劉重強，梁上燕

（廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司，廣州 510663）

0 引言

常規(guī)高壓直流輸電技術(shù)的研究和應(yīng)用，在我國已非常深入和成熟，有多個直流工程的廣泛實踐[1]。而柔性直流輸電技術(shù)的研究正處于技術(shù)不斷改進、工程應(yīng)用不斷增長的高速發(fā)展期[2]。柔性直流輸電工程的換流閥閥塔布置在換流閥閥廳內(nèi)，運行時會產(chǎn)生大量的熱，需要配置相應(yīng)的水冷系統(tǒng)對其進行冷卻。水冷系統(tǒng)空間分布復(fù)雜、組成部件多，只采用實驗方法對水冷系統(tǒng)進行研究是不可行的，因此模擬和仿真在研究中起著重要的作用[3]。流體分析軟件Flowmaster能夠精確地分析系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的壓力、流量、溫度、流速等參數(shù)，迅速地由所建立的水冷系統(tǒng)模型得到上述參數(shù)的仿真數(shù)值，并與設(shè)計值進行比較分析。以下介紹Flowmaster在換流閥閥廳管路系統(tǒng)流量均衡分配中的應(yīng)用。

1 Flowmaster流量－壓力計算模型

Flowmaster中的元件模型主要基于流量－壓力關(guān)系，用戶建模只需輸入反映元件的流動阻力特性的數(shù)據(jù)。流體系統(tǒng)由多個元件組成，F(xiàn)lowmaster采用線性化方法，通過迭代的方法來求解系數(shù)矩陣，根據(jù)各元件的流動特性和主管路與各分支道路之間流量守恒原理來計算節(jié)點壓力，并獲得流速和雷諾數(shù)等相關(guān)參數(shù)。在計算過程中以及顯示計算結(jié)果時，以流體流出元件為正流量，反之為負流量[4]。

2 工程概況

某換流閥閥廳內(nèi)共48個閥塔，每12個閥塔為1組，由1套水冷系統(tǒng)提供冷源。該套水冷系統(tǒng)由1臺水泵提供動力，將冷卻水通過閥廳管路系統(tǒng)輸送到每個閥塔內(nèi)，經(jīng)過一次熱交換后的冷卻水溫度升高，被輸送到外冷系統(tǒng)中與空氣進行二次熱交換，使其水溫降低后再次被輸送到閥塔內(nèi)進行冷卻，形成一套閉合循環(huán)回路，如圖1所示，虛線內(nèi)的部分為閥廳管路系統(tǒng)。設(shè)計要求閥塔之間的流量偏差不能超過3%。

圖1 水冷系統(tǒng)

一般水冷系統(tǒng)供回水方式有異程式和同程式[5]，異程式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，耗用管材少，施工難度小，但是可能出現(xiàn)設(shè)備間水量不均衡的問題[6]；同程式系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性好，各設(shè)備間的水量分配均衡，調(diào)節(jié)方便，但是工程造價偏高[7]。同程式系統(tǒng)還可分為供水同程、回水同程、供回水均同程3種模式[8]，如圖2所示。根據(jù)工程實際情況對不同的系統(tǒng)建立不同的仿真模型。

圖2 同程式系統(tǒng)的3種模式

3 建立仿真系統(tǒng)

在此著重研究水冷系統(tǒng)在閥廳的管路流量、壓力分布。為簡化模型，只模擬圖1中虛線內(nèi)的管路系統(tǒng)，進水、出水分別提供一個穩(wěn)定的流量源（與實際的額定流量等值），在進水處設(shè)置壓力源，保持系統(tǒng)在額定運行壓力下穩(wěn)定運行。閥塔可看作是一個阻力元件，其余均為管道，通過彎頭、三通接頭、變徑管等元件連接，系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。

3.1 管路模型的建立及參數(shù)設(shè)置

在Flowmsater中管路模型有Cylindrical，Hexagonal， Prismatic， Rectangular， Rotating Hose，Internal duct，表1給出了3種典型的沿程摩擦阻力損失計算模型[9]。根據(jù)設(shè)計資料選擇Cylindrical Rigid Pipe，其需要設(shè)置的參數(shù)有管路長度、管道內(nèi)徑、管路內(nèi)壁的絕對粗糙度。

（1）Colebrook-White模型。適用于壓縮流體以及不可壓縮流體，但需要給出管路內(nèi)壁的表面粗糙度，在相關(guān)用戶手冊中可以查出各種常用材料管路內(nèi)壁表面粗糙度的數(shù)值。

（2）Hazen-Williams模型。適用于不可壓縮流體，在管路流量分配中常使用這種模型。需要給出不同材質(zhì)的海倫－威廉系數(shù)，在相關(guān)用戶手冊中可以查出各種典型材料的系數(shù)值。

（3）固定系數(shù)模型。當(dāng)雷諾數(shù)Re大于106后，摩擦阻力系數(shù)f漸漸趨于定值[10]，因此已知系統(tǒng)壓力梯度時，可以通過給定阻力系數(shù)的方法對模型進行校正。

