換流閥水冷系統(tǒng)三通調(diào)節(jié)閥流動特性分析

孔德卿 嚴(yán)鵬航 俞葆青 任?，?/p>

換流閥水冷系統(tǒng)三通調(diào)節(jié)閥流動特性分析

孔德卿1,2嚴(yán)鵬航1,2俞葆青1,2任?，?,2

（1.南瑞集團(tuán)（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司 南京 211106；2.北京國電富通科技發(fā)展有限責(zé)任公司 北京 100070）

為解決換流站閥冷系統(tǒng)無法準(zhǔn)確獲知閥外冷系統(tǒng)流量值及其散熱量的問題，利用流體分析軟件Flowmaster對換流閥水冷系統(tǒng)三通調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流動特性進(jìn)行了計算分析。以上海某直流輸電工程換流閥水冷系統(tǒng)作為參考，收集設(shè)備參數(shù)及控制策略，建立換流閥水冷系統(tǒng)流體仿真模型，通過控制三通調(diào)節(jié)閥閥門開度模擬計算得出內(nèi)外冷流量值，同時以流量系數(shù)公式為基礎(chǔ)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)理論計算。仿真結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)理論分析結(jié)果極為吻合，并依據(jù)仿真及計算結(jié)果繪制了換流閥內(nèi)外冷系統(tǒng)流量與三通調(diào)節(jié)閥閥門開度的關(guān)系曲線，為換流閥水冷系統(tǒng)工程應(yīng)用及計算提供了理論基礎(chǔ)。

換流閥水冷系統(tǒng)；三通調(diào)節(jié)閥；流量系數(shù)；Flowmaster

0 引言

換流閥是高壓直流輸電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換的核心部件，正常運(yùn)行時會產(chǎn)生大量的熱，為保證元件的正常使用和防止老化，需要一套可靠有效的閥冷卻系統(tǒng)對其冷卻[1]。換流閥水冷系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可直接給出直流閉鎖指令，導(dǎo)致直流停運(yùn)等重大事件[2]，因此換流閥水冷系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性對于整條直流輸電線路的正常運(yùn)行具有重要意義。

其中換流閥水冷系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)通過閥冷控制保護(hù)系統(tǒng)控制，該系統(tǒng)配置有進(jìn)閥溫度變送器、電動比例三通調(diào)節(jié)閥、反饋機(jī)制等[3]，進(jìn)閥溫度主要依賴于反饋機(jī)制控制的電動三通閥調(diào)節(jié)其外冷流量來改變溫度。章茂森等利用CFD軟件對冷卻系統(tǒng)的三通調(diào)節(jié)閥內(nèi)部的湍流動能和耗散率進(jìn)行分析；王程勇等利用Simulink對電動比例三通調(diào)節(jié)閥建立了仿真模型，研究了調(diào)節(jié)閥調(diào)溫特性；嚴(yán)喜林等根據(jù)高壓直流換流閥冷卻系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對系統(tǒng)的保護(hù)配置和定制進(jìn)行了整定。實(shí)際考慮到項(xiàng)目的安全可靠和降本增效，目前國內(nèi)各換流站閥冷系統(tǒng)只安裝進(jìn)出閥流量變送器，無法準(zhǔn)確獲知外冷系統(tǒng)流量值，進(jìn)而無法計算其散熱量，只能依靠閥冷廠家積累的工程經(jīng)驗(yàn)值，因此有必要對閥冷系統(tǒng)三通閥開度與流量的邏輯關(guān)系進(jìn)行計算分析。

本論文基于流量系數(shù)公式進(jìn)行理論計算，同時利用一維軟件Flowmaster進(jìn)行仿真分析，并將二者結(jié)果對比分析得出結(jié)論。以某上海實(shí)際換流站閥冷系統(tǒng)為例進(jìn)行計算，該系統(tǒng)流量為216 m3/h，采用DN200不銹鋼管道連接，三通調(diào)節(jié)閥應(yīng)用于閥冷系統(tǒng)中的內(nèi)外冷系統(tǒng)分流處，外冷卻設(shè)備為空冷器+冷卻塔串聯(lián)使用。

1 流體特性理論計算分析

1.1 三通調(diào)節(jié)閥控制原理

如圖1所示，以三通調(diào)節(jié)閥V9/V10為例，蝶閥V9及V10為兩個獨(dú)立的閥門，由連桿機(jī)構(gòu)相連，統(tǒng)一由一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制，組成1套閥冷系統(tǒng)三通調(diào)節(jié)閥，系統(tǒng)采用三通調(diào)節(jié)閥一用一備運(yùn)行方式。默認(rèn)三通調(diào)節(jié)閥閥門開度表示為去外冷管道閥門開度，兩閥門開度之和為90°（即V9開度為X°，V10開度即為(90-X)°），由此調(diào)節(jié)內(nèi)外冷支路流量比例。通常三通流量調(diào)節(jié)閥在閥芯旋轉(zhuǎn)位置介于15°～75°時能有效分流[4]。

