真實(shí)場(chǎng)景下?lián)Q流變壓器空冷換熱器換熱能力提升

趙欣洋,陳昊陽(yáng),楊晨,周晨陽(yáng),李早陽(yáng)*,劉立軍

(1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司超高壓公司，銀川 750004；2.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，西安 710049)

高壓直流輸電最核心的技術(shù)集中于換流站[1]。換流站實(shí)現(xiàn)了直流輸電工程中直流和交流的相互轉(zhuǎn)換，其中換流變壓器(簡(jiǎn)稱“換流變”)是最主要的設(shè)備之一。換流變內(nèi)的繞組線圈和鐵芯等元件在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生很高的熱量[2]，需要通過(guò)內(nèi)循環(huán)冷卻油對(duì)其進(jìn)行冷卻，最終通過(guò)空冷換熱器散出。而在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，空冷換熱器的工作點(diǎn)極有可能會(huì)偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)，使其換熱能力低于設(shè)計(jì)值。為了保障換流站安全可靠運(yùn)行，需針對(duì)空冷換熱器的換熱特性開(kāi)展深入研究。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)空冷換熱器換熱能力的眾多影響因素進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究。針對(duì)翅片形式的影響，學(xué)者們研究了傾斜型[3]、六邊形[4]、多孔錐形[5]、長(zhǎng)翅片型[6]、開(kāi)縫型[7]、波紋型[8]以及前開(kāi)孔后開(kāi)縫型[9]翅片等多種翅片換熱器的換熱性能并獲得了最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)?？绽鋼Q熱器的管束結(jié)構(gòu)主要分為鋼制橢圓管型翅片管和鋁制圓管型翅片管，其中圓管型翅片管主要包含四管排和六管排[10]。學(xué)者們針對(duì)橢圓管與圓管、六管排與四管排的流動(dòng)傳熱特性對(duì)比做了許多工作。Matos等[11]對(duì)錯(cuò)列布置的圓管和橢圓管束進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)橢圓管束性能優(yōu)于圓管束。王偉佳等[12]對(duì)比研究了四管排和六管排下交叉逆流、順流管束的循環(huán)水臨界凍結(jié)條件與位置，指出交叉流六排管順流管束具有更好的防凍特性。

空冷換熱器往往露天布置，因此環(huán)境條件也是其換熱能力的重要影響因素之一。景琦等[13]指出不同海拔帶來(lái)空氣密度的變化是影響散熱器傳熱性能的主要原因。其中，環(huán)境風(fēng)對(duì)換熱器換熱能力的影響到了廣泛研究[14-16]，并提出了外加結(jié)構(gòu)等空氣流場(chǎng)優(yōu)化組織方法[17-20]。Wang等[15]討論了電站空冷平臺(tái)熱回流現(xiàn)象與周?chē)ㄖ⒌匦伍g的關(guān)系。Gu等[16]通過(guò)試驗(yàn)給出了不同風(fēng)速和不同風(fēng)向?qū)δ畴姀S空冷換熱器總回流率的影響規(guī)律。趙萬(wàn)里等[21]在低速風(fēng)速風(fēng)洞中對(duì)直接空冷模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，探究了環(huán)境來(lái)流風(fēng)速、風(fēng)向以及周?chē)ㄖ?duì)空冷換熱器熱回流率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)來(lái)流風(fēng)向正對(duì)建筑、空冷單元位于建筑的下游時(shí)，空冷換熱器的熱回流率最大。

