劉重強(qiáng)

(廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司，廣東 廣州 510663)

CFD是近代流體力學(xué)、數(shù)值數(shù)學(xué)和計算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，是一門具有強(qiáng)大生命力的邊緣科學(xué)。它以電子計算機(jī)為工具，應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法，對流體力學(xué)的各類問題進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)、計算機(jī)模擬和分析研究，以解決各種實(shí)際問題[1]，包括Fluent、Icepak、Gambit、FloEFD、Phoenics、Polyflow等。其中Icepak和Fluent擁有豐富的模型庫，能夠?qū)崿F(xiàn)快速建模；擁有先進(jìn)的網(wǎng)格技術(shù)，可以生成高質(zhì)量的計算網(wǎng)格；支持參數(shù)化設(shè)計，對變量進(jìn)行參數(shù)化控制實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)、不同工況下的分析計算，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的目的；具有強(qiáng)大的解算能力和可視化的后處理能力[2]，在通信與電子行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[3-6]，一般用于元器件及其組合裝置的熱仿真，針對建筑物級的熱仿真還未涉及。本文結(jié)合工程實(shí)際，利用Icepak和Fluent軟件對某換流站空冷器的熱風(fēng)循環(huán)進(jìn)行熱仿真模擬，根據(jù)模擬的結(jié)果提出相應(yīng)的解決方案，并驗(yàn)證方案的可靠性。

1 設(shè)計背景

我國西北地區(qū)冬季氣溫較低，換流站閥冷卻系統(tǒng)外風(fēng)冷管道中的冷卻水極易結(jié)冰，導(dǎo)致外風(fēng)冷閥門滲漏、管道破裂，嚴(yán)重時將導(dǎo)致直流輸電系統(tǒng)長時間停運(yùn)。而極度嚴(yán)寒的惡劣條件下，冷卻器較大的換熱面積增大了結(jié)凍的可能，給閥冷系統(tǒng)的可靠運(yùn)行帶來極大風(fēng)險[7]。為避免閥冷系統(tǒng)在冬季故障停運(yùn)或停電檢修，室外換熱設(shè)備及室外管道內(nèi)部結(jié)凍，需設(shè)置室外防護(hù)裝置(防凍棚)，室外換熱設(shè)備(空氣冷卻器和閉式冷卻塔)安裝于防凍棚內(nèi)部。閥冷系統(tǒng)運(yùn)行期間，防凍棚進(jìn)出風(fēng)處電動卷簾門處于打開狀態(tài)；在冬季閥冷系統(tǒng)故障停運(yùn)或停電檢修期間電動卷簾門處于關(guān)閉狀態(tài)，內(nèi)部設(shè)置暖風(fēng)機(jī)進(jìn)行加熱，防止設(shè)備結(jié)凍。

由于室外換熱設(shè)備布置于換流站控制樓、換流變廣場之間，夏天容易受到自然風(fēng)的影響，自然風(fēng)的失衡將熱風(fēng)吹至墻面，導(dǎo)致熱風(fēng)循環(huán)，提高了空冷器進(jìn)風(fēng)溫度，降低了空冷器的冷卻效率。因此，需要計算設(shè)置防凍棚后熱風(fēng)循環(huán)對空冷器的影響。

由于熱風(fēng)循環(huán)主要影響因素是進(jìn)風(fēng)溫度和速度[8]，因此僅考慮夏天的影響，其他季節(jié)環(huán)境溫度較低，暫不考慮。風(fēng)速根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》所記錄的該站典型氣象年數(shù)據(jù)，典型氣象年7月每4 h平均風(fēng)速最大為7 m/s。進(jìn)風(fēng)溫度可以參考多年平均年極端最高氣溫35.1 ℃和歷史累年極端最高氣溫38.1 ℃。

2 總體方案

根據(jù)換流變廣場的建筑布局，將空冷器、防凍棚、換流變防火墻和控制樓及閥廳建成如圖1和圖2所示的模型，建模依照以下的依據(jù)和方法。

a.將控制樓、閥廳、空氣冷卻器、防凍棚和換流變防火墻抽象出立方體的幾何模型。

b.假定空氣冷卻器平面高度一定，并均勻分布在同一高度的防凍棚內(nèi)，換熱功率為額定冷卻功率。

c.防凍棚高為12.398 m，頂棚不計的話高為10 m；空冷器的高為1.5 m。

d.風(fēng)速以典型氣象年7月的風(fēng)速，不高于7 m/s，故進(jìn)風(fēng)可以設(shè)計為7 m/s進(jìn)行計算。

e.空冷器的風(fēng)速為每組空冷器62.47 kg/s，進(jìn)風(fēng)溫度(環(huán)境溫度)為38 ℃，出風(fēng)溫度為44.5 ℃，風(fēng)速為6.02 m/s，共8組。

f.加了防凍棚以后，高度達(dá)到了12 m，已經(jīng)超過了換流變防火墻的高度，因此只考慮吹向控制樓方向的風(fēng)向。

g.采用Fluent二維模型進(jìn)行仿真計算，然后采用Icepak三維模型進(jìn)行設(shè)計校核。

圖1 換流變廣場建筑布局二維模型圖

圖2 換流變廣場建筑布局三維模型圖

3 仿真模擬

防熱風(fēng)循環(huán)主要以回流率來反映。通常用回流率描述熱風(fēng)回流現(xiàn)象[9]，定義為空冷器進(jìn)風(fēng)中所含有的由空冷器排出又重新吸入空冷器進(jìn)口的空氣質(zhì)量流量與空冷器入口處的總質(zhì)量流量的比值：