1.2 系統(tǒng)流量系數(shù)值換算

由廠家提供產(chǎn)品使用說明書以及工程經(jīng)驗(yàn)可知，流經(jīng)閥門的介質(zhì)流量與閥門的開度并不是成線性比例，調(diào)節(jié)閥同孔板一樣，是局部阻力元件。

圖2 調(diào)節(jié)閥節(jié)流模擬圖

如圖2所示，我們把調(diào)節(jié)閥模擬成孔板節(jié)流形，對不可壓流體，代入伯努利方程：

署并配合連續(xù)方程：

（2）

可推算出流量系數(shù)方程：

式中，VV為節(jié)流前后速度；為平均流速；12為節(jié)流前后壓力，100KPa；為節(jié)流面積，cm；為流量，m3/h；為重度，N/m3；為加速度，=981cm/s。

根據(jù)蝶閥廠家提供產(chǎn)品說明書可知公稱通徑為DN200的對夾式蝶閥的閥門開度流量壓差特性及流量系數(shù)表如表1所示。

表1 蝶閥流量系數(shù)表

為了優(yōu)化三通閥動作邏輯，模擬三通閥開關(guān)狀況，我們對內(nèi)外冷混合回路進(jìn)行簡化，V10為三通閥內(nèi)循環(huán)開關(guān)閥，打開后直接進(jìn)入內(nèi)冷系統(tǒng)，內(nèi)循環(huán)水進(jìn)入換流閥，后續(xù)管路流阻影響極小，忽略不計；V9是外循環(huán)開關(guān)閥，其打開后外循環(huán)帶上空冷器和冷卻塔串聯(lián)回路，用阻尼元件V外來表示。

根據(jù)空冷器和冷卻塔廠家給出的流量阻尼特性表如表2所示。

表2 外冷系統(tǒng)流阻特性表

將外冷部分模擬成阻尼元件，根據(jù)公式（3），計算得出流量系數(shù)為233.054。

1.3 內(nèi)外冷系統(tǒng)流量計算

根據(jù)流量系數(shù)特性，可推出以下計算公式，可折算出外冷回路中（V9+V外）的流量系數(shù)在不同閥門開度下的值。

系統(tǒng)并聯(lián)流量系數(shù)公式：

系統(tǒng)串聯(lián)流量系數(shù)公式：

表3 內(nèi)外冷系統(tǒng)流量計算表

2 基于Flowmaster仿真軟件計算

2.1 軟件介紹及參數(shù)設(shè)置

Flowmaster軟件是全球領(lǐng)先的一維熱流體系統(tǒng)仿真專家，對于各種復(fù)雜的流體系統(tǒng)，工程師可以利用Flowmaster快速有效地建立精確的系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行瞬態(tài)/穩(wěn)態(tài)求解并進(jìn)行壓力、流量、溫度、流速等參數(shù)的分析[5]。

參數(shù)設(shè)置：

泵pump：流量216 m3/h，揚(yáng)程55m，功率65.4kW，Suter Head-Torque Curve按廠家提供曲線導(dǎo)入[6]；

蝶閥Butterfly Valve：直徑0.2m，開度通過閥門控制器調(diào)節(jié)，隨時間變化；

空冷器及冷卻塔模塊：水力直徑0.2m，據(jù)局部阻力系數(shù)計算公式[7]可得Loss Coefficient為62.91；

換流閥模塊：水力直徑0.2m，根據(jù)局部阻力系數(shù)計算公式可得Loss Coefficient為124.48。

2.2 仿真模型搭建及計算

圖3 三通調(diào)節(jié)閥計算仿真模型

如圖3所示，三通調(diào)節(jié)閥流動特性計算仿真模型建立如下，通過閥門控制器Valve Opening可按照程序化邏輯嚴(yán)格控制閥門開度。

三通調(diào)節(jié)閥閥門開度及去外冷管道閥門開度變化如表4所示，Valve Position根據(jù)時間規(guī)律變化。

如圖4可知，隨著時間及三通調(diào)節(jié)閥閥門開度由0°逐漸開啟至90°，內(nèi)冷流量顯著降低，外冷流量顯著升高，外冷流量在閥門開度為90°時增至199.036m3/h；同時需要注意的是總流量有所降低，降低份額占初始流量的8.53%，與工程實(shí)際記錄數(shù)據(jù)較為相符，分析原因?yàn)槿ㄕ{(diào)節(jié)閥全開，水冷系統(tǒng)整體流阻升高，流量有所降低，仍滿足散熱需求。

