某水泥廠主變壓器散熱計算分析及散熱改造探討

吳小勇（福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建　永安　366000）

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某水泥廠主變壓器散熱計算分析及散熱改造探討

吳小勇
（福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建永安366000）

摘要：結(jié)合福建省永安市某水泥廠主變壓器散熱工程實例，介紹了變壓器運(yùn)行時產(chǎn)生總熱量的計算公式，通過對變壓器在自然風(fēng)冷和強(qiáng)制對流風(fēng)冷兩種散熱工況的傳熱分析，指出在高負(fù)載以及高溫環(huán)境下，采用強(qiáng)制對流風(fēng)冷的方式加強(qiáng)變壓器的散熱經(jīng)濟(jì)有效。

關(guān)鍵詞：變壓器，散熱量，自然對流散熱，強(qiáng)制對流散熱

0　引言

福建省永安市某水泥廠油浸式電力變壓器型號為SZ11—16000/35，安裝在變壓器室內(nèi)，冷卻方式為ONAN（自然通風(fēng)冷卻）。變壓器主要通過輻射傳熱和對流傳熱兩種方式進(jìn)行散熱。該主變壓器負(fù)載會隨著水泥廠生產(chǎn)量加大而加大，然而在夏季時變壓器室房間內(nèi)部空氣溫度較高，在該較高的環(huán)境溫度條件下，發(fā)現(xiàn)變壓器散熱不夠，自身溫度會越來越高，將存在非常大的安全隱患。經(jīng)測試，極端環(huán)境下該變壓器散熱計算用到的主要技術(shù)參數(shù)：輻射表面積23 m2，對流傳熱面積190 m2，環(huán)境溫度39℃，平均壁溫70℃，散熱器特征長度l =2 m。

1　變壓器總產(chǎn)熱量

變壓器在運(yùn)行時產(chǎn)生的總熱量等于變壓器的總損耗P：

其中，Pf為變壓器的負(fù)載損耗，kW；P0為變壓器的空載損耗，kW；I為低壓側(cè)電流，A；Ie為低壓側(cè)額定電流，A。

2　變壓器自然對流風(fēng)冷散熱工況傳熱分析

在自然風(fēng)冷工況下，變壓器產(chǎn)生的熱量主要通過兩種途徑散熱，一種是輻射散熱，一種是自然對流散熱。

1）輻射對流散熱量Qr：

其中，ε為表面發(fā)射率；Tw為壁面溫度，K；Tf為環(huán)境溫度，K；Ar為輻射表面積，取油箱外表面積25 m2。

2）自然對流散熱量Qd：

其中，A為對流換熱面積，m2；Tw為壁面平均溫度，K；Tf為環(huán)境溫度，K；h為對流換熱系數(shù)，通過式（4）求解：

其中，λ為空氣的熱導(dǎo)率；l為特征長度，為散熱器高度，m；Nun為努塞爾數(shù)，自然對流時通過式（5）［1］求解：

Nun= C（GrPr）n（5）

其中，Pr為普朗特數(shù)，空氣的普朗特數(shù)約為0.7。

其中，αv為流體的體脹系數(shù)，αv= 1/Tm，K-1；g為重力加速度，m2/s；Δt為變壓器壁面和空氣的溫差，K；v為空氣運(yùn)動粘度系數(shù)，m2/s。

自然對流C，n的取值［1］如表1所示。

表1　自然對流常數(shù)C和n的取值

3）自然對流散熱工況計算。該油浸式電主變壓器型號為SZ11-16000/35，額定容量為16 MVA，冷卻方式為ONAN（內(nèi)部油自然對流冷卻方式），將來自于該油浸式電力變壓器產(chǎn)品合格證明書及現(xiàn)場測試出來的相關(guān)數(shù)值代入相關(guān)公式，計算結(jié)果如表2所示。

表2　自然對流散熱工況計算表

4）自然對流工況分析。通過比較，發(fā)現(xiàn)自然對流工況下變壓器散熱量為27.73 kW，小于變壓器總損耗（總產(chǎn)熱量）44.35 kW，無法滿足散熱要求，變壓器溫度會越來越高，勢必會影響變壓器的正常運(yùn)行，存在較大安全隱患。

3　變壓器強(qiáng)制對流風(fēng)冷散熱工況傳熱分析

1）變壓器強(qiáng)制對流散熱量Qf。

強(qiáng)制對流傳熱湍流時，計算公式與自然對流大體相同，不同的是努塞爾數(shù)［1］：

其中，Re為雷諾數(shù)，

其中，u為平均風(fēng)速，m/s；v為空氣運(yùn)動粘度系數(shù)，m2/s。

2）強(qiáng)制對流散熱工況計算。

通過試算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平均風(fēng)速為5 m/s時，強(qiáng)制對流能夠滿足變壓器散熱的要求，結(jié)果如表3所示。

表3　強(qiáng)制對流散熱工況計算表

3）對強(qiáng)制對流時方式若采用努塞爾數(shù)Nuf= CRen［2］（其中，常數(shù)C和n的取值如表4所示）進(jìn)行試算發(fā)現(xiàn)，在平均風(fēng)速不小于5 m/s時，計算結(jié)果與式（7）有較好的吻合，這樣更加證明了前面計算的正確性。

表4　空氣外掠平板對流換熱常數(shù)C，n

4　結(jié)語

1）變壓器的散熱方式主要有輻射散熱和對流散熱，筆者按照上述條件進(jìn)行計算發(fā)現(xiàn)，輻射散熱方式單位面積的散熱量較為可觀，為0.20 kW/m2，而自然對流方式單位面積的散熱量才為0.12 kW/m2，所以在自然對流工況時，在允許的情況下加大輻射散熱表面積有較好的效果。但是，當(dāng)處于強(qiáng)制對流傳熱湍流狀態(tài)時，采用加大平均風(fēng)速效果更好。

2）采用自然風(fēng)冷的變壓器在自然散熱滿足不了要求時，進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷改造是比較經(jīng)濟(jì)及有效的一種方式，只須選取合適的風(fēng)機(jī)即可。

參考文獻(xiàn)：

［1］楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)［M］.第4版.北京：高等教育出版社，2006.

［2］王補(bǔ)宣.動力工程師手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

The main power transformer’s calculation analysis of heat dissipation for cement plant and heat dissipation transformation’s study

Wu Xiaoyong
（Fujian College of Water Conservancy and Electric Power，Yong’an 366000，China）

Abstract：Combining with the major transformer heat dissipation engineering example of the cement plant in Yong’an city of Fujian province，the paper introduces total thermal computation formula of the transformer in operation.Through analyzing the heat transfer of the transformer under natural convection heat dissipation and forced convection heat dissipation，it points out that：strengthening the transformer heat dissipation will be economic and effective by applying forced convection method.

Key words：transformer，heat dissipation amount，natural convection heat dissipation，forced convection heat dissipation

中圖分類號：TU852

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）06-0112-02

收稿日期：2015-12-14

作者簡介：吳小勇（1985-），男，碩士，助教