除去上述研究的翅片與管束型式等本體結(jié)構(gòu)以及環(huán)境風(fēng)的影響，真實(shí)場(chǎng)景下?lián)Q流變空冷換熱器的運(yùn)行狀態(tài)依舊會(huì)偏離設(shè)計(jì)工作點(diǎn)。風(fēng)冷換熱器所處環(huán)境存在的防火墻、降噪墻等圍擋結(jié)構(gòu)均會(huì)對(duì)其實(shí)際運(yùn)行產(chǎn)生影響，使得換熱器在夏季極端工況下無(wú)法達(dá)到理論換熱量，為換流變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)隱患。現(xiàn)采用計(jì)算流體力學(xué)和傳熱學(xué)方法，對(duì)某北方高壓換流變空冷換熱器進(jìn)行數(shù)值建模和模擬分析，研究真實(shí)場(chǎng)景下周?chē)鷫w對(duì)換流變空冷換熱器換熱特性的影響規(guī)律，提出能夠提升空冷換熱器換熱能力的技術(shù)方案。

1 換熱器本體

圖1(a)為某北方高壓換流變主體與空冷換熱器實(shí)物圖，為減少換流變運(yùn)行所產(chǎn)生的噪聲對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，在空冷換熱器與換流變主體之間安裝了降噪墻。真實(shí)場(chǎng)景下?lián)Q熱器后側(cè)為降噪墻、下側(cè)為地面，墻體的存在可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)際換熱量偏離設(shè)計(jì)的理論換熱量。由圖1(a)可知，該換流站每個(gè)換流變對(duì)應(yīng)四列空冷換熱器，每列有四個(gè)規(guī)格相同的風(fēng)機(jī)，各列換熱器相距0.3 m，每列空冷換熱器的尺寸為5.6 m×1.7 m。由于空冷換熱器布置與周?chē)ㄖ膶?duì)稱性，選取了其中的兩列換熱器開(kāi)展建模計(jì)算，如圖1(b)中的幾何模型所示。為表述方便，采用(i,j)為各風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)的換熱器進(jìn)行編號(hào)，其中i=1，2表示列數(shù)；j= 1，2，3，4表示排數(shù)。圖1(c)所示為換熱器與降噪墻和地面之間的相對(duì)位置，空冷換熱器與降噪墻的原始間距L=1.2 m，空冷換熱器頂部與降噪墻頂部的原始相對(duì)高度ΔH=0.2 m，換熱器底部距地面的高度為1.8 m。作為描述降噪墻與空冷換熱器相對(duì)位置的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，間距L和相對(duì)高度ΔH將在以下研究中被重點(diǎn)關(guān)注。

圖1 換流變空冷換熱器實(shí)物與建模示意圖Fig.1 Schematic diagram of physical and modeling of air-cooled heat exchanger of converter transformer

2 數(shù)值計(jì)算方法

應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)數(shù)值模擬軟件Fluent研究真實(shí)場(chǎng)景空冷換熱器在周?chē)鷫w影響下的換熱性能。湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型(k代表湍流動(dòng)能，ε為耗散率)，壓力和速度耦合采用Simple算法。

2.1 空冷換熱器模型

2.1.1 風(fēng)機(jī)設(shè)置

采用風(fēng)機(jī)邊界條件，輸入風(fēng)機(jī)前后壓力變化與風(fēng)機(jī)所在面的法向速度之間的關(guān)系，通過(guò)設(shè)備廠商提供的風(fēng)機(jī)性能曲線獲得速度壓降關(guān)系，即

Δp=133+8.877v-1.523v2

(1)

式(1)中：Δp為風(fēng)機(jī)前后的壓差，Pa；v為法向速度，m/s。

2.1.2 換熱器翅片設(shè)置

在進(jìn)行模擬之前，需要首先確定所要研究的換流變空冷換熱器的工作狀態(tài)點(diǎn)。為了獲得極端條件下?lián)Q流變空冷換熱器的換熱能力，在此選擇冷卻油進(jìn)口最高溫度為65 ℃、進(jìn)口流量為額定流量16.4 kg/s作為空冷換熱器內(nèi)部冷卻油的進(jìn)口狀態(tài)。

