龔念群

摘 要：過(guò)熱是一切電氣設(shè)備安全運(yùn)行的主要風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)研究電氣柜體流體力學(xué)條件，在制造前后對(duì)其散熱情況進(jìn)行模擬與評(píng)估，在事故發(fā)生前進(jìn)行判斷，并及時(shí)采取必要措施干預(yù)，從而有效降低過(guò)熱事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：熱模擬;計(jì)算流體力學(xué);電氣柜;散熱

引言：

計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，縮寫通常為CFD）是流體力學(xué)的一個(gè)重要分支，即通過(guò)使用數(shù)值分析與模型算法來(lái)解決和分析設(shè)計(jì)流體流動(dòng)的相關(guān)問(wèn)題，并使用計(jì)算機(jī)來(lái)執(zhí)行模擬流體自由流動(dòng)所需的計(jì)算，以及流體（包括液體與氣體）與邊界條件限定的表面之間的相互作用。計(jì)算流體力學(xué)模擬在極大程度上替代了傳統(tǒng)上耗資巨大的流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備以及復(fù)雜的傳感器組，在科學(xué)研究以及工程技術(shù)中產(chǎn)生了巨大影響。

1 計(jì)算流體力學(xué)（CFD）概述

在以往，工程師優(yōu)化設(shè)計(jì)的唯一途徑就是對(duì)終端產(chǎn)品的原型進(jìn)行實(shí)際的物理測(cè)試，過(guò)程極其繁瑣，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，即使如此，對(duì)產(chǎn)品的物理測(cè)試也具有相當(dāng)?shù)钠嫘浴Ｈ欢夹g(shù)的興起與不斷增長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)計(jì)算性能，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）成為了空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的常用工具，它可以使用軟件分析包含固體相互作用的流體解決方案，并根據(jù)其物理性質(zhì)（例如速度，溫度，壓力，密度與粘度等）檢查流體流動(dòng)。為實(shí)際產(chǎn)生的與流體流動(dòng)有關(guān)的物理現(xiàn)象提供解決方案。

2 電氣柜體流場(chǎng)分析與計(jì)算

2.1 一號(hào)機(jī)組變頻器電氣柜分析

一號(hào)機(jī)組MGGH變頻器柜體在2017年安裝后，經(jīng)常發(fā)出過(guò)熱報(bào)警，僅僅勉強(qiáng)運(yùn)行了3個(gè)月，于11月因過(guò)熱導(dǎo)致停機(jī)，柜內(nèi)散熱器件工作正常。對(duì)一號(hào)機(jī)組MGGH變頻器柜進(jìn)行流場(chǎng)分析如下：

現(xiàn)有柜體為全密封，單側(cè)循環(huán)散熱模式，與柜體頂端，下部分別安裝一臺(tái)100 CFM流量風(fēng)扇，由下側(cè)進(jìn)風(fēng)，上部排風(fēng)，未使用其他散熱方式。柜內(nèi)熱負(fù)荷約3050W，位于柜體中部，向上方排風(fēng)，對(duì)一號(hào)機(jī)組變頻電氣柜進(jìn)行理論運(yùn)算與模型建模，并對(duì)主要流體數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，得到初始模型。

由于制造方未能提供柜體計(jì)算資料，大唐寶雞熱電廠對(duì)變頻柜換熱條件進(jìn)行重新計(jì)算。

該柜體為不銹鋼316L，典型熱傳導(dǎo)16.2W/（m?·k），附近無(wú)強(qiáng)對(duì)流，故空氣為靜止?fàn)顟B(tài)，熱傳遞系數(shù)取16.2 W/（m?·k）. 柜體為2200mmX800mmX600mm，底部進(jìn)線帶支撐腳，故為六面全散熱，總計(jì)為6.56平方米，在35度環(huán)境溫度下溫度差為5k。

代入公式Pv=k·S`Δt=16.2x6.56x5=531.36W

綜上柜體本體極限散熱量為531.36W，遠(yuǎn)小于原件發(fā)熱量3050W，且柜體為滿足防護(hù)等級(jí)需要密封，故需要添加風(fēng)機(jī)組進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)冷卻。且由于安裝問(wèn)題，實(shí)際強(qiáng)換熱面并非柜體全部散熱面積，由于風(fēng)道以及熱空氣上升等原因，實(shí)際靜態(tài)換熱量不足為全柜體換熱量的35%。

強(qiáng)制通風(fēng)冷卻公式為：Pv=1200·V·Δt;將原數(shù)據(jù)代入算得;3100-531=1200*V*10（夏季）;則夏季室溫30攝氏度所需通風(fēng)量V=0.214立方米每秒=456CFM;故柜體內(nèi)外最低換熱量不應(yīng)小于500CFM。

