王 愛

(北京中清智輝能源科技有限公司，北京 100120)

0 引 言

隨著FACTS技術(shù)和直流輸電技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛，純水冷卻技術(shù)做為目前大功率電力電子裝置最為有效的散熱方式之一，其高效的冷卻效率、體積小、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)在國際上也得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]?？諝饫鋮s器是利用空氣作為冷卻介質(zhì)實(shí)現(xiàn)熱量交換，從而達(dá)到降低水溫的目的?？諝饫鋮s器以節(jié)約水源、無污染和維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，是純水冷卻系統(tǒng)散熱終端的首選，已廣泛應(yīng)用在平原地區(qū)電力電子裝置冷卻系統(tǒng)中，其性能設(shè)計(jì)成了保證電力電子裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。隨著我國高海拔地區(qū)輸配電項(xiàng)目的實(shí)施，高海拔地區(qū)大氣壓力、密度、濕度大大降低，而空氣冷卻器的散熱性能和這些因素密切相關(guān)，亟需開展高海拔地區(qū)空氣冷卻器的設(shè)計(jì)應(yīng)用研究。筆者以西藏曲哥220 kV變電站靜止無功補(bǔ)償裝置晶閘管閥純水冷卻系統(tǒng)的空氣冷卻器為例，介紹了空氣冷卻器在高原地區(qū)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為純水冷卻系統(tǒng)在其他高海拔地區(qū)的工程應(yīng)用提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 純水冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)介

純水冷卻系統(tǒng)主要由水機(jī)本體、被冷卻電力電子裝置、熱交換器用匹配的管路系統(tǒng)連接而成，如圖1所示。

圖1 純水冷卻系統(tǒng)1.電力電子裝置 2.水機(jī)本體 3.冷卻管路 4.空氣冷卻器

水機(jī)本體的主要功能：①為整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的流量和壓力；②對(duì)冷卻介質(zhì)不斷的純化和過濾[2]；③對(duì)冷卻介質(zhì)的流量、電導(dǎo)率、溫度、壓力等參數(shù)的測(cè)量。熱交換器負(fù)責(zé)對(duì)從電力電子裝置流出的高溫冷卻水進(jìn)行降溫，主要有空氣冷卻器、板式換熱器、冷卻塔等。

2 空氣冷卻器的設(shè)計(jì)目標(biāo)及參數(shù)確定

2.1 環(huán)境參數(shù)篩選

依據(jù)項(xiàng)目技術(shù)協(xié)議書，對(duì)使用環(huán)境條件參數(shù)篩選如表1所列，作為計(jì)算依據(jù)。

表1 環(huán)境參數(shù)

2.2 技術(shù)參數(shù)要求

依據(jù)晶閘管閥對(duì)水冷系統(tǒng)的技術(shù)要求，確定空氣冷卻器設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所列，作為計(jì)算依據(jù)。

表2 技術(shù)參數(shù)

2.3 管內(nèi)乙二醇水溶液的物理參數(shù)

由于環(huán)境最低溫度為-16 ℃，為防止低溫運(yùn)行水路凍結(jié)，管內(nèi)介質(zhì)需添加30%乙二醇，查取相關(guān)資料，取50 ℃時(shí)30%乙二醇水溶液性質(zhì)如表3所列。

表3 乙二醇水溶液物性參數(shù)

2.4 管外空氣的物理參數(shù)

由于空氣冷卻器應(yīng)用在海拔高度3 700 m的西藏地區(qū)，取40 ℃時(shí)的空氣物性參數(shù)如表4所列。

表4 空氣物性參數(shù)

3 空氣冷卻器設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 空氣冷卻器結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

翅片管采用抗腐蝕型雙金屬軋片管，基管為不銹鋼304，翅片為純鋁，每米翅片管的翅片數(shù)為433片，結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示。翅片管排列采用正三角叉形排列，管距為50 mm，每排30根，共4排，前、后集水箱的設(shè)計(jì)使每20根翅片管先并聯(lián)后串聯(lián)，共6個(gè)管程。翅片管最底層設(shè)角鋼支撐，翅片管與翅片管之間設(shè)鋁波紋片支撐，集水箱上設(shè)計(jì)有排水閥和排氣閥。

