抽水蓄能機組熱管功率柜研究及應用

陳月營，王德剛，靳曉棟

（國網(wǎng)新源控股有限公司回龍分公司，河南省南陽市 473000）

0 引言

國內(nèi)外勵磁系統(tǒng)主要采用強迫風冷或者自然冷卻的散熱方式，散熱器又可以分為型材散熱器（鋁或者銅）、水冷和熱管散熱器。

目前發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的勵磁功率柜由三相全控可控硅整流橋組成，普遍采用“鋁型材+風冷”散熱方式，由于鋁型材散熱器熱阻大，要想取得良好的冷卻效果需要配置大功率風機，在實際運行過程中暴露出運行設備振動大、噪聲大、容易積灰集油等問題，增大運維工作量；加之抽蓄機組啟停頻繁，風機運行做為勵磁系統(tǒng)運行的前提條件，變向增加了風機的啟停次數(shù)，影響了風機使用壽命，為維持風機的健康水平，需要購買風機備件，增加經(jīng)營性成本；嚴重時曾發(fā)生濾網(wǎng)堵塞或可控硅損壞，從而影響機組啟機成功率。

回龍公司在勵磁系統(tǒng)改造過程中，聯(lián)合國電南瑞科技股份有限公司進行了熱管自冷勵磁功率柜的開發(fā)及應用研究，改造后勵磁功率柜取消風機，實現(xiàn)了良好的經(jīng)濟、社會效益[1-2]。

1 熱管散熱技術(shù)介紹

熱管是一種靠流體在一端蒸發(fā)，在另一端冷凝來傳送熱量的自冷設備。冷凝液通過毛細作用傳遞熱量。本項目熱管介質(zhì)為水，管壁為銅，設計微妙引入重力作用，發(fā)明了“毛細作用+重力”自冷熱管[3]。

熱管散熱器利用熱管的高導熱性能，將熱量傳遞到片型散熱器上，起到增大散熱面積的作用。熱管散熱器的典型結(jié)構(gòu)由管殼、吸液芯和端蓋組成，如圖1所示。

圖1 熱管模型Figure 1 Heat pipe mode

熱管傳遞熱量共分四個過程：

（1）熱源由熱管管壁和吸液芯傳遞至液—汽分界面；

（2）液體在蒸發(fā)段內(nèi)蒸發(fā)，帶走熱量并流到冷凝段冷凝；

（3）熱量在冷凝段傳遞給冷源；

（4）冷凝后的液體通過毛細作用回流到蒸發(fā)段。

熱管作為一種新型散熱材料，由于其高效的散熱性能，利用其制作的熱管散熱器應用在勵磁功率柜上可替代傳統(tǒng)的鋁型材散熱器和風冷散熱模式，采用熱管自冷散熱方式，從而解決了風冷散熱存在的問題。在機組正常運行中勵磁功率柜不需要開啟風機，同時可以大幅減輕對勵磁功率柜的維護工作，也可以增強勵磁功率柜運行的可靠性。

2 熱管功率柜在抽水蓄能機組的仿真研究

2.1 熱管功率柜可控硅及散熱器配置

以采用ABB公司的5STP24H2800可控硅作為勵磁功率柜的功率元件，實現(xiàn)整流橋輸出1600A為例，根據(jù)可控硅參數(shù)手冊要求，可控硅運行結(jié)溫不大于125℃。如圖2所示散熱器熱阻系數(shù)RIT≤（TJ-TA）/PTEN-RthJC-RthCH（TJ為可控硅結(jié)溫，TA為環(huán)境溫度，PTEN為可控硅通態(tài)損壞，RthJC為可控硅結(jié)到殼熱阻系數(shù)，RthCH為可控硅殼到散熱器熱阻系數(shù)）[4]。

圖2 可控硅熱擴散示意圖Figure 2 Schematic diagram of SCR thermal diffusion

由此可知，散熱器的散熱效率很大程度上影響了可控硅整流裝置額定電流的輸出，可控硅散熱器的熱阻決定可控硅的輸出電流能力，同時與流過散熱器表面的風速密切相關(guān)。

