立可控的喷嘴改善喷射的均匀性和可控性。

4                      PIV试验（PIV设备不在本合同包内，本章节仅介绍试验示意方法）

PIV测量主要完成的是对沙尘颗粒在运动过程中的速度场分布测量，PIV测试沙尘风洞中测量目标平面内沙尘颗粒运动速度的二维速度场分布。PIV设备搭建主要包括激光光源，片光生成器，接收相机以及软件四个部分。

PIV设备的激光光源通过外层壳体入射窗口进入风洞，再通过风洞表面窗口进入到风洞观测区域，在观测平面内照亮沙尘粒子，PIV设备的接收镜头分布在照射平面一侧，透过外壳及风洞两层光学窗口采集观测区域的沙尘粒子图像，通过PIV采集处理软件得到沙尘的运动速度大小及运动方向。PIV测量原理如下图所示。

图 PIV测量原理二维视图

5                      配套设施

考虑到客户日后使用维护方便，建议将风洞建设于地面一层。

风洞长轴长度38.4m，末端深入沉积室，因此，洞体在一层占地面积为38.4m*5m的矩形区域，同时单侧保留3m宽的通道方便进行设备维护和试验件安装等，通道对侧应保留距离建筑墙不小于0.7m的宽度的区域用于清理维护需求。故设备直接占地面积按38.4*9m进行规划（注意风洞轴线不在占地区域中心）。

从方便使用和保护设备考虑，风洞应有固定的厂房进行遮蔽。

在风洞入口区域5m范围内，应无障碍物阻碍空气正常流通。

6                      本方案亮点        

系统采用应用广泛的航空气动力风洞构型，在流场品质、电能效率、低噪声方面有较好的评价，也符合国家绿色节能的倡议。

该构型风洞的风场评价，学术界受众高，所以系统技术成果的可信度较高。

该类型风洞设计技术和建设技术比较成熟，项目管理风险低。

1.                      系统的*性

（1）*的加沙方式

采用目前较*的逆风向加沙方式，提高沙场的均匀性

使用流量称配合螺旋喂料，精确控制进行沙尘供给，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。

2.                      系统的可靠性

（1）风洞流道采用钢结构方案，提高了舱体的刚度，降低了壁板的振动；

（2）流道内风机叶片上镶嵌了耐磨层，提高了使用寿命，延长了维护周期，提高了设计寿命；保证平均故障时间超过1000h，同时能保障连续工作时间超过24h，保证主体设计寿命不低于10年。

3.                      系统的安全性

（1）系统的集成和建设进行了详细的项目实施组织策划工作，建立了严格的项目实施组织，并对各相关人的责权进行了详细的规划，保障项目实施过程可控、保证过程的安全性；

（2）系统的集成和建设工作方案制定了严格的项目实施计划和安全管理方案及措施，对生产过程进行了严格、细致的规划；

（3）制定质量管理及组织措施，对危险操作都进行了规划管理。

4.                      系统的可维护性

（1）风洞主体设备布置分布有层次，涉及沙尘输送及回收设备均置于宽敞房间，检修空间足够，实现沙尘与洁净空气的物理隔离；

（2）系统的运行和维护所需资源均为生产生活常用资源，易于获得和存储，系统随时能够满足用户的实验需求；

（3）本系统的设计高可靠、易维修、可测试，容易保障和便于保障，即“好保障”，如观察窗玻璃，采用可维护的耐磨有机玻璃。

（4）本系统尽可能采用成熟的技术和简化的设计；采用通用化、系列化、组合化设计技术，最大限度利用现有保障设备和设施，本系统的各类接口采用通用的标准的接口；

（5）本系统设计周详、实施计划完整细致，能保证系统在保障上能够方便、快捷地获得正常使用和维修所需的检测、校准设备、工具、备件和技术资料等。

5.                      系统的环境适应性

（1）系统的关键结构设计都考虑了环境适应性，如温湿度传感器充分考虑耐沙尘特性；

（2）系统集成过程中充分考虑了电磁环境兼容问题，保证系统能在高电压通电的实验环境下有效的工作；

（3）试验操作过程中人员配备防尘面罩以及手套等，保证操作人员在粉尘环境中正常工作。

6.                      系统的可拓展性

针对沙尘风洞有设计能力，在不做较大变动设计前提下，其预留扩展功能如下：

（1）风压试验

沙尘试验在现有功率和流道形式基础上，进行少量的部件设计便可实现风压试验要求。

（2）雾霾试验

沙尘风洞在现有功率和流道形式基础上，只需改变喷嘴形式和配备喷霾系统设备便可进行。