基于Fluent的懸吊式換流閥本體配水仿真研究

于海波，劉 彬，張曉波，解鵬程，張偉為

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

直流換流站相對于常規(guī)交流變電站明顯的區(qū)別在于直流換流站的輔助系統(tǒng)較多，包括換流閥水冷系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和消防系統(tǒng)等，輔助系統(tǒng)的長期正常運(yùn)行對確保直流換流站中主要設(shè)備的安全運(yùn)行至關(guān)重要。其中換流閥水冷系統(tǒng)雖然是輔助系統(tǒng)，但對直流系統(tǒng)的影響非常大，能直接給出閉鎖指令[1]。在直流輸電系統(tǒng)強(qiáng)迫停運(yùn)的故障中，因換流閥水冷系統(tǒng)引起的故障占有很大的比例。因此，分析、研究換流閥水冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提出實(shí)際的解決方法，對保障高壓直流系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著非常重要的作用。

外冷卻系統(tǒng)是一個(gè)開放系統(tǒng)，較好控制，對于其冷卻塔的冷卻能力的相關(guān)理論計(jì)算方法已很成熟，然而內(nèi)冷卻系統(tǒng)中對于晶閘管的水冷卻技術(shù)的仿真相對較少。LIPS[2]于1994年提出了將水冷技術(shù)運(yùn)用到特高壓換流閥上的思路；YOU等[3]詳細(xì)介紹了±800kV直流換流站的水冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。姜靖雯等[4]提出了晶閘管冷卻系統(tǒng)內(nèi)冷水系統(tǒng)水處理的設(shè)計(jì)要求；王濤等[5]利用Fluent軟件對單個(gè)晶閘管冷卻模型進(jìn)行了仿真研究，得出了不同功率下的冷卻能力。熊輝等[6]仿真分析了散熱器臺(tái)面的溫度分布、流場與流動(dòng)阻力、功率和流量變化時(shí)對熱阻和流阻的影響。丁杰等[7]開發(fā)了一種阿基米德螺旋流道結(jié)構(gòu)的晶閘管水冷散熱器，并通過仿真測試驗(yàn)證了該散熱器的效果；王金雄[8]以天廣工程實(shí)際項(xiàng)目為背景，研究了冷卻水進(jìn)水溫度和流速對晶閘管冷卻溫度的影響。在對水路管道的設(shè)計(jì)方面，張雷等[9]對水冷系統(tǒng)管路建立了模型，通過理論分析，提出了改進(jìn)方法。焦秀英等[10]以具體工程為背景提出了具體水路結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施。但以上研究對水路模型都做了比較大的簡化，而簡化過多會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性的改變，或者沒有將詳細(xì)水路模型與散熱器模型結(jié)合。

本文以南京南瑞繼保電氣有限公司研制的某型號(hào)懸吊式換流閥塔為例，應(yīng)用Fluent對其水冷系統(tǒng)的靜壓分布、發(fā)熱元件的散熱情況以及整體配水進(jìn)行了詳細(xì)研究，使得技術(shù)人員能更直觀、量化地了解懸吊式換流閥水冷系統(tǒng)的物理特性，對設(shè)計(jì)一種合理高效、能長期運(yùn)行的水冷系統(tǒng)具有非常重要的意義。

1 懸吊式換流閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)

在不同的換流閥中，內(nèi)冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是各不相同的。在本文中，特高壓換流閥為戶內(nèi)懸吊式四重閥塔式，上下總共4層。每個(gè)閥由2個(gè)可控硅模件組成，每個(gè)可控硅模件由2個(gè)閥段組成，每個(gè)閥段由9個(gè)晶閘管分別與RC回路并聯(lián)，再與2個(gè)電抗器串聯(lián)組成。

因?yàn)殚y組至水機(jī)、水機(jī)至外熱交換器的管路阻力損失較小，所以本文提到的閥組本體管路是指主水管路以及散熱器與電抗器的進(jìn)出配水管路。

為了降低水阻，滿足流量要求，各級(jí)需要冷卻的元件水路均并聯(lián)，閥段對外設(shè)有1個(gè)進(jìn)水管和1個(gè)出水管，各管件及其工況見表1。