2.2 單個可控硅熱管散熱仿真

為了模擬散熱器的散熱效果，將可控硅—散熱器組件放入一個帶有空氣的腔體中。圖3是RDN-1430可控硅—熱管散熱器組件的幾何模型。

在圖3中，可控硅采用雙面散熱，可控硅發(fā)出的熱量先傳至與之連接的兩個散熱器，再由散熱器翅片向空氣散熱將熱量帶至腔體外。為分析散熱器結(jié)構(gòu)尺寸的合理性，對功率柜輸出電流為1600A時，單個可控硅到散熱器的熱傳遞過程用計算流體力學（CFD）軟件進行了仿真[5-6]。

圖3 RDN-1430可控硅-散熱器組件幾何模型Figure 3 RDN-1430 thyristor - geometric model of radiator assembly

在冷卻介質(zhì)為空氣的情況下，散熱器的溫度分布仿真結(jié)果如圖4所示，可控硅結(jié)溫曲線如圖5所示。

圖4 散熱器表面溫度分布圖Figure 4 Surface temperature distribution of radiator

圖5 可控硅結(jié)溫曲線Figure 5 Temperature curve of thyristor junction

從圖4、圖5中可以看出，與可控硅臺面相連之處及其背面的溫度最高，以此為中心溫度向四周呈遞減狀。由圖5可以看出，在功率柜輸出為1600A時，在1300s左右即達到熱穩(wěn)定，可控硅結(jié)溫80.67℃，結(jié)溫升為53.67℃。

2.3 整柜散熱過程仿真

在冷卻介質(zhì)為空氣的情況下，散熱器的溫度分布仿真結(jié)果如圖6所示，可控硅結(jié)溫曲線如圖7所示。

圖6 RDN-1430散熱器組件溫度分布圖Figure 6 RDN-1430 temperature profile of radiator assembly

圖7 可控硅結(jié)溫曲線Figure 7 Temperature curve of thyristor junction

由圖7可以看出，RDN-1430散熱器組件的結(jié)溫在1200s左右逐漸趨穩(wěn)在72.66～78.16℃，結(jié)溫溫升為45.66～51.16℃。

2.4 回龍抽蓄機組熱管功率柜配置情況

回龍電站總裝兩臺60MW的抽蓄機組，機組額定勵磁電流1140A，勵磁功率柜單柜出力1600A。

正常運行2面功率柜額定輸出電流=2×1600=3200A；

1.1倍額定勵磁電流長期運行電流=1.1×1140=1254A；

2倍強勵勵磁電流=2×1140=2480A；

根據(jù)計算按N-1設計原則配置2面熱管功率柜，滿足2倍強勵及1.1倍額定勵磁電流長期運行需求。根據(jù)仿真結(jié)果，并進行樣柜測試，試驗數(shù)據(jù)同樣支持機組2倍強勵及1.1額定勵磁電流長期運行需求。

3 熱管功率柜在回龍機組的應用分析

回龍電站每套勵磁系統(tǒng)配2面熱管自冷功率柜，N-1冗余方式運行，機組滿負荷勵磁電流在1050A左右，設計單柜出力可達1600A，單柜運行可滿足機組滿負荷運行需要。勵磁系統(tǒng)自2018年3月投運至今，經(jīng)受住了連續(xù)高強度運行考驗，均流系數(shù)可達0.97，熱管自冷功率柜取得良好的冷卻效果，雙柜運行最大溫升15K，單柜運行最大溫升22K。取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。

3.1 雙柜運行溫升數(shù)據(jù)

機組滿負荷運行，基溫25℃時的雙柜運行溫升曲線見圖8：

圖8 雙柜運行溫升曲線Figure 8 Operation temperature rise curve of double cabinet

可見，機組滿負荷運行，雙柜運行熱管自冷功率柜最大溫升15K，并且在運行120min后，趨于平衡，溫度不再上升。

3.2 雙柜運行溫升數(shù)據(jù)

機組滿負荷運行，基溫18℃時的單柜運行溫升曲線見圖9：

圖9 單柜運行溫升曲線Figure 9 Operation temperature rise curve of single cabinet

可見，機組滿負荷運行，單柜運行熱管自冷功率柜最大溫升22K，并且在運行120min后，趨于平衡，溫度不再上升。

4 結(jié)束語

試驗室仿真及在回龍電站的示范應用相關(guān)數(shù)據(jù)，都證明了熱管自冷功率柜具有良好的散熱性能，熱管自冷完全可以替代傳統(tǒng)風冷；同時熱管自冷勵磁系統(tǒng)減少了風機及其控制回路，提高了勵磁系統(tǒng)運行可靠性，具有廣闊的推廣應用價值。