毛永東 許梓盼 王勁柏 陳鵬 王飛飛 剛文杰

1 中南電力設(shè)計院有限公司

2 華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

1 引言

換流站是風(fēng)電輸變電系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，布置在換流站直流場內(nèi)的橋臂電抗器是換流閥與交流系統(tǒng)之間功率傳輸?shù)募~帶[1-2]，運行中散發(fā)大量的熱量。海上換流站直流場只能設(shè)置在室內(nèi)，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是電抗器正常運行和避免電抗器因過熱出現(xiàn)燒毀后果的保障[3-5]，其氣流組織形式對電抗器的冷卻效果影響很大。已有公開資料報告了一些戶內(nèi)直流場氣流組織的研究工作[6-8]，但未見將氣流組織方案與電抗器的冷卻效果進行關(guān)聯(lián)和比較的研究。

本文以我國東部某海上換流站戶內(nèi)直流場為對象，使用Airpak 軟件對上送下回，下送上回及目標送風(fēng)三種氣流組織進行模擬，分析空間流場與溫度場特性，以電抗器發(fā)熱表面平均溫度為評價指標，比較氣流組織形式對橋臂電抗器的冷卻效果。

2 模型建立

2.1 物理模型與網(wǎng)格劃分

本文的研究參照對象（某海上換流站戶內(nèi)直流場）的簡化示意如圖1 所示，直流場空間的長為39 m、寬為34 m，高為22.5 m，共布置有3 組橋臂電抗器。每組電抗器由同軸疊放的上下兩個單元構(gòu)成，上下單元之間留有0.5 m 的間隙，以支架結(jié)構(gòu)保證設(shè)備的穩(wěn)定及其與地面、頂板、四周墻面的安全距離。每個電抗器單元含有包封的14 組線圈繞組（參見圖2），各繞組之間有通風(fēng)槽，最里層繞組的內(nèi)表面形成空心中筒，流經(jīng)通風(fēng)槽及中筒的空氣帶走從繞組包封表面散發(fā)出的熱量，從而冷卻橋臂電抗器。

圖1 戶內(nèi)直流場空間及主要設(shè)備布置示意圖

圖2 橋臂電抗器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 是本文研究的上送下回，下送上回和目標送風(fēng)（下送上回）三種氣流組織的送回風(fēng)口布置示意圖。上送上回方式的風(fēng)口布置取自參照工程對象的設(shè)計（參見圖4 中的右側(cè)子圖）。下送上回方式的送風(fēng)口布置在地面，與上送下回的送風(fēng)口是映射關(guān)系。目標下送上回方式是本文作者提出的一種構(gòu)想，三個送風(fēng)口分別布置在每組電抗器正下方的地面。表1 給出了這三種氣流組織的主要參數(shù)。

圖3 三種氣流組織形式示意圖

表1 氣流組織主要參數(shù)表

在Airpak 軟件中，對簡化的物理模型進行空間離散及網(wǎng)格劃分，對設(shè)備、風(fēng)口、壁面附近做了加密處理。三種氣流組織模型的網(wǎng)格數(shù)量分別為484 萬、402 萬、570 萬，網(wǎng)格質(zhì)量分別為0.79、0.79、0.75。圖4 是上送下回氣流組織形式下的物理模型與網(wǎng)格劃分示意圖。

圖4 上送下回氣流組織物理模型與計算網(wǎng)格示意圖

2.2 流體流動及傳熱計算模型說明

空氣視為不可壓、常物性，流場為穩(wěn)態(tài)，滿足Boussinesq 近似假設(shè)，啟用動量方程中的體積力項，重力加速度取值為9.81 m/s2。鑒于電抗器內(nèi)部及直流場空間存在自然對流和強迫對流的共同作用，送風(fēng)氣流與周邊空氣的混合卷吸劇烈，選用零方程湍流模型。