冷卻器采用臥式水平結(jié)構(gòu)，整體外表面采用熱鍍鋅處理。設(shè)翅片管的翅片效率為0.9，經(jīng)計(jì)算翅片管的外表面積為1.1 m2/m，則有效面積為1.0 m2/m。

圖2 翅片管結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.2 空氣冷卻器管束參數(shù)計(jì)算[3-4]

(1)管內(nèi)換熱系數(shù)的計(jì)算：

(1)

式中：d為基管內(nèi)徑，m；u為管內(nèi)乙二醇水溶液平均流速，m/s；v為乙二醇水溶液在50 ℃的運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s。

經(jīng)計(jì)算Re=19 883

努謝爾特?cái)?shù)Nu=0.023Re0.8Pr1/3

(2)

經(jīng)計(jì)算Nu=119

(3)

式中：λ為乙二醇水溶液在50 ℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù),W/mK。

經(jīng)計(jì)算hi=3 570 W/m2k

(2)管外換熱系數(shù)的計(jì)算：

(4)

式中：λa為空氣在40 ℃的導(dǎo)熱系數(shù)，W/mK；Gmax為最窄截面空氣質(zhì)量流速，kg/m2s；dr,l,s為翅根直徑，翅片高度，翅片凈間距，m；μa為動(dòng)力粘度，Pa·s。

當(dāng)風(fēng)速取4 m/s時(shí)，Gmax=6.81 kg/m2s。

經(jīng)計(jì)算hf=57 W/m2K。

(3)污垢熱阻 水側(cè)污垢熱阻ri和空氣側(cè)污垢熱阻rn均取經(jīng)驗(yàn)值0.000 172 m2k/W。

(4)間隙熱阻rj由于管內(nèi)乙二醇水溶液溫度<100 ℃，間隙熱阻忽略不計(jì)。

(5)基管管壁熱阻rw基管304管壁熱阻取rw=0.000 071 m2k/W。

(6)翅根管壁熱阻rg對(duì)于雙金屬軋片管這部分壁厚很薄，熱阻計(jì)算中忽略不計(jì)。

(7)翅片熱阻rf低翅片管翅片熱阻取經(jīng)驗(yàn)值為rf=0.000 154 8 m2k/W。

(8)以翅片管外表面積為基準(zhǔn)，翅片管總傳熱系數(shù)的計(jì)算：

(5)

式中：Ai為基管單位長度上的內(nèi)表面積，m2；AΣ為基管單位長度上的翅片外表面積，m2；經(jīng)計(jì)算k=36.6 W/m2k。

(9)傳熱平均溫差 估算空氣出口溫度：

(6)

式中：t1為空氣進(jìn)口溫度，取30 ℃；T1為水側(cè)進(jìn)口溫度，℃；T2為水側(cè)出口溫度，取40 ℃；K為以光管外表面積為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)，W/m2k；Ft為溫升校正系數(shù)，查表取0.92。

經(jīng)計(jì)算t2=37 ℃。

求對(duì)數(shù)平均溫差：

(7)

求得對(duì)數(shù)平均溫差為10 ℃。

溫差修正系數(shù)Ft′:

溫度效率P=(t2-t1)/(T1-t1)

(8)

經(jīng)計(jì)算P=0.438。

溫度相關(guān)因素R=(T1-T2)/(t2-t1)

(9)

經(jīng)計(jì)算R=0.86。

查平行交叉流三管程以上的修正系數(shù)Ft′=0.95，則有效平均溫差ΔT=9.5。

(10)空氣冷卻器總的傳熱面積 根據(jù)傳熱基本方程，求得以翅片管外表面積為基準(zhǔn)的總的傳熱面積為288 m2。考慮到高原空氣物理參數(shù)選取和工程經(jīng)驗(yàn)公式有偏差以及系統(tǒng)需要備用一臺(tái)風(fēng)機(jī)的情況下，實(shí)際翅片管總的傳熱面積為480 m2。