同時(shí)當(dāng)柜體排風(fēng)量小于變頻器換熱模組排風(fēng)量時(shí)，將導(dǎo)致熱風(fēng)無(wú)法及時(shí)排出柜體外，引起熱風(fēng)循環(huán)，熱風(fēng)循環(huán)會(huì)加熱對(duì)換熱模組冷卻入口介質(zhì)，從而惡化換熱引起惡性循環(huán)，導(dǎo)致過(guò)熱事故。

實(shí)際運(yùn)行中柜體進(jìn)、出風(fēng)機(jī)運(yùn)行正常，但由于其流量嚴(yán)重不足，從而導(dǎo)致變頻器運(yùn)行時(shí)，變頻器主風(fēng)機(jī)出力受限。原因?yàn)樽冾l器主風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，柜體下部風(fēng)機(jī)安裝位置過(guò)高，導(dǎo)致一部分空氣未進(jìn)入變頻器主風(fēng)機(jī)下方形成的低壓區(qū)，且由于柜體下部風(fēng)機(jī)流量嚴(yán)重不足，導(dǎo)致變頻器下方形成過(guò)大低壓區(qū)，降低了變頻器主風(fēng)機(jī)效率。又由于變頻器上部風(fēng)機(jī)安裝位置過(guò)低，導(dǎo)致由上部排風(fēng)機(jī)形成的低壓區(qū)未能與頻器主風(fēng)機(jī)形成的高壓區(qū)配合，形成積壓，增大了變頻器主風(fēng)機(jī)出口氣壓，進(jìn)一步降低了變頻器主風(fēng)機(jī)效率。并由于柜體下部風(fēng)機(jī)安裝位置靠上，上部排風(fēng)機(jī)安裝位置靠下，導(dǎo)致在變頻器側(cè)面形成了有效通路，使冷卻空氣由變頻器側(cè)面低阻力區(qū)排出，進(jìn)一步降低了柜體有效空氣交換流量。又由于柜體下部及上部風(fēng)機(jī)流量遠(yuǎn)小于變頻器主風(fēng)機(jī)流量，從而導(dǎo)致變頻器柜體出現(xiàn)內(nèi)循環(huán)，頂部由變頻器主風(fēng)機(jī)吹出的攜帶熱量的熱空氣無(wú)法有效排出，被下方變頻器主風(fēng)機(jī)入口形成的低壓吸引，重新進(jìn)入冷卻循環(huán)，升高了變頻器主風(fēng)機(jī)入口空氣溫度，進(jìn)一步降低了換熱效率。（圖3.1.1）

由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝變頻器柜風(fēng)量?jī)H為100CFM，遠(yuǎn)小于變頻器本體風(fēng)扇所需最小流量，險(xiǎn)些造成氟塑料管熔毀事故。

由CFD溫度模擬曲線可知，改造前柜體由于散熱風(fēng)量不足 ，產(chǎn)生的熱量無(wú)法及時(shí)帶出柜外，熱平衡后最高溫度為73.1度。改造后的CFD模擬顯示，由于優(yōu)化了風(fēng)道與增加總通風(fēng)量至散熱閾值以上，設(shè)備溫度大幅度降低，最高僅28度，溫度理論降低45度之多。（由于變量環(huán)境因素CFD計(jì)算理論上與實(shí)際存在10%左右誤差）

3 總結(jié)

通過(guò)對(duì)電氣柜體實(shí)施采用CFD與數(shù)值風(fēng)洞模型建模計(jì)算，對(duì)其中出現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)提出優(yōu)化技術(shù)改造，不僅降低了維護(hù)和檢修費(fèi)用，還節(jié)省了返工工期以及相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)損失，而且降低了設(shè)備故障率，大大提高了設(shè)備的運(yùn)行可靠性，為機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了堅(jiān)強(qiáng)保障，可以大幅降低設(shè)備故障率，提高設(shè)備運(yùn)行可靠性，使電廠經(jīng)濟(jì)效益和安全性能大大提升。

參考文獻(xiàn)：

[1] 大唐寶雞熱電廠內(nèi)部SIS系統(tǒng)#1、2機(jī)組數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

[2] ABB手冊(cè)

[3] 基于逆向工程與CFD的礦井主扇風(fēng)機(jī)流場(chǎng)分析及仿真研究_楊杰，2009.9

[4] Milne-Thomson， L.M. （1973）. （空氣動(dòng)力學(xué)理論）Theoretical Aerodynamics. Physics of Fluids A. 5. Dover Publications. p. 1023. ISBN 978-0-486-61980-4.

[5] Patankar， Suhas V. （1980）. （流體流動(dòng)與數(shù)值傳熱）Numerical Heat Transfer and Fluid FLow. Hemisphere Publishing Corporation. ISBN 978-0891165224.

（大唐陜西發(fā)電公司寶雞熱電廠，陜西 寶雞 721004）