海上風(fēng)電換流站戶(hù)內(nèi)直流場(chǎng)氣流組織優(yōu)化研究

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(jì)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(chǎng)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(yùn)行中散發(fā)大量的熱量。海上換流站直流場(chǎng)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(yùn)行和避免電抗器因過(guò)熱出現(xiàn)燒毀后果的保障[3-5]，其氣流組織形式對(duì)電抗器的冷卻效果影響很大。已有公開(kāi)資料報(bào)告了一些戶(hù)內(nèi)直流場(chǎng)氣流組織的研究工作[6-8]，但未見(jiàn)將氣流組織方案與電抗器的冷卻效果進(jìn)行關(guān)聯(lián)和比較的研究。

本文以我國(guó)東部某海上換流站戶(hù)內(nèi)直流場(chǎng)為對(duì)象，使用Airpak 軟件對(duì)上送下回，下送上回及目標(biāo)送風(fēng)三種氣流組織進(jìn)行模擬，分析空間流場(chǎng)與溫度場(chǎng)特性，以電抗器發(fā)熱表面平均溫度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，比較氣流組織形式對(duì)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(duì)象（某海上換流站戶(hù)內(nèi)直流場(chǎng)）的簡(jiǎn)化示意如圖1 所示，直流場(chǎng)空間的長(zhǎng)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(gè)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(gè)電抗器單元含有包封的14 組線(xiàn)圈繞組（參見(jiàn)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(hù)內(nèi)直流場(chǎng)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(biāo)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(duì)象的設(shè)計(jì)（參見(jiàn)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(biāo)下送上回方式是本文作者提出的一種構(gòu)想，三個(gè)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(duì)簡(jiǎn)化的物理模型進(jìn)行空間離散及網(wǎng)格劃分，對(duì)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(wàn)、402 萬(wàn)、570 萬(wàn)，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(jì)算網(wǎng)格示意圖

2.2 流體流動(dòng)及傳熱計(jì)算模型說(shuō)明

空氣視為不可壓、常物性，流場(chǎng)為穩(wěn)態(tài)，滿(mǎn)足Boussinesq 近似假設(shè)，啟用動(dòng)量方程中的體積力項(xiàng)，重力加速度取值為9.81 m/s2。鑒于電抗器內(nèi)部及直流場(chǎng)空間存在自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)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(chǎng)空間無(wú)外窗，對(duì)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)

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。回風(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(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)Flow 殘差達(dá)到10-4，Energy 殘差達(dá)到10-6，則認(rèn)為計(jì)算結(jié)果收斂，停止計(jì)算。

3 模擬結(jié)果與分析

利用Airpak 對(duì)前述三種氣流組織方式的分別進(jìn)行模擬計(jì)算，得到不同的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)數(shù)值結(jié)果。本節(jié)選取具有代表性的空間截面，對(duì)戶(hù)內(nèi)直流場(chǎng)室內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的特性進(jìn)行分析與討論，對(duì)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(jìn)行比較。

3.1 直流場(chǎng)空間的流場(chǎng)特性

圖5 所示的是送風(fēng)口所在垂直斷面的室內(nèi)流場(chǎng)速度云圖，圖59（a）（c）分別對(duì)應(yīng)上送上回、下送上回、目標(biāo)送風(fēng)氣流組織形式。從速度云圖中可看出，無(wú)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(gè)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(biāo)區(qū)域距離大時(shí)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(gè)不同的機(jī)制，上送下回時(shí)（圖5（a）），送風(fēng)冷射流與周邊的上升熱氣流運(yùn)動(dòng)方向相反，導(dǎo)致冷氣流向下運(yùn)動(dòng)的阻力增加，同時(shí)，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(yùn)動(dòng)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(chǎng)下的體積力消耗了射流的動(dòng)量，從而在混合作用之外，強(qiáng)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(duì)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(chǎng)速度云圖有助于觀察不同氣流組織對(duì)冷卻效果的影響趨勢(shì)。為便于橫向比較，特將圖中的速度標(biāo)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(chǎng)存在著一定的差別，但不十分突出，它們至少有三個(gè)共同特點(diǎn)，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(gè)特點(diǎn)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(biāo)送風(fēng)能大幅提高了設(shè)備表面周邊的氣流速度，對(duì)冷卻換熱非常有利。這種有利的局面有三個(gè)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(jìn)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(duì)更為細(xì)節(jié)性的流場(chǎng)進(jìn)行分析，相關(guān)內(nèi)容將在后期的文章中進(jìn)行介紹。

圖6 橋臂電抗器中心截面速度云圖

3.2 直流場(chǎng)空間的溫度場(chǎng)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(gè)云圖采用了不同的溫度標(biāo)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(chǎng)云圖，可以發(fā)現(xiàn)兩者的三個(gè)有差異的特點(diǎn)。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(chǎng)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(duì)要低，對(duì)改善設(shè)備的冷卻有幫助。圖7（c）清晰地表明，目標(biāo)送風(fēng)方式的送風(fēng)射流溫度衰減相對(duì)更慢、有利于形成下部區(qū)域的冷空氣湖、進(jìn)入設(shè)備區(qū)域的空氣溫度更低。

以設(shè)備為中心的三個(gè)溫度云圖（圖8）更為清晰地顯示了對(duì)應(yīng)的冷卻效果，定性地看，目標(biāo)送風(fēng)方式最優(yōu)，另外兩種方式的差別不清晰。與目標(biāo)送風(fēng)方式接近于強(qiáng)制對(duì)流換熱不同，下送上回與上送下回方案形成流場(chǎng)與溫度場(chǎng)下，設(shè)備的散熱是自然對(duì)流與弱強(qiáng)制對(duì)流共存的混合換熱機(jī)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(shì)被速度劣勢(shì)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(duì)

戶(hù)內(nèi)直流場(chǎng)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行目標(biāo)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(xiàn)圈繞組的表面溫度作為評(píng)價(jià)氣流組織形式優(yōu)劣的量化指標(biāo)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(biāo)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(duì)橋臂電抗器的冷卻效果中，目標(biāo)送風(fēng)方式最佳，上送下回方式最不利，下送上回方式強(qiáng)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(duì)比表

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

4 結(jié)論

利用數(shù)值計(jì)算軟件模擬戶(hù)內(nèi)直流場(chǎng)空調(diào)系統(tǒng)采用三種形式氣流組織的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)，通過(guò)分析流場(chǎng)與溫度場(chǎng)特性，采用發(fā)熱面平均溫度定量比較它們對(duì)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(dòng)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(hù)內(nèi)直流場(chǎng)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(chǎng)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(biāo)送風(fēng)方式的冷卻效果最優(yōu)，下送上回略?xún)?yōu)于上送下回。