表4 三通閥閥門開度隨時間變化表

圖4 流量隨時間變化規(guī)律

3 理論與仿真計算對比分析

利用origin數(shù)據(jù)處理軟件分析數(shù)據(jù)，研究換流閥水冷系統(tǒng)三通調(diào)節(jié)閥相同閥門開度下，仿真及理論計算結(jié)果的差異性，以便更直觀的分析研究結(jié)論。

圖5 系統(tǒng)流量隨時間變化規(guī)律

從圖5看出，在相同三通閥開度工況下，換流閥內(nèi)外冷系統(tǒng)流量理論計算值與flowmaster仿真計算值極為接近，同時變化趨勢一致。

圖6 內(nèi)外冷流量比值隨時間變化規(guī)律

如圖6所示，在相同三通閥開度工況下，從理論計算和仿真計算皆可看出，內(nèi)外冷流量比值較為接近。因此在實(shí)際工程中，基于流量系數(shù)公式，可依據(jù)理論分析得出較為準(zhǔn)確的內(nèi)外冷流量值，為了解系統(tǒng)工況提供有力支撐。

4 結(jié)論

Flowmaster軟件可精確計算分析得出換流閥水冷系統(tǒng)三通調(diào)節(jié)閥閥門開度波動下的內(nèi)外冷流量值，同時可分析總流量在系統(tǒng)水阻增大時有所降低的變化趨勢，與實(shí)際工程數(shù)據(jù)相符；同時可以看出理論計算具有一定的參考性，基于流量系數(shù)公式，在實(shí)際工程中已知系統(tǒng)總流量的工況下，根據(jù)流量比可得到內(nèi)外冷系統(tǒng)流量值；通過理論和仿真計算兩種方式得出三通調(diào)節(jié)閥開度波動下的內(nèi)外冷流量基本吻合，具有較高的利用價值，為換流閥水冷系統(tǒng)的換熱分析及定值計算提供了參考。

[1] 嚴(yán)喜林,國建寶,楊光源,等.高壓直流換流閥冷卻系統(tǒng)保護(hù)配置及定值整定[J].廣東電力,2019,(4):125–130.

[2] 李潔,黃凱漩,陳志偉,等.南澳柔性直流輸電工程換流閥保護(hù)拒動原因分析[J].廣東電力,2017,30(11):114– 119．

[3] 賴皓,李靖翔,梁天明.換流站閥冷系統(tǒng)輕微漏水檢測方法研究[J].電氣自動化,2016,38(1):106–108.

[4] 孫彩珍,李紅,湯攀.三通調(diào)節(jié)閥分流比及內(nèi)部流動特性分析[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報,2019,37(5):441–446．

[5] 翟雁,郭曉波,張江.基于Flowmaster牽引電機(jī)冷卻系統(tǒng)建模分析[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2016,(8):256–260

[6] 付敏,鄒繼斌,魏靜薇.基于三維有限元法U 型單相自起動永磁同步電機(jī)渦流場與溫度場的分析計算[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2006,40(4):572–576.

[7] 王奇峰.增壓中冷汽油機(jī)熱管理系統(tǒng)試驗(yàn)與仿真分析[D].吉林:吉林大學(xué),2013.

Analysis of Flow Characteristics of Three-way Control Valve in Converter Valve Cooling System

Kong Deqing1,2Yan Penghang1,2Yu Baoqing1,2Ren Haiying1,2

( 1.NARI (State Grid Electric Power Research Institute) Group Corporation, Nanjing, 211106;2.Beijing Guodian Futong Science, and Technology Development Co., Ltd, Beijing, 100070 )

In order to solve the problem that the converter valve cooling system cannot accurately know the flow value and heat dissipation of the external cooling system，the flow characteristics of the three-way control valve in the converter valve cooling system are simulated and analyzed by using the flowmaster software. Taking the HVDC converter valve cooling system in Shanghai as a reference, the equipment parameters and control strategies are collected, the fluid simulation model of the converter valve cooling system is established, and the internal and external cooling flow values are calculated by controlling the valve opening of the three-way control valve, and the empirical theoretical calculation is carried out based on the flow coefficient formula. The simulation results are in good agreement with the empirical theoretical analysis results, According to the simulation and calculation results, the relationship curve between the flow of the internal and external cooling system of the converter valve and the opening of the three-way control valve is drawn, which provides a theoretical basis for the engineering application and calculation of the HVDC converter valve cooling system.

converter valve cooling system; three-way control valve; flow coefficient; Flowmaster

TH137.5

A

1671-6612（2021）02-234-04

孔德卿（1985-），男，碩士研究生，高級工程師，E-mail：kongdeqing@sgepri.sgcc.com.cn

嚴(yán)鵬航（1991-），男，碩士研究生，工程師，E-mail：yanpenghang@sgepri.sgcc.com.cn

2020-07-03