空气冷却器在高原环境中的设计和应用*

王 爱

(北京中清智辉能源科技有限公司，北京 100120)

0 引 言

随着FACTS技术和直流输电技术应用的日益广泛，纯水冷却技术做为目前大功率电力电子装置最为有效的散热方式之一，其高效的冷却效率、体积小、安全可靠等优点在国际上也得到了越来越广泛的应用[1]。空气冷却器是利用空气作为冷却介质实现热量交换，从而达到降低水温的目的。空气冷却器以节约水源、无污染和维护成本低等优点，是纯水冷却系统散热终端的首选，已广泛应用在平原地区电力电子装置冷却系统中，其性能设计成了保证电力电子装置安全稳定运行的重要环节。随着我国高海拔地区输配电项目的实施，高海拔地区大气压力、密度、湿度大大降低，而空气冷却器的散热性能和这些因素密切相关，亟需开展高海拔地区空气冷却器的设计应用研究。笔者以西藏曲哥220 kV变电站静止无功补偿装置晶闸管阀纯水冷却系统的空气冷却器为例，介绍了空气冷却器在高原地区的设计经验，为纯水冷却系统在其他高海拔地区的工程应用提供借鉴经验。

1 纯水冷却系统简介

纯水冷却系统主要由水机本体、被冷却电力电子装置、热交换器用匹配的管路系统连接而成，如图1所示。

图1 纯水冷却系统1.电力电子装置 2.水机本体 3.冷却管路 4.空气冷却器

水机本体的主要功能：①为整个循环系统提供稳定的流量和压力；②对冷却介质不断的纯化和过滤[2]；③对冷却介质的流量、电导率、温度、压力等参数的测量。热交换器负责对从电力电子装置流出的高温冷却水进行降温，主要有空气冷却器、板式换热器、冷却塔等。

2 空气冷却器的设计目标及参数确定

2.1 环境参数筛选

依据项目技术协议书，对使用环境条件参数筛选如表1所列，作为计算依据。

表1 环境参数

2.2 技术参数要求

依据晶闸管阀对水冷系统的技术要求，确定空气冷却器设计参数如表2所列，作为计算依据。

表2 技术参数

2.3 管内乙二醇水溶液的物理参数

由于环境最低温度为-16 ℃，为防止低温运行水路冻结，管内介质需添加30%乙二醇，查取相关资料，取50 ℃时30%乙二醇水溶液性质如表3所列。

表3 乙二醇水溶液物性参数

2.4 管外空气的物理参数

由于空气冷却器应用在海拔高度3 700 m的西藏地区，取40 ℃时的空气物性参数如表4所列。

表4 空气物性参数

3 空气冷却器设计计算

3.1 空气冷却器结构参数确定

翅片管采用抗腐蚀型双金属轧片管，基管为不锈钢304，翅片为纯铝，每米翅片管的翅片数为433片，结构参数如图2所示。翅片管排列采用正三角叉形排列，管距为50 mm，每排30根，共4排，前、后集水箱的设计使每20根翅片管先并联后串联，共6个管程。翅片管最底层设角钢支撑，翅片管与翅片管之间设铝波纹片支撑，集水箱上设计有排水阀和排气阀。

冷却器采用卧式水平结构，整体外表面采用热镀锌处理。设翅片管的翅片效率为0.9，经计算翅片管的外表面积为1.1 m2/m，则有效面积为1.0 m2/m。

图2 翅片管结构参数

3.2 空气冷却器管束参数计算[3-4]

(1)管内换热系数的计算：

(1)

式中：d为基管内径，m；u为管内乙二醇水溶液平均流速，m/s；v为乙二醇水溶液在50 ℃的运动粘度，m2/s。

经计算Re=19 883

努谢尔特数Nu=0.023Re0.8Pr1/3

(2)

经计算Nu=119

(3)

式中：λ为乙二醇水溶液在50 ℃时的导热系数,W/mK。

经计算hi=3 570 W/m2k

(2)管外换热系数的计算：

(4)

式中：λa为空气在40 ℃的导热系数，W/mK；Gmax为最窄截面空气质量流速，kg/m2s；dr,l,s为翅根直径，翅片高度，翅片净间距，m；μa为动力粘度，Pa·s。