直流場空間無外窗，對計算區(qū)域中存在輻射換熱的表面，啟用在模用DO 輻射模型。

2.3 邊界條件設(shè)定與收斂標準

邊界條件：送風(fēng)口均定義為速度入口（velocity-inlet），送風(fēng)溫度和速度的數(shù)值根據(jù)不同工況需要而設(shè)定?；仫L(fēng)口均定義為自由出流。忽略房間地面，屋面及四周墻壁與外界的傳熱，均設(shè)置為絕熱邊界。散熱設(shè)備為室內(nèi)唯一熱源，表面均勻發(fā)熱。三種氣流組織形式下的電抗器總散熱量均為270 kW，空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)量為70000 m3/h，送風(fēng)溫度為15 ℃。

收斂標準：當(dāng)Flow 殘差達到10-4，Energy 殘差達到10-6，則認為計算結(jié)果收斂，停止計算。

3 模擬結(jié)果與分析

利用Airpak 對前述三種氣流組織方式的分別進行模擬計算，得到不同的流場、溫度場數(shù)值結(jié)果。本節(jié)選取具有代表性的空間截面，對戶內(nèi)直流場室內(nèi)流場、溫度場的特性進行分析與討論，對不同氣流組織下橋臂電抗器的冷卻效果則利用電抗器繞組的發(fā)熱表面面積平均溫度進行比較。

3.1 直流場空間的流場特性

圖5 所示的是送風(fēng)口所在垂直斷面的室內(nèi)流場速度云圖，圖59（a）（c）分別對應(yīng)上送上回、下送上回、目標送風(fēng)氣流組織形式。從速度云圖中可看出，無論是從頂部的向下送風(fēng)還是從地面的向上送風(fēng)，送風(fēng)冷氣流的速度均快速衰減。三種情形下，形成射流衰減的一個共同原因是射流與周邊流體的卷吸與混合，當(dāng)送風(fēng)口與目標區(qū)域距離大時尤為明顯。但從上向下與從下向上的送風(fēng)的衰減還有另一個不同的機制，上送下回時（圖5（a）），送風(fēng)冷射流與周邊的上升熱氣流運動方向相反，導(dǎo)致冷氣流向下運動的阻力增加，同時，其卷吸混合的熱氣流使得射流平均溫度升高，冷氣流向下的重力下沉作用減弱。而圖5（b）及（c）所示的向上冷射流，雖然周邊不存在向下運動的氣流，但由于射流主體的溫度低于周邊空氣的溫度，重力場下的體積力消耗了射流的動量，從而在混合作用之外，強化了冷射流的衰減。

圖5 送風(fēng)口截面速度云圖

設(shè)備表面附近的氣流速度決定著氣流與發(fā)熱表面之間的對流換熱系數(shù)的大小，圖6 所示的電抗器中心垂直斷面的流場速度云圖有助于觀察不同氣流組織對冷卻效果的影響趨勢。為便于橫向比較，特將圖中的速度標尺上限作了下調(diào)。比較圖6（a）與（b）可以發(fā)現(xiàn)，上送下回與下送上回形成的流場存在著一定的差別，但不十分突出，它們至少有三個共同特點，一是風(fēng)口與設(shè)備存在水平距離。二是送風(fēng)速度不大。三是，前兩個特點加上射流衰減使得電抗器表面附近的氣流速度低。與之相比，圖6（c）所示的目標送風(fēng)能大幅提高了設(shè)備表面周邊的氣流速度，對冷卻換熱非常有利。這種有利的局面有三個成因，首先是送風(fēng)口布置在電抗器的正下方，其次是啟用了更高的送風(fēng)速度，再次是送風(fēng)口面積大送風(fēng)射流斷面大，從而使得送風(fēng)射流進入設(shè)備區(qū)域的速度保持在較高的水平。此外，作者也注意到電抗器繞組間通風(fēng)槽內(nèi)的氣流也受到一定的正面影響，限于篇幅，不在此對更為細節(jié)性的流場進行分析，相關(guān)內(nèi)容將在后期的文章中進行介紹。