該換流站采用的空冷換熱器是翅片式換熱器。翅片部分采用了由Patankar等[22]提出的多孔介質(zhì)模型來(lái)對(duì)空氣流過(guò)翅片時(shí)的阻力進(jìn)行分析。多孔介質(zhì)模型是在動(dòng)量方程中增加了一個(gè)代表動(dòng)量耗散的源項(xiàng)，源項(xiàng)Si由黏性損失項(xiàng)和慣性損失項(xiàng)兩個(gè)部分組成，表達(dá)式為

(2)

式(2)中：μ為黏性系數(shù)，kg/(m·s)；Ci為i方向的慣性阻力系數(shù)，m-1；Di為i方向的黏性阻力系數(shù)，m-2；ui為i方向的速度，m/s；ρ為穿過(guò)管束氣流的密度，kg/m3。工程應(yīng)用中通常采用換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算軟件HTRI Xchanger Suite (HTRI)選型設(shè)計(jì)空冷換熱器[23]，結(jié)合該選型軟件所計(jì)算得到的相應(yīng)空冷換熱器翅片的阻力特性數(shù)據(jù)，得到慣性阻力系數(shù)為15.67 m-1、黏性阻力系數(shù)為971 579.4 m-2。

氣流穿過(guò)翅片的換熱量與進(jìn)入空冷換熱器的空氣流量、溫度相關(guān)。換熱量與進(jìn)風(fēng)溫度、進(jìn)風(fēng)量間的關(guān)系通過(guò)HTRI計(jì)算擬合，通過(guò)加載用戶自定義函數(shù)(user-defined functions,UDF)的方式給多孔介質(zhì)設(shè)置熱源。擬合得到的空冷換熱器換熱量與進(jìn)風(fēng)溫度、進(jìn)風(fēng)量的關(guān)系為

Q=6.61×104+6.03×104q-2.26×103tin-

6.015×102q2-7.242×102qtin

(3)

式(3)中：Q為空冷換熱器換熱量，W；q為空氣流量，m3/s；tin為進(jìn)風(fēng)溫度，℃。

2.2 網(wǎng)格劃分

采用Meshing軟件對(duì)換流變空冷換熱器三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中對(duì)空冷換熱器主體及各個(gè)壁面處進(jìn)行網(wǎng)格加密。為了進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，對(duì)空冷換熱器采用不同網(wǎng)格尺寸，包括100、75、50、30、25 mm共5種尺寸，并模擬得到了環(huán)境溫度為30 ℃下，不同網(wǎng)格尺寸對(duì)應(yīng)的空冷換熱器總換熱量，如圖2所示。結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于127.9萬(wàn)時(shí)，空冷換熱器總換熱量隨網(wǎng)格數(shù)的變化小于1%，最終選擇網(wǎng)格數(shù)量為127.9萬(wàn)，網(wǎng)格最小尺寸為50 mm。

圖2 不同網(wǎng)格數(shù)空冷換熱器總換熱量Fig.2 Total heat exchange of air-cooled heat exchangers corresponding with different grid numbers

3 真實(shí)場(chǎng)景下空冷換熱器的換熱性能分析

首先研究了真實(shí)場(chǎng)景下考慮降噪墻及地面影響的空冷換熱器換熱能力，此時(shí)空冷換熱器與降噪墻的間距L=1.2 m、相對(duì)高度ΔH=0.2 m。環(huán)境溫度選擇該高壓換流站現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的2021年夏季最高室外溫度40 ℃。通過(guò)數(shù)值模擬可知，列1和列2換熱器的平均進(jìn)風(fēng)溫度分別為43.8 ℃和43.9 ℃，進(jìn)風(fēng)量為24.0 m3/s和23.7 m3/s，結(jié)合式(3)可計(jì)算出兩列換熱器的實(shí)際換熱量分別為305.5 kW和305.0 kW，總換熱量為610.5 kW。采用環(huán)境溫度作為進(jìn)口溫度進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)的理論換熱量為760.5 kW，對(duì)比發(fā)現(xiàn)墻體影響下的實(shí)際換熱量比理論換熱量低150 kW，降幅為19.7%。