表1 各管件工況

模型中主要的發(fā)熱元器件包括晶閘管、阻尼電阻、取能電阻及均壓電阻，它們的發(fā)熱功率見表2。

表2 元器件發(fā)熱功率

2 內(nèi)冷卻系統(tǒng)中部件有限元模型

在內(nèi)冷卻系統(tǒng)中，主管路的材料為316L不銹鋼，配水管和水接頭主要采用PVDF管[11]，內(nèi)徑為12.2mm，冷媒為純水。

沿程阻力損失計(jì)算公式為

(1)

式中：Δhf為沿程阻力損失，m；λ為摩擦系數(shù)；v為介質(zhì)流速，m/s；g為重力加速度，g=9.81m/s2；L為管路長度，m；d為管路內(nèi)徑，m。

其中，摩擦系數(shù)λ取決于雷諾數(shù)Re，Re的計(jì)算公式為

(2)

式中：ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；μ為介質(zhì)的黏度，Pa·s。

一般當(dāng)v<6m/s并且其他條件不變時(shí)，沿程阻力損失Δhf∞v2，故流速v因流量增大而增大，沿程阻力損失也將增大。

本文采用三維計(jì)算分析軟件Fluent對內(nèi)冷卻水流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行模擬計(jì)算[12]。在所有分析中采用速度入口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件，湍流模型采用Realizableκ-ε模型[13]。

熱分析時(shí)，熱源采用面熱源(W/m2)的方式加入。除去熱源壁面外，假定其他壁面絕熱。由于沒有考慮散熱器與周圍空氣之間的傳熱，計(jì)算所得溫度要高于試驗(yàn)測得值。

為了滿足所需要的計(jì)算精度，仿真需要遵循以下幾點(diǎn)：

1)合理簡化幾何模型，主要是處理對計(jì)算結(jié)果影響不大但對網(wǎng)格劃分影響較大的細(xì)小特征。

2)網(wǎng)格劃分原則上采用六面體網(wǎng)格。如幾何形狀相對復(fù)雜，無法劃分全部六面體網(wǎng)格時(shí)，采用四面體+邊界層網(wǎng)格。此外還可以采用四面體+六面體+邊界層混合網(wǎng)格，如整體配水。另外需要進(jìn)行網(wǎng)格數(shù)量無關(guān)性的檢查來保證計(jì)算結(jié)果的精度。

3)合理選擇計(jì)算模型。選擇的計(jì)算模型原則上要能捕捉到仿真的現(xiàn)象，因?yàn)槿魏斡?jì)算模型(如湍流模型)的選擇都可能得到收斂的結(jié)果，但收斂的結(jié)果不一定是準(zhǔn)確的結(jié)果。因此，前期需要對選擇的計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證。

4)當(dāng)計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定時(shí)，關(guān)于收斂結(jié)果的判定，一定要遵循流量、動(dòng)量及熱守恒。

3 仿真計(jì)算結(jié)果

3.1 換流閥部件阻力分析

換流閥部件較多，這里主要選取兩種較為典型的管道為例進(jìn)行說明。管件主要分為兩種：一種為圓滑過渡的管道，如閥層進(jìn)水管；一種帶有明顯折彎特征的管道，如電抗器進(jìn)水管。

圖1為閥層進(jìn)水管計(jì)算模型示意圖，箭頭表示管內(nèi)水流方向。圖中重力加速度垂直向下。圖2 為管內(nèi)阻力隨流量的變化關(guān)系，流量范圍為120L/min～625L/min，可以看出阻力隨流量增大而增大。圖3所示為625L/min流量時(shí)閥層進(jìn)水管表面靜壓分布情況。如果不考慮靜水壓力的影響，沿流動(dòng)方向，由于流動(dòng)阻力存在，表面靜壓應(yīng)逐漸減小。本文考慮靜水壓力的影響，沿重力方向表面靜壓呈上升趨勢。