圖6 橋臂電抗器中心截面速度云圖

3.2 直流場空間的溫度場特性

圖7 和圖8 分別是三種氣流組織形式下送風(fēng)口所在截面和設(shè)備中心截面的溫度云圖，為方便分析，兩個云圖采用了不同的溫度標尺上限值。

圖7 送風(fēng)口截面溫度云圖

比較圖7（a）的從上向下與圖7（b）的從下向上送風(fēng)所形成的溫度場云圖，可以發(fā)現(xiàn)兩者的三個有差異的特點。一是前者的送風(fēng)射流溫度衰減更快。二是后者出現(xiàn)了明顯的溫度分層，在直流場的下部區(qū)域形成了溫度較低的“冷空氣湖”。三是后者的電抗器所在空間區(qū)域的空氣溫度相對要低，對改善設(shè)備的冷卻有幫助。圖7（c）清晰地表明，目標送風(fēng)方式的送風(fēng)射流溫度衰減相對更慢、有利于形成下部區(qū)域的冷空氣湖、進入設(shè)備區(qū)域的空氣溫度更低。

以設(shè)備為中心的三個溫度云圖（圖8）更為清晰地顯示了對應(yīng)的冷卻效果，定性地看，目標送風(fēng)方式最優(yōu)，另外兩種方式的差別不清晰。與目標送風(fēng)方式接近于強制對流換熱不同，下送上回與上送下回方案形成流場與溫度場下，設(shè)備的散熱是自然對流與弱強制對流共存的混合換熱機制。雖然此處的溫度云圖顯示下送上回方式改善了換熱溫度差，但回顧比較前邊圖6（a）、（b）中的設(shè)備表面附近的速度云圖，發(fā)現(xiàn)其溫度差優(yōu)勢被速度劣勢抵消了不少。

圖8 橋臂電抗器中心截面（X=19.8 m）溫度云圖

3.3 冷卻效果量化比對

戶內(nèi)直流場通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運行目標是冷卻內(nèi)部發(fā)熱的橋臂電抗器，以確保其溫度不高于設(shè)備制造方給出的容許閾值，很顯然，將電抗器線圈繞組的表面溫度作為評價氣流組織形式優(yōu)劣的量化指標是合適的。

表2 列出了Airpak 軟件算出的三種氣流組織形式下電抗器發(fā)熱繞組表面的面積平均溫度值。其中，上送下回氣流組織形式下電抗器發(fā)熱繞組表面的平均溫度最高，為62.4 ℃。下送上回氣流組織形式下的平均溫度為60.8 ℃，比前者低1.6 ℃。目標送風(fēng)（下送上回）氣流組織形式下的平均溫度為52.2 ℃，比前兩者分別下降了10.2 ℃和8.6 ℃。這表明，三種氣流組織對橋臂電抗器的冷卻效果中，目標送風(fēng)方式最佳，上送下回方式最不利，下送上回方式強于上送下回，但差別不大。

表2 橋臂電抗器散熱表面平均溫度對比表

對于目標下送上回的氣流組織形式而言，存在不少值得進一步研究的內(nèi)容，例如送風(fēng)速度、送風(fēng)量、有利于強化電抗器冷卻的輔助構(gòu)建等。相關(guān)工作目前正在進行中，作者將在之后的論文中給予報告。

4 結(jié)論

利用數(shù)值計算軟件模擬戶內(nèi)直流場空調(diào)系統(tǒng)采用三種形式氣流組織的流場與溫度場，通過分析流場與溫度場特性，采用發(fā)熱面平均溫度定量比較它們對電抗器的冷卻效果，得到以下主要結(jié)論。

1）橋臂電抗器的冷卻效果取決于其所在區(qū)域，尤其是發(fā)熱表面附近的空氣流動速度與空氣溫度，速度越高、溫度越低越有利于設(shè)備的散熱。

2）高大空間的戶內(nèi)直流場內(nèi)，送風(fēng)射流的速度與溫度均存在明顯的衰減，從上向下的送風(fēng)比從下向上的送風(fēng)衰減更快。在直流場空間的下部區(qū)域形成冷空氣湖有利于電抗器的冷卻。

3）相同的送風(fēng)量與送風(fēng)溫度下，目標送風(fēng)方式的冷卻效果最優(yōu)，下送上回略優(yōu)于上送下回。