当风速取4 m/s时，Gmax=6.81 kg/m2s。

经计算hf=57 W/m2K。

(3)污垢热阻 水侧污垢热阻ri和空气侧污垢热阻rn均取经验值0.000 172 m2k/W。

(4)间隙热阻rj由于管内乙二醇水溶液温度<100 ℃，间隙热阻忽略不计。

(5)基管管壁热阻rw基管304管壁热阻取rw=0.000 071 m2k/W。

(6)翅根管壁热阻rg对于双金属轧片管这部分壁厚很薄，热阻计算中忽略不计。

(7)翅片热阻rf低翅片管翅片热阻取经验值为rf=0.000 154 8 m2k/W。

(8)以翅片管外表面积为基准，翅片管总传热系数的计算：

(5)

式中：Ai为基管单位长度上的内表面积，m2；AΣ为基管单位长度上的翅片外表面积，m2；经计算k=36.6 W/m2k。

(9)传热平均温差 估算空气出口温度：

(6)

式中：t1为空气进口温度，取30 ℃；T1为水侧进口温度，℃；T2为水侧出口温度，取40 ℃；K为以光管外表面积为基准的总传热系数，W/m2k；Ft为温升校正系数，查表取0.92。

经计算t2=37 ℃。

求对数平均温差：

(7)

求得对数平均温差为10 ℃。

温差修正系数Ft′:

温度效率P=(t2-t1)/(T1-t1)

(8)

经计算P=0.438。

温度相关因素R=(T1-T2)/(t2-t1)

(9)

经计算R=0.86。

查平行交叉流三管程以上的修正系数Ft′=0.95，则有效平均温差ΔT=9.5。

(10)空气冷却器总的传热面积 根据传热基本方程，求得以翅片管外表面积为基准的总的传热面积为288 m2。考虑到高原空气物理参数选取和工程经验公式有偏差以及系统需要备用一台风机的情况下，实际翅片管总的传热面积为480 m2。

3.3 空气冷却器风机参数计算

(1)空气冷却器所需风量的计算：

(10)

式中：Q为空气冷却器的换热量，kW。

经计算VΣ=62 406 m3/h。

(2)空气侧阻力计算 空气侧阻力系数计算：

(11)

式中：s1为管束横向管间距，m；s2为管束斜向管间距，m。

经计算f=1.017

空气阻力计算：

(12)

式中：NB为空气冷却器的管排数。

经计算ΔP=115 Pa

(3)风筒动压头计算：

(13)

式中：V为风机的体积流量，m3/h；D为风机的风筒直径，m。

经计算ΔPD=55 Pa。

(4)风机所需全风压为170 Pa

(5)风机参数确定:采用户外变压器专用低噪音轴流风机，转速960 r/min，风机风量不小于21 000 m3/h，风压不小于170 Pa，噪音小于76 dB，防护等级IP55，所有结构件采用整体热镀锌处理，紧固件及电动机轴采用不锈钢材料。风机采用引风式布置。

由于电机在高海拔环境下散热性能降低，温升将会相应提高，直接影响电机的输出功率，即电机的带载能力下降。电机绝缘距离及材料性能随着海拔高度的增加也会降低。风机在平原地区时一般选用2.2 kW电机，现项目所在地海拔高度为3 700 m，电机功率按0.75系数降容选用，项目采用3 kW高原型电机。

设计好的空气冷却器外形结构图如图3所示。

图3 空气冷却器外形结构图

4 结 语

纯水冷却系统做为大功率电力电子装置的重要组成部分，而空气冷却器做为冷却系统的散热终端，其设计和选型尤其重要。由于高原地区空气密度、定压比热、导热系数、动力粘度等的变化，导致其传热系数和所需的散热风量和平原地区均有较大差异，这就需要设计比平原地区更大的散热面积和配备更大风量的风机。空气冷却器经各种测试合格后在西藏电力公司曲哥220 kV变电站、乃琼220 kV变电站均有应用，且已经过多年不同季节的连续运行，纯水冷却系统均未出现因冷却水温度过高或其他散热故障而影响整套无功补偿装置的停运，运行状况完全满足预期效果。本次空气冷却器的散热设计完全符合高原地区的应用要求，可做为其他高原地区应用设计的借鉴经验。