在此選用Colebrook-White模型進行摩擦損失計算，需要設(shè)置不銹鋼管的表面粗糙度。

圖3 系統(tǒng)仿真模型

表1 沿程摩擦阻力損失計算模型

3.2 閥塔模型的建立及參數(shù)設(shè)置

式中：ΔP為壓降；K為阻力系數(shù)；ρ為流體密度；A為流體進出閥塔的面積；Q為流量。

3.3 其他模型的建立及參數(shù)設(shè)置

由于只考慮閥廳的管路系統(tǒng)，因此可以在管路系統(tǒng)的前端和末端各布置一個穩(wěn)定的流量源，流量數(shù)值為實際進入閥廳的額定流量值。為保證管路系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，需要提供額定的壓力來克服沿程阻力。在系統(tǒng)中設(shè)定一個恒定的壓力源，壓力數(shù)值為整個系統(tǒng)的運行壓力，其余的元件如三通接頭、彎頭等按照實際的管路進行設(shè)定。

Flowmaster數(shù)據(jù)庫中沒有直接提供閥塔的仿真模型，由于整個管路系統(tǒng)只考慮流量、壓降之間的關(guān)系，不考慮換熱，因此可以用阻力元件替代閥塔進行建模，需要設(shè)置的參數(shù)包括流體進出閥塔的面積和閥塔的阻力系數(shù)，其中阻力系數(shù)可以根據(jù)式（1）計算[11]：

4 仿真運行及結(jié)果分析

系統(tǒng)模型建立之后，在設(shè)計工況下進行系統(tǒng)仿真運行。假設(shè)水為不可壓縮流體[12]，在Flowmaster中選擇Simulation type為Incompressible Steady State，然后仿真運行。

4.1 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真運行結(jié)果

分別仿真管道同程布置和異程布置時通過各閥塔的流量，并計算出最大流量和最小流量的偏差，判斷是否滿足設(shè)計要求。仿真結(jié)果如表2，表3所示。

表2 管道異程布置時各閥塔的流量

根據(jù)仿真結(jié)果計算閥塔之間最大流量與最小流量的偏差，管道同程式布置時偏差為2.81%，管道異程式布置時偏差為4.13%。根據(jù)國家電網(wǎng)公司給出的相關(guān)技術(shù)規(guī)范，要求誤差不大于3%，同程式布置滿足設(shè)計要求。

表3 管道同程布置時各閥塔的流量

4.2 根據(jù)工程實際進行的設(shè)計優(yōu)化

根據(jù)初步校核，管道同程式布置滿足設(shè)計要求，但是同程式布置在工程現(xiàn)場需要繞管，因受制于現(xiàn)場土建條件以及與其他配件等因素，無法采用同程式管道布置方式，只能采用異程式管道布置方式。因此需對異程式管路進行流量配平，采用增加孔板的方式用來平衡各支管的流量，孔板內(nèi)徑小于管道內(nèi)徑，通過調(diào)節(jié)孔板改變管道有效內(nèi)徑，控制管道流量，如圖4所示。

圖4 增加孔板后的支管示意

通過理論計算得出通過支管的流量，設(shè)置孔板的相關(guān)參數(shù)，在Flowmaster中選擇Simulation type為Incompressible Flow Balancing，然后仿真運行，直接在運行結(jié)果中查看仿真計算得出的孔板內(nèi)徑，見表4。

表4 管道異程布置時各支管的孔板內(nèi)徑

在工程設(shè)計上不可能分別對每根管路配置1個相應(yīng)內(nèi)徑的孔板，因此取上述孔板內(nèi)徑的平均值作為工程制造中的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，將此平均值再次作為仿真輸入?yún)?shù)，在Flowmaster中選擇Simulation type為Incompressible Steady State，然后仿真運行，用以校核各管路流量是否滿足設(shè)計要求。校核后的結(jié)果見表5。

表5 管道異程布置并增加孔板后各閥塔的流量

根據(jù)仿真結(jié)果進行計算，管道異程式布置并增加孔板后，閥塔之間最大流量與最小流量的偏差為1.05%，達到了設(shè)計要求，說明增加孔板的設(shè)計方案是可行的。

5 結(jié)語

應(yīng)用Flowmaster軟件，在閥廳管路系統(tǒng)初步設(shè)計完成之后，根據(jù)管網(wǎng)系統(tǒng)的有關(guān)資料建立閥廳管路系統(tǒng)模型，并進行仿真運行。通過仿真結(jié)果可以預(yù)測閥廳管路系統(tǒng)的運行狀況，研究分析各節(jié)點相關(guān)參數(shù)如流速、壓力及流量分布狀況，判斷閥廳管路系統(tǒng)初步設(shè)計可能存在的缺陷如管路流量不平衡等，并根據(jù)實際工程狀況進行下一步的優(yōu)化設(shè)計。在條件允許的情況下盡量采用管道同程式布置方式，因客觀條件必須采用管道異程式布置方式時，可以通過加裝孔板改變管道有效內(nèi)徑的方式控制管道流量，調(diào)節(jié)流量平衡，以達到設(shè)計要求。

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