(1)

式中：mR為由空冷器排出又重新回到空冷器入口處的空氣流量；ml為空冷器入口處的總流量；T1為空冷器入口空氣溫度；T2為空冷器出口空氣溫度；T0為環(huán)境溫度[10]。

3.1 模型的建立

將空冷器、防凍棚和控制樓建成一個如圖 1的二維模型，其邊界條件列于表 1。

表1 邊界條件詳細(xì)說明

同時為了便于計算，需進(jìn)行以下說明。

a.自然風(fēng)以氣象站提供的風(fēng)速u10，如式(2)所示：

(2)

b.將空冷器出風(fēng)口設(shè)計成系統(tǒng)的進(jìn)口，空冷器的進(jìn)風(fēng)口設(shè)計為系統(tǒng)的出口。

c.將空冷器的出風(fēng)速度定為系統(tǒng)空冷器額定流量下的風(fēng)速。

3.2 不同風(fēng)速的回流率

通過二維模型計算回流率，分別計算防凍棚高度分別為2 m、4 m、6 m、8 m，自然風(fēng)速分別為0.5 m/s、2 m/s、4 m/s、6 m/s、8 m/s時模型的回流率，從模擬結(jié)果可以看出增加防凍棚前后對空氣回流的影響，其結(jié)果如圖3所示。

(a)無防凍棚的速度云圖

(b)有防凍棚的速度云圖

(c)無防凍棚的溫度云圖

(d)有防凍棚的溫度云圖圖3 二維模型模擬云圖(風(fēng)速為6 m/s)

由圖3可見，在未增加防凍棚的情況下，很容易產(chǎn)生熱風(fēng)循環(huán)，導(dǎo)致空冷器的冷卻效率下降。而增加了防凍棚以后，基本上不會產(chǎn)生熱風(fēng)循環(huán)，不同防凍棚高度下的空氣回流率變化值如圖4所示。

圖4 防凍棚高度下的空氣回流率

由圖4可見，在同一風(fēng)速下，防凍棚的空氣回流率隨著高度的增加而下降；在同一高度下，防凍棚的空氣回流率隨著環(huán)境風(fēng)速的增加而下降。

4 防熱風(fēng)循環(huán)裝置的校核分析

通過二維模擬可見，增加了防凍棚以后可以有效減少熱風(fēng)循環(huán)。可以通過三維模擬進(jìn)行校核分析，三維模擬結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，自然風(fēng)吹過空冷器后，一部分自然風(fēng)被控制樓擋住，向兩側(cè)流動，但未產(chǎn)生熱風(fēng)回流循環(huán)現(xiàn)象。

圖6分析了換流站高端閥廳室外空氣冷卻器在環(huán)境溫度為38 ℃，安裝了防凍棚，靠近控制樓處的溫度分布情況。安裝了防凍棚以后，空冷器吹出來的熱風(fēng)經(jīng)過防凍棚的阻擋后從較高處流入環(huán)境中，空冷器進(jìn)風(fēng)口的溫度與環(huán)境溫度大體相當(dāng)；而未安裝防凍棚，空冷器吹出來的熱風(fēng)一部分直接被吸回空冷器，空冷器進(jìn)口溫度明顯高于環(huán)境溫度，進(jìn)而降低了空冷器的換熱效率。

圖5 防熱風(fēng)循環(huán)與閥廳流速矢量分布圖

圖6 增加防凍棚前后空冷器與控制樓之間環(huán)境溫度比較

通過模擬可見，空冷器處于熱風(fēng)循環(huán)區(qū)時，不加防凍棚的空冷器受熱風(fēng)循環(huán)影響較大，安裝防凍棚以后，進(jìn)風(fēng)溫度與環(huán)境溫度相差不大，未形成熱風(fēng)循環(huán)。

5 結(jié)論

防熱風(fēng)循環(huán)及保溫結(jié)構(gòu)能滿足在室外百年一遇的最大風(fēng)速和最大降雪條件下，結(jié)構(gòu)能夠保持強(qiáng)度穩(wěn)定，長期運(yùn)行可靠。防熱風(fēng)循環(huán)及保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50 年，安全等級為一級。該換流站防凍棚充分吸取了以住工程的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，利用空氣冷卻器與防凍棚一體化設(shè)計，通過防熱風(fēng)循環(huán)設(shè)計，減少了因部分空冷器布置在控制樓附近引起的熱風(fēng)循環(huán)，提高了高環(huán)境溫度期間空冷器的換熱效率。通過熱仿真模擬及校核驗(yàn)算，該站防凍棚的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，減小了防凍棚占地面積，能夠滿足外冷設(shè)備的運(yùn)行要求和防凍要求。