圖1 閥層進(jìn)水管

圖2 阻力隨流量變化關(guān)系

圖3 625L/min時(shí)閥層進(jìn)水管表面靜壓分布

圖4 為電抗器進(jìn)水管1的計(jì)算模型示意圖，箭頭表示管內(nèi)水流方向，重力加速度方向向下。圖5 為進(jìn)水管內(nèi)阻力隨流量的變化關(guān)系，流量范圍為30L/min～80L/min，可以看出阻力隨流量增大而增大。圖6所示為80L/min流量時(shí)，進(jìn)水管表面靜壓分布情況。由于流動(dòng)阻力的存在，除了在拐彎處，靜壓整體呈下降趨勢。在拐彎處，由于部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力勢能，靜壓增大。

圖4 電抗器進(jìn)水管1

圖5 阻力隨流量變化關(guān)系

圖6 80L/min時(shí)電抗器進(jìn)水管1表面靜壓分布

3.2 散熱器流阻與溫度分析

在閥段中散熱器包括三孔邊散熱器和六孔中間散熱器，這里以三孔散熱器為例，介紹其仿真結(jié)果。圖7為三孔邊散熱器計(jì)算模型示意圖，箭頭表示冷卻水流動(dòng)方向，進(jìn)口水溫為53℃。

圖7 三孔邊散熱器模型

圖8所示為長期運(yùn)行工況下散熱器內(nèi)最高溫度及冷卻水出口溫度隨流量的變化關(guān)系，流量范圍為25L/min～80L/min。從圖中可以看出，隨著冷卻水流量增大，散熱器內(nèi)最高溫度和冷卻水出口溫度呈下降趨勢。圖9所示為冷卻水流道阻力隨流量的變化關(guān)系，可以看出流阻隨流量增大呈上升趨勢。

圖8 散熱器內(nèi)最高溫度及冷卻水 出口溫度隨流量變化關(guān)系

圖10所示為80L/min流量時(shí)，冷卻水道外表面溫度分布情況。由于晶閘管熱源為圓形，冷卻水道溫度分布近似呈圓形分布，中心溫度高，兩側(cè)溫度低。圖11所示為80L/min流量時(shí)，散熱器外表面溫度場分布情況，最高溫度出現(xiàn)在晶閘管處，上下兩側(cè)由于離冷卻水道較近，換熱較多，溫度比其他地方低。

圖9 散熱器流阻隨流量變化關(guān)系

圖10 80L/min時(shí)水路壁面溫度分布

圖11 80L/min時(shí)散熱器外壁面溫度分布

圖12所示為散熱器組Ⅰ的計(jì)算模型，各個(gè)散熱器編號(hào)如圖所示。圖中箭頭表示冷卻水流動(dòng)方向。圖中重力加速度方向垂直向下，進(jìn)口水溫為43℃。

圖13所示為冷卻水出口溫度隨流量的變化情況。隨著流量的增大，出口水溫呈下降趨勢；冷卻水道流阻隨流量增大呈上升趨勢，如圖14所示。

圖15～17給出了不同冷卻水流量下散熱器內(nèi)的最高溫度。可以看出，沿冷卻水流動(dòng)方向，散熱器內(nèi)(除最左側(cè)散熱器外)的最高溫度呈上升趨勢。各散熱器的最高溫度隨冷卻水流量增大呈下降趨勢。

圖12 散熱器組Ⅰ模型

圖13 散熱器出口水溫隨流量變化關(guān)系

圖14 散熱器流阻隨流量變化關(guān)系

圖15 63.5L/min時(shí)散熱器單元最高溫度

圖16 71L/min時(shí)散熱器單元最高溫度

在加強(qiáng)散熱方面，主要采取以下措施：

1)在不改變結(jié)構(gòu)的情況下，增大水流量，可以強(qiáng)化換熱，但要注意流量增大時(shí)，流阻也會(huì)相應(yīng)增大，需要平衡兩者之間的關(guān)系。

圖17 78L/min時(shí)散熱器單元最高溫度

2)增加散熱器內(nèi)冷卻水道的表面積(如冷卻水道的直徑)，可增強(qiáng)換熱效果。

3)增加冷卻水在散熱器內(nèi)的停留時(shí)間，可以增強(qiáng)換熱效果。該方法可以通過延長冷卻水在散熱器內(nèi)的流動(dòng)距離來實(shí)現(xiàn)。