3.3 空氣冷卻器風(fēng)機(jī)參數(shù)計(jì)算

(1)空氣冷卻器所需風(fēng)量的計(jì)算：

(10)

式中：Q為空氣冷卻器的換熱量，kW。

經(jīng)計(jì)算VΣ=62 406 m3/h。

(2)空氣側(cè)阻力計(jì)算 空氣側(cè)阻力系數(shù)計(jì)算：

(11)

式中：s1為管束橫向管間距，m；s2為管束斜向管間距，m。

經(jīng)計(jì)算f=1.017

空氣阻力計(jì)算：

(12)

式中：NB為空氣冷卻器的管排數(shù)。

經(jīng)計(jì)算ΔP=115 Pa

(3)風(fēng)筒動(dòng)壓頭計(jì)算：

(13)

式中：V為風(fēng)機(jī)的體積流量，m3/h；D為風(fēng)機(jī)的風(fēng)筒直徑，m。

經(jīng)計(jì)算ΔPD=55 Pa。

(4)風(fēng)機(jī)所需全風(fēng)壓為170 Pa

(5)風(fēng)機(jī)參數(shù)確定:采用戶外變壓器專用低噪音軸流風(fēng)機(jī)，轉(zhuǎn)速960 r/min，風(fēng)機(jī)風(fēng)量不小于21 000 m3/h，風(fēng)壓不小于170 Pa，噪音小于76 dB，防護(hù)等級(jí)IP55，所有結(jié)構(gòu)件采用整體熱鍍鋅處理，緊固件及電動(dòng)機(jī)軸采用不銹鋼材料。風(fēng)機(jī)采用引風(fēng)式布置。

由于電機(jī)在高海拔環(huán)境下散熱性能降低，溫升將會(huì)相應(yīng)提高，直接影響電機(jī)的輸出功率，即電機(jī)的帶載能力下降。電機(jī)絕緣距離及材料性能隨著海拔高度的增加也會(huì)降低。風(fēng)機(jī)在平原地區(qū)時(shí)一般選用2.2 kW電機(jī)，現(xiàn)項(xiàng)目所在地海拔高度為3 700 m，電機(jī)功率按0.75系數(shù)降容選用，項(xiàng)目采用3 kW高原型電機(jī)。

設(shè)計(jì)好的空氣冷卻器外形結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 空氣冷卻器外形結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié) 語

純水冷卻系統(tǒng)做為大功率電力電子裝置的重要組成部分，而空氣冷卻器做為冷卻系統(tǒng)的散熱終端，其設(shè)計(jì)和選型尤其重要。由于高原地區(qū)空氣密度、定壓比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、動(dòng)力粘度等的變化，導(dǎo)致其傳熱系數(shù)和所需的散熱風(fēng)量和平原地區(qū)均有較大差異，這就需要設(shè)計(jì)比平原地區(qū)更大的散熱面積和配備更大風(fēng)量的風(fēng)機(jī)?？諝饫鋮s器經(jīng)各種測(cè)試合格后在西藏電力公司曲哥220 kV變電站、乃瓊220 kV變電站均有應(yīng)用，且已經(jīng)過多年不同季節(jié)的連續(xù)運(yùn)行，純水冷卻系統(tǒng)均未出現(xiàn)因冷卻水溫度過高或其他散熱故障而影響整套無功補(bǔ)償裝置的停運(yùn)，運(yùn)行狀況完全滿足預(yù)期效果。本次空氣冷卻器的散熱設(shè)計(jì)完全符合高原地區(qū)的應(yīng)用要求，可做為其他高原地區(qū)應(yīng)用設(shè)計(jì)的借鑒經(jīng)驗(yàn)。