為了深入分析空冷換熱器換熱能力下降的原因，圖3給出了周?chē)鷫w影響下穿過(guò)不同換熱器的流線圖。由圖3可知，換熱器(1,4)與換熱器(1,3)占據(jù)了換熱器與降噪墻之間的上側(cè)進(jìn)風(fēng)通道，使得換熱器(1,2)和換熱器(1,1)只能從側(cè)面進(jìn)風(fēng)。具體分析圖3(d)可知，換熱器(1,1)會(huì)吸入部分換熱器(2,4)的出口風(fēng)。由于換熱器(1,1)的進(jìn)口空氣很大一部分受列2換熱器排出的熱空氣影響，且部分進(jìn)口空氣為換熱器(2,4)所排出的熱空氣，導(dǎo)致?lián)Q熱器(1,1)的進(jìn)風(fēng)溫度高于環(huán)境溫度，從而使得列1換熱器平均進(jìn)風(fēng)溫度高于環(huán)境溫度。由圖3(e)可知，換熱器(2,1)在列1換熱器的影響下只能從側(cè)面進(jìn)風(fēng)，而從側(cè)面吸入的環(huán)境風(fēng)會(huì)與列2換熱器出流熱風(fēng)換熱，導(dǎo)致?lián)Q熱器(2,1)的進(jìn)風(fēng)溫度高于環(huán)境溫度。

圖3 周?chē)鷫w影響下穿過(guò)不同換熱器的流線圖Fig.3 Streamlines through different heat exchangers under the influence of surrounding walls

綜上可知，由于降噪墻及地面的影響，下側(cè)換熱器被迫從側(cè)面吸入部分旁側(cè)換熱器的回流熱風(fēng)，且吸入的環(huán)境風(fēng)中部分氣流受外側(cè)換熱器出口風(fēng)加熱，導(dǎo)致實(shí)際進(jìn)風(fēng)溫度比環(huán)境溫度高約4 ℃，有效換熱溫差降低。與采用環(huán)境溫度作為進(jìn)風(fēng)溫度進(jìn)行設(shè)計(jì)的空冷換熱器相比，考慮墻體影響的實(shí)際換熱能力降低19.7%，從而嚴(yán)重影響了換熱器的換熱能力。

4 空冷換熱器的換熱性能提升

前文研究表明，周?chē)鷫w對(duì)換熱性能有顯著影響，故在不改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加空冷換熱器與周?chē)鷫w之間的距離，以削弱周?chē)鷫w對(duì)空冷換熱器的影響。如圖1(c)中標(biāo)注所示，選擇在空冷換熱器與降噪墻的間距L為1.2～2.2 m、相對(duì)高度ΔH為0.2～3.0 m，研究周?chē)鷫w對(duì)其換熱能力的影響。

4.1 空冷換熱器與降噪墻間距對(duì)換熱能力的影響

空冷換熱器與降噪墻間距分別為1.2、1.7、2.2 m時(shí)的換熱量分布如圖4所示，其中原始間距為1.2 m。由圖4可知，隨著空冷換熱器與降噪墻間距的增加，列2換熱器換熱量與兩列總換熱量逐漸上升。與原位置間距為1.2 m的情況相比，間距為2.2 m時(shí)列1換熱器換熱能力降低2.6%，兩列總換熱量增加4.4%。

圖4 空冷換熱器換熱量隨換熱器與降噪墻間距的變化Fig.4 Variation of heat exchange of air-cooled heat exchanger with distance between heat exchanger and noise reduction wall