4)除了通過冷卻水散熱外，還可以通過在散熱器外表面增加翅片來進(jìn)行散熱，即通過翅片與空氣的自然對流將一部分熱量帶走。

3.3 整體配水分析

換流閥本體的水冷管路由換流閥頂端向下分左右兩路主管路布置，再由底部向上返回至頂部。在進(jìn)出水主管路之間并聯(lián)著流經(jīng)晶閘管、阻尼電阻及閥電抗器的進(jìn)出水管。圖18為整體配水計(jì)算模型圖，包括主進(jìn)出水管。圖中標(biāo)號(hào)為各個(gè)流道支路。

圖18 整體配水模型

圖19所示為計(jì)算穩(wěn)定時(shí)各支路流量的分配情況。支路流量最高為72.8L/min，最低為68.1L/min。同一閥層內(nèi)，兩支路流量差最大值小于4.0L/min。

圖19 各支路流量分配(總流量1 126L/min)

圖20為配水管壁靜壓分布圖。考慮到靜水壓力的影響，沿流動(dòng)方向向下時(shí)，主水管壁靜壓沿流動(dòng)方向增大；沿流動(dòng)方向向上時(shí)，主水管壁靜壓沿流動(dòng)方向減小。

圖20 管路壁面壓力分布

4 結(jié)束語

本文結(jié)合換流閥本體管路模型和散熱器模型，建立了一個(gè)完整的懸吊式換流閥本體水冷系統(tǒng)模型，通過對該模型的流阻與溫度分布進(jìn)行分析，得到了該系統(tǒng)的整體配水仿真結(jié)果。但是，該模型除去熱源壁面外，假定其他壁面絕熱，并沒有考慮散熱器與周圍空氣之間的傳熱，計(jì)算所得溫度要高于試驗(yàn)測得值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊振宇，俞澄一. 超高壓直流輸電換流站閥冷卻系統(tǒng)的故障分析[J]. 華東電力，2010，38(3)：369-372.

[2] LIPS H P. Water cooling of HVDC thyristor valves[J]. IEEE Transactions on Power Delivery，2002，9(4)：1830-1837.

[3] YOU S H,TAN Q,WANG M,et al. Cooling system circuit analysis of p800kV DC power transmission converter valve[C]//4th International Conference on Computer,Mechatronics,Control and Electronic Engineering. Paris:Altantis Press,2015:1131-1134.

[4] 姜靖雯，徐中亞. 淺談晶閘管閥冷卻水系統(tǒng)水處理[J]. 廣東輸電與變電技術(shù)，2010，12(1)：39-40.

[5] 王濤，袁天奇，肖江文. 基于Fluent的晶閘管水冷卻技術(shù)仿真研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué)，2011.

[6] 熊輝，邵云，顏驥，等. 基于Fluent的6英寸晶閘管水冷散熱器設(shè)計(jì)及優(yōu)化[J].大功率變流技術(shù)，2013(4)：22-27.

[7] 丁杰，張平. 晶閘管水冷散熱器的熱仿真與實(shí)驗(yàn)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2016 (7)：177-180.

[8] 王金雄. 高壓直流輸電換流站晶閘管閥水冷卻技術(shù)仿真研究[J]. 陜西電力，2014，42(5)：27-30.

[9] 張雷，常忠，王珊丹，等. 大容量高壓SVC裝置用晶閘管閥水冷管路優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 電氣應(yīng)用，2014，33(11)：70-73.

[10] 焦秀英，劉寧. 向家壩—上海特高壓直流輸電換流閥塔水路的分析[J]. 高壓電器，2012，48(1):13-16.

[11] 耿曼，冷明全，胡賢. PVDF在換流閥冷卻管路中的應(yīng)用[J]. 浙江化工，2016，47(7)：31-33.

[12] 王洋，何文俊. 基于Fluent的無過載離心泵改型設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40(9)：85-88.

[13] 朱紅鈞，林元華，謝龍漢.流體分析及仿真實(shí)用教程[M]. 北京：人民郵電出版社，2005.