船舶推進干式變壓器熱量分析

胡新舟，肖珞瓊

（廣州西門子變壓器有限公司，廣州 510530）

0 引言

隨著船舶動力改進，油改電方案慢慢推廣，對推進裝置設(shè)備的防護等級也越來越高，設(shè)備的容量需求也越來越高。而變壓器容量增大，高防護等級下的散熱問題是各個設(shè)備廠商研究課題。因此，分析與掌握高防護等級散熱特性是解決此設(shè)備正常運行，經(jīng)濟有效的首要任務(wù)。

國內(nèi)外對船舶推進變壓器容量、散熱、脈沖、諧波因數(shù)做了大量研究[1]。變壓器外殼的防護等級采用IP23，變壓器耐熱等級為F，溫升不超過80 K。變壓器需滿足整流設(shè)備12 脈沖或24 脈沖[2-3]。變壓器在進行電磁計算時必須考慮最大30%額定電流的諧波電流[4]。上述文獻雖然描述變壓器使用工況，但是沒有涉及到外殼高防護等級IP44 以上變壓器散熱的問題，因此變壓器在不同防護等級下散熱存在一定問題。

本文將從變壓器結(jié)構(gòu)布置、冷卻風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計、換熱器選型、變壓器熱量輻射、水流熱量分析方面建立間歇性能源綜合分析體系?；谧儔浩麟姶庞嬎?，Ansys Fluent 仿真曲線分析變壓器各個區(qū)域范圍內(nèi)熱量變化波動特性；提出變壓器在外殼IP44 以上，變壓器溫升降低40%～50%，經(jīng)濟有效地解決高防護等級散熱問題的指標(biāo)，采用Ansys Fluent建立流體數(shù)學(xué)模型，并歸納變壓器不同區(qū)域溫度輻射變化，熱量流失變化，循環(huán)風(fēng)道風(fēng)阻變化的規(guī)律。最后，針對高防護等級IP44 以上，對水流熱量、換熱器選型、循環(huán)風(fēng)道風(fēng)阻、變壓器本體熱量輻射體系進行分析，驗證其準(zhǔn)確性與有效性。

船舶推進變壓器一般是給整流器供電，其變壓器本體簡稱整流變壓器[5]。由于此變壓器安裝的環(huán)境比較惡劣，所以其罩殼防護等級都必須達到IP44 以上，為了經(jīng)濟有效地解決高防護等級變壓器散熱問題，需在罩殼內(nèi)設(shè)計冷卻風(fēng)道，并安裝板式換熱器，然后采用水冷卻的方式來將熱量帶走，將罩殼內(nèi)的熱空氣轉(zhuǎn)換成冷空氣，氣流循環(huán)流動給整流變壓器散熱。其結(jié)構(gòu)布置：整流變壓器+罩殼+冷卻風(fēng)道+換熱器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理：外殼內(nèi)的風(fēng)機將罩殼內(nèi)的熱空氣吸到熱交換風(fēng)道中，熱空氣流過板式換熱器，在流過換熱器過程中通過熱量傳輸原理，將熱量傳輸?shù)綋Q熱器上，換熱器通過冷卻水將換熱器的熱量帶走，實現(xiàn)熱流轉(zhuǎn)換為冷流原理。冷空氣氣流過冷流風(fēng)道流向罩殼內(nèi)給整流變壓器散熱，實現(xiàn)了降低變壓器熱量的目的，即所闡述的水冷冷卻原理。

圖1 船舶推進變壓器結(jié)構(gòu)布置

1 冷卻風(fēng)道結(jié)構(gòu)布置

1.1 罩殼內(nèi)風(fēng)道

罩殼內(nèi)風(fēng)道是直接影響罩殼內(nèi)熱空氣的換熱效果，直接影響整流變壓器的散熱效果，風(fēng)道設(shè)計大了，浪費材料還達不到冷卻效果；風(fēng)道設(shè)計小了，達不到冷卻量，起不到制冷效果，風(fēng)機也會因空氣流量導(dǎo)致長期過載而出現(xiàn)燒壞風(fēng)險，因此冷卻風(fēng)道的設(shè)計至關(guān)重要。

1.2 風(fēng)道面積

風(fēng)道的結(jié)構(gòu)設(shè)計與所選擇的風(fēng)量和風(fēng)阻有關(guān)系，冷卻風(fēng)道容量V[6]計算如下：