以下結(jié)合三維流線圖分析列1換熱器換熱能力下降與列2換熱器換熱能力提升的原因。由圖5(a)可以發(fā)現(xiàn)，空冷換熱器與降噪墻間距為2.2 m時(shí)，換熱器(1,1)進(jìn)風(fēng)來(lái)源主要包含三部分：一是來(lái)源自于環(huán)境中，二是與旁側(cè)換熱器出口風(fēng)換熱的環(huán)境風(fēng)，三是換熱器(2,4)和換熱器(2,3)的所排出的熱風(fēng)。與圖3(d)中間距為1.2 m的原始位置相比，間距為2.2 m時(shí)換熱器(1,1)的進(jìn)風(fēng)來(lái)源多了換熱器(2,3)的出口風(fēng)，換熱器(1,1)的進(jìn)風(fēng)溫度進(jìn)一步升高，從而使得列1換熱器的換熱量進(jìn)一步降低。由圖5(b)可知，與不改變換熱器位置相比[圖3(e)]，隨著間距的增加，列2換熱器從降噪墻上側(cè)的環(huán)境中進(jìn)風(fēng)的比重增加，使得進(jìn)風(fēng)溫度降低、總換熱量逐漸增加。

圖5 間距為2.2 m時(shí)穿過(guò)不同換熱器的流線圖Fig.5 Streamlines through different heat exchangers at 2.2 m distance

4.2 空冷換熱器與降噪墻的相對(duì)高度對(duì)換熱能力的影響

空冷換熱器與降噪墻相對(duì)高度為0.2、1.6、3.0 m時(shí)的換熱量分布如圖6所示，其中原相對(duì)高度為0.2 m。由圖6可知，與原相對(duì)高度相比，增加相對(duì)高度使得各列換熱器換熱能力得到一定增強(qiáng)，相對(duì)高度為1.6 m和3.0 m時(shí)，總換熱量分別增加4.8%和4.6%。隨著相對(duì)高度的增加，列2換熱器換熱量先增大后降低，列1換熱器換熱量則持續(xù)增加。

圖6 空冷換熱器換熱量隨換熱器與降噪墻之間相對(duì)高度的變化Fig.6 Variation of heat exchange of air-cooled heat exchanger with relative height between heat exchanger and noise reduction wall

以穿過(guò)換熱器(2,1)的流場(chǎng)為例，分析列2換熱器換熱能力隨著相對(duì)高度的增加先升高后降低的原因。圖7所示為不同相對(duì)高度穿過(guò)換熱器(2,1)的流線圖。由圖7(a)可知，相對(duì)高度為1.6 m時(shí)空冷換熱器下方空間充足，換熱器(2,1)的部分進(jìn)氣來(lái)源于下側(cè)，但絕大多數(shù)都來(lái)源于上方環(huán)境中。增加相對(duì)高度削弱了降噪墻對(duì)上側(cè)換熱器的影響，故與原相對(duì)高度相比，相對(duì)高度為1.6 m的列2換熱器進(jìn)風(fēng)溫度降低，換熱量有所提高。由圖7(b)可知，相對(duì)高度為3.0 m時(shí)換熱器(2,1)從列2換熱器下方吸入出流熱風(fēng)占比進(jìn)一步增加，使得換熱器(2,1)進(jìn)風(fēng)溫度進(jìn)一步升高。與相對(duì)高度為1.6 m相比，相對(duì)高度為3.0 m的列2換熱器進(jìn)風(fēng)溫度升高，換熱量降低2.7%。

圖7 不同相對(duì)高度穿過(guò)換熱器(2,1)的流線圖Fig.7 Streamlines through heat exchangers (2,1) at different relative heights

4.3 空冷換熱器換熱能力提升綜合分析

圖8為同時(shí)改變換熱器與降噪墻的間距和相對(duì)高度時(shí)空冷換熱器實(shí)際總換熱量。由圖8可知，當(dāng)相對(duì)高度保持在原始位置0.2 m時(shí)，增加換熱器與降噪墻的間距有助于提升換熱器的換熱性能。當(dāng)相對(duì)高度為1.6 m時(shí)，換熱能力隨空冷換熱器與降噪墻間距的增加而降低。這是由于當(dāng)空冷換熱器與降噪墻的相對(duì)高度增加后，增加間距會(huì)使得換熱器下方熱回流增加，從而使得換熱器換熱能力有所下降。當(dāng)相對(duì)高度為3.0 m時(shí)，換熱能力隨間距的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。

圖8 換熱器處于不同位置時(shí)實(shí)際總換熱量Fig.8 The actual total heat exchange of the heat exchanger at different positions

以下結(jié)合相對(duì)高度為1.6 m不同間距的空冷換熱器進(jìn)口截面溫度分布云圖，分析空冷換熱器換熱能力隨間距的增加而下降的原因。如圖9所示，當(dāng)相對(duì)高度為1.6 m時(shí)，隨著間距的增加，空冷換熱器下側(cè)進(jìn)風(fēng)溫度逐漸增加。這一現(xiàn)象驗(yàn)證了第4.1節(jié)的結(jié)論，即不改變相對(duì)高度時(shí)，增加間距會(huì)加劇空冷換熱器從下側(cè)吸入出流熱風(fēng)。結(jié)合第4.2節(jié)的結(jié)論，空冷換熱器從下側(cè)吸入出流熱風(fēng)的占比隨著相對(duì)高度的增加而增大，故同時(shí)增加相對(duì)高度與間距，會(huì)使得下側(cè)換熱器吸入出流熱風(fēng)的現(xiàn)象加劇，從而降低換熱器換熱效果。

圖9 相對(duì)高度為1.6 m時(shí)空冷換熱器進(jìn)口截面溫度分布Fig.9 Temperature distribution of the inlet section of the air-cooled heat exchanger when the relative height is 1.6 m

綜上可知，在空冷換熱器與降噪墻的間距為1.2～2.2 m、相對(duì)高度為0.2～3.0 m時(shí)，間距為1.2 m、相對(duì)高度為1.6 m時(shí)空冷換熱器換熱效果最佳，比原位置的空冷換熱器換熱量增加了4.8%。

5 結(jié)論

通過(guò)建立換流變空冷換熱器數(shù)值計(jì)算模型，研究了真實(shí)場(chǎng)景下周?chē)鷫w對(duì)空冷換熱器換熱能力的影響，并提出了能夠提升空冷換熱器換熱能力的技術(shù)方案,得到如下主要結(jié)論。

(1)受降噪墻及地面的影響，下側(cè)換熱器吸入部分旁側(cè)換熱器的出口風(fēng)，且吸入的環(huán)境風(fēng)中部分氣流受外側(cè)換熱器出口風(fēng)加熱，使得換熱器平均進(jìn)風(fēng)溫度比環(huán)境溫度高4 ℃，導(dǎo)致實(shí)際換熱量比理論換熱量低19.7%。

(2)周?chē)鷫w與換熱器的間距對(duì)換熱能力有明顯影響。增加間距削弱了降噪墻對(duì)外側(cè)空冷換熱器進(jìn)風(fēng)溫度的影響，有助于提升外側(cè)(列2)空冷換熱器的換熱能力，使得兩列總換熱量有所提升。增加相對(duì)高度削弱了周?chē)鷫w對(duì)上側(cè)空冷換熱器影響，有助于提升內(nèi)側(cè)(列1)空冷換熱器的換熱能力，但同時(shí)會(huì)加劇熱風(fēng)回流對(duì)列2下側(cè)換熱器的影響，使得列2換熱器的換熱能力先上升后下降。

(3)與僅增加相對(duì)高度或間距相比，同時(shí)增加相對(duì)高度與間距，會(huì)使得下側(cè)換熱器吸入出流熱風(fēng)的現(xiàn)象加劇，從而降低換熱器換熱效果。在空冷換熱器與降噪墻的間距為1.2～2.2 m、相對(duì)高度為0.2～3.0 m時(shí)，間距為1.2 m、相對(duì)高度為1.6 m時(shí)換熱效果最佳，換熱量比原位置的空冷換熱器增加4.8%。