式中：Q1為風(fēng)量，ΔPM為風(fēng)阻。

其中，風(fēng)量Q1計算如下：

式中：N為風(fēng)機功率；η0為風(fēng)機效率，一般取0.72～0.8；η1為機械效率，一般取0.95；p為風(fēng)壓。

風(fēng)壓p計算如下：

式中：H為風(fēng)流的長度。

風(fēng)阻ΔPM計算如下：

式中：λ為摩擦因數(shù)（空氣一般取0.016）；v為罩殼內(nèi)空氣的平均流速（標(biāo)準(zhǔn)為6～8 m/s）；ρ為空氣密度（一般取1.2 kg/m3）；L為空氣流通的長度；Rs為冷卻風(fēng)道尺寸。

由于整流變壓器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其選擇的風(fēng)壓值為理論風(fēng)阻值的2.1～2.5倍。以表1參數(shù)進行分析說明。

表1 變壓參數(shù)

風(fēng)壓：p=61.44 Pa（理論值）

實際取值：p=154 Pa

Q1=(N× 3 600 ×η0×η1× 1000)/p= 5 330 m3/h

式中：N為風(fēng)機功率，選擇3 kW。

冷卻風(fēng)道容量：V=Q1/ΔPM= 34.6 m3

根據(jù)表1 所示參數(shù)，此變壓器罩殼的冷卻風(fēng)道為34.6 m3。

2 換熱器選擇分析

對于水冷罩殼變壓器，水路換熱計算即為變壓器溫升計算[7]。變壓器產(chǎn)生總損耗熱量通過傳導(dǎo)、對流及輻射的形式傳遞，大部分熱量通過冷卻風(fēng)道經(jīng)過換熱器，以冷卻水對流的形式帶走。根據(jù)繞組發(fā)熱損耗功率確定冷卻水流量，計算如下：

式中：Q為冷卻水流量，m3/h；Cp為冷卻水比熱容，kJ/（kg·°C）；ρ為冷卻水密度，kg/m3；PN為繞組在參考溫度下的總損耗，W（以120°C為準(zhǔn)）；Δt為冷卻水進水和出水溫度差（船舶溫度一般以5°C）。

船舶由于其環(huán)境特殊性，在換熱器材質(zhì)，換熱器進水壓力，測試壓力有明確的規(guī)定（船級社規(guī)定進水壓力為6 bar（1bar ≈0.1MPa，測試壓力為9 bar），即換熱器的冷卻水水流量由換熱器進水壓力和換熱器功率來決定[8]。根據(jù)式（5）可以分析，在封閉的罩殼內(nèi)，要完全把變壓器損耗產(chǎn)生的熱量帶走，其冷卻水流量必須滿足總損耗要求。所以在選擇換熱器功率方面一般取值為：

式中：P為換熱器功率；PN為整流變壓器總損耗。

由于考慮水流量水阻這塊，換熱器功率一般往上取整。以表1變壓器參數(shù)分析，其變壓器總損耗PN=46 kW，即換熱器功率P=50 kW。

3 變壓器本體熱量分析

對于IP44 全封閉的罩殼，其罩殼內(nèi)的熱量主要由變壓器運行產(chǎn)生。而整流變壓器生產(chǎn)的各散熱體的散熱表面分為兩種，一種是裸露表面，另一種是非裸露表面。干式整流變壓器結(jié)構(gòu)是高低線圈套裝在鐵心，如圖2所示。

圖2 干式整理變壓器結(jié)構(gòu)

由圖中可以看出鐵心這塊都是裸露散熱，而線圈繞組這塊是非裸露散熱。變壓器鐵心和線圈繞組對罩殼的平均溫升可以計算如下[9]。

式中：q為發(fā)熱體有效散熱表面的單位熱負荷，W/m2；P為發(fā)熱體的損耗，W；S為發(fā)熱體的有效散熱面積，m2；K為經(jīng)驗系數(shù)，對于鐵心，K=0.36；對于內(nèi)部繞組，K=0.33；對于外部繞組，K=0.3[10]。

根據(jù)表1的參數(shù)和1.2節(jié)冷卻風(fēng)道面積計算，可以計算豎直方向變壓器的溫升，繞組溫升計算如下：

一般有效面積取散熱總面積的60%。

通過電磁模擬軟件分析（圖3），可以看出整流變壓器本體在線圈上端部溫升最高，可以達到理論值146 K（圖中亮紅點表示變壓器溫升最高點）。通過圖中分析，如果通過一個外部強迫風(fēng)流循環(huán)把變壓器熱流帶走，并帶入新的冷風(fēng)制冷降溫，變壓器本體溫升就可以降下來。由于防護等級為IP44 以上，因此采用水冷冷卻是最佳解決方案。

圖3 變壓器本體溫升模擬分析

4 水冷溫升計算

根據(jù)第2 部分換熱器分析，通過表1 中的參數(shù)選擇的換熱器為50 kW。

根據(jù)式（5）計算水冷下變壓器損耗PN：

將式（9）的值代入式（8）中，求得在水冷環(huán)境下變壓器溫升為：

溫度差：

由于此罩殼防護等級為IP44 以上，而且采用水冷的方式，外部環(huán)境溫度為進水溫度，因此進風(fēng)面積和風(fēng)出風(fēng)面積就是冷卻風(fēng)道風(fēng)流進風(fēng)和出風(fēng)。滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB1094.16 變壓器在一個封閉環(huán)境下的溫度差15 K，充分說明此水冷外殼的換熱器完全滿足散熱要求，換熱器的選擇滿足使用要求。根據(jù)表2參數(shù)，風(fēng)量為5 600 m3/h。而1.2 風(fēng)道面積計算，已經(jīng)計算此變壓器冷卻的風(fēng)量為5 330 m3/h，即計算理論值約等于換熱器要求的風(fēng)量，說明計算的冷卻風(fēng)道沒問題，完全可以滿足密閉罩殼內(nèi)的風(fēng)流循環(huán)。

表2 50 kW換熱器參數(shù)

5 案例分析

從表3中變壓器溫升參數(shù)分析，可以發(fā)現(xiàn)以下幾點。（1）所選擇的換熱器功率都比變壓總損耗大，都是變壓器總損耗往上取整，這點完成符合第3 部分分析的換熱器選型要求。（2）變壓器設(shè)計溫升都大于F 級（100 K），且都是F 級溫升的1.5～1.7 倍。（3）實際測量溫升都比較小，且都是式（7）中0.6～0.65 次方的范圍，與式中0.8次方有差異。（4）變壓器容量越大，設(shè)計溫升的倍數(shù)約接近1.5倍；變壓器容量越小，設(shè)計溫升的倍數(shù)越接近1.7倍。由于變壓器容量大，其線圈繞組的副向，軸向都比較大，根據(jù)式（7），K值將取內(nèi)繞組+外繞組來計算溫升，即溫升比較大。在水冷罩殼內(nèi)，變壓器溫升按照設(shè)計值的0.6～0.65 次方驗證。而變壓容量越大，設(shè)計溫升的倍數(shù)越接近1.5 倍，建議取值小于或等于1.5 倍。（5）變壓器設(shè)計溫升是標(biāo)準(zhǔn)最大溫升的1.5～1.7 倍，而實際測量溫升是設(shè)計溫升的0.6～0.65 次方，遠小于標(biāo)準(zhǔn)溫升。而0.6～0.65 比0.8 小了0.2～0.15，由此可以分析，變壓器在水冷強迫冷卻下，變壓器可以過載1.2 倍長期運行。即8 MVA 變壓器在密閉的罩殼內(nèi)，強迫水冷冷卻下變壓器容量可以達到9.6 MVA=8×1.2長期運行。

表3 變壓器溫升參數(shù)

6 結(jié)束語

本文主要描述船舶推進干式變壓器，變壓器安裝在一個密閉的罩殼內(nèi)來滿足高防護等級（IP44以上）。且在變壓器罩殼內(nèi)加裝空氣循環(huán)風(fēng)道，冷卻水換熱器，將變壓器外殼內(nèi)的熱量通過冷卻介質(zhì)水帶走，實現(xiàn)內(nèi)循環(huán)空氣-水-空氣冷卻，經(jīng)濟有效地解決了高防護等級條件下的散熱問題。

通過罩殼內(nèi)風(fēng)道風(fēng)量的計算，推理出：冷卻風(fēng)道=風(fēng)量/風(fēng)阻，可以通過此公式計算不同容量水冷外殼的風(fēng)道面積，有利于風(fēng)道的結(jié)構(gòu)布置。

換熱器流量計算分析，反推變壓器在水冷罩殼內(nèi)的變壓器損耗與換熱器功率成正比關(guān)系，即換熱器流量越大，變壓器在水冷罩殼內(nèi)的熱量越大。而得出選擇換熱器應(yīng)該比變壓器總損耗大，且往上取整的結(jié)論。

變壓器本體設(shè)計熱量分析和水冷罩殼內(nèi)溫升計算，是對前面風(fēng)道，換熱器流量理論計算值進行驗證，最終得出風(fēng)量計算，換熱器流量計算是可以滿足不同水冷罩殼內(nèi)熱交換，實現(xiàn)了變壓器的循環(huán)散熱。并得出水冷外殼變壓器實際溫升為理論設(shè)計溫升的0.6～0.65 次方，變壓器在強迫水冷制冷的情況下最大可以達到1.2倍過載長期運行的結(jié)論。完全驗證了前面講的在同等通風(fēng)情況下干式變壓器的溫升降低40%～50%左右結(jié)論。以上結(jié)論在不同情況下還得通過不同的工況去理論分析，本文中的一些公式僅供參考。