海上风电换流站户内直流场气流组织优化研究

毛永东 许梓盼 王劲柏 陈鹏 王飞飞 刚文杰

1 中南电力设计院有限公司

2 华中科技大学环境科学与工程学院

1 引言

换流站是风电输变电系统的重要环节，布置在换流站直流场内的桥臂电抗器是换流阀与交流系统之间功率传输的纽带[1-2]，运行中散发大量的热量。海上换流站直流场只能设置在室内，通风空调系统是电抗器正常运行和避免电抗器因过热出现烧毁后果的保障[3-5]，其气流组织形式对电抗器的冷却效果影响很大。已有公开资料报告了一些户内直流场气流组织的研究工作[6-8]，但未见将气流组织方案与电抗器的冷却效果进行关联和比较的研究。

本文以我国东部某海上换流站户内直流场为对象，使用Airpak 软件对上送下回，下送上回及目标送风三种气流组织进行模拟，分析空间流场与温度场特性，以电抗器发热表面平均温度为评价指标，比较气流组织形式对桥臂电抗器的冷却效果。

2 模型建立

2.1 物理模型与网格划分

本文的研究参照对象（某海上换流站户内直流场）的简化示意如图1 所示，直流场空间的长为39 m、宽为34 m，高为22.5 m，共布置有3 组桥臂电抗器。每组电抗器由同轴叠放的上下两个单元构成，上下单元之间留有0.5 m 的间隙，以支架结构保证设备的稳定及其与地面、顶板、四周墙面的安全距离。每个电抗器单元含有包封的14 组线圈绕组（参见图2），各绕组之间有通风槽，最里层绕组的内表面形成空心中筒，流经通风槽及中筒的空气带走从绕组包封表面散发出的热量，从而冷却桥臂电抗器。

图1 户内直流场空间及主要设备布置示意图

图2 桥臂电抗器内部结构示意图

图3 是本文研究的上送下回，下送上回和目标送风（下送上回）三种气流组织的送回风口布置示意图。上送上回方式的风口布置取自参照工程对象的设计（参见图4 中的右侧子图）。下送上回方式的送风口布置在地面，与上送下回的送风口是映射关系。目标下送上回方式是本文作者提出的一种构想，三个送风口分别布置在每组电抗器正下方的地面。表1 给出了这三种气流组织的主要参数。

图3 三种气流组织形式示意图

表1 气流组织主要参数表

在Airpak 软件中，对简化的物理模型进行空间离散及网格划分，对设备、风口、壁面附近做了加密处理。三种气流组织模型的网格数量分别为484 万、402 万、570 万，网格质量分别为0.79、0.79、0.75。图4 是上送下回气流组织形式下的物理模型与网格划分示意图。

图4 上送下回气流组织物理模型与计算网格示意图

2.2 流体流动及传热计算模型说明

空气视为不可压、常物性，流场为稳态，满足Boussinesq 近似假设，启用动量方程中的体积力项，重力加速度取值为9.81 m/s2。鉴于电抗器内部及直流场空间存在自然对流和强迫对流的共同作用，送风气流与周边空气的混合卷吸剧烈，选用零方程湍流模型。

直流场空间无外窗，对计算区域中存在辐射换热的表面，启用在模用DO 辐射模型。

2.3 边界条件设定与收敛标准

边界条件：送风口均定义为速度入口（velocity-inlet），送风温度和速度的数值根据不同工况需要而设定。回风口均定义为自由出流。忽略房间地面，屋面及四周墙壁与外界的传热，均设置为绝热边界。散热设备为室内唯一热源，表面均匀发热。三种气流组织形式下的电抗器总散热量均为270 kW，空调系统的送风量为70000 m3/h，送风温度为15 ℃。

收敛标准：当Flow 残差达到10-4，Energy 残差达到10-6，则认为计算结果收敛，停止计算。

3 模拟结果与分析

利用Airpak 对前述三种气流组织方式的分别进行模拟计算，得到不同的流场、温度场数值结果。本节选取具有代表性的空间截面，对户内直流场室内流场、温度场的特性进行分析与讨论，对不同气流组织下桥臂电抗器的冷却效果则利用电抗器绕组的发热表面面积平均温度进行比较。

3.1 直流场空间的流场特性

图5 所示的是送风口所在垂直断面的室内流场速度云图，图59（a）（c）分别对应上送上回、下送上回、目标送风气流组织形式。从速度云图中可看出，无论是从顶部的向下送风还是从地面的向上送风，送风冷气流的速度均快速衰减。三种情形下，形成射流衰减的一个共同原因是射流与周边流体的卷吸与混合，当送风口与目标区域距离大时尤为明显。但从上向下与从下向上的送风的衰减还有另一个不同的机制，上送下回时（图5（a）），送风冷射流与周边的上升热气流运动方向相反，导致冷气流向下运动的阻力增加，同时，其卷吸混合的热气流使得射流平均温度升高，冷气流向下的重力下沉作用减弱。而图5（b）及（c）所示的向上冷射流，虽然周边不存在向下运动的气流，但由于射流主体的温度低于周边空气的温度，重力场下的体积力消耗了射流的动量，从而在混合作用之外，强化了冷射流的衰减。

图5 送风口截面速度云图

设备表面附近的气流速度决定着气流与发热表面之间的对流换热系数的大小，图6 所示的电抗器中心垂直断面的流场速度云图有助于观察不同气流组织对冷却效果的影响趋势。为便于横向比较，特将图中的速度标尺上限作了下调。比较图6（a）与（b）可以发现，上送下回与下送上回形成的流场存在着一定的差别，但不十分突出，它们至少有三个共同特点，一是风口与设备存在水平距离。二是送风速度不大。三是，前两个特点加上射流衰减使得电抗器表面附近的气流速度低。与之相比，图6（c）所示的目标送风能大幅提高了设备表面周边的气流速度，对冷却换热非常有利。这种有利的局面有三个成因，首先是送风口布置在电抗器的正下方，其次是启用了更高的送风速度，再次是送风口面积大送风射流断面大，从而使得送风射流进入设备区域的速度保持在较高的水平。此外，作者也注意到电抗器绕组间通风槽内的气流也受到一定的正面影响，限于篇幅，不在此对更为细节性的流场进行分析，相关内容将在后期的文章中进行介绍。

图6 桥臂电抗器中心截面速度云图

3.2 直流场空间的温度场特性

图7 和图8 分别是三种气流组织形式下送风口所在截面和设备中心截面的温度云图，为方便分析，两个云图采用了不同的温度标尺上限值。

图7 送风口截面温度云图

比较图7（a）的从上向下与图7（b）的从下向上送风所形成的温度场云图，可以发现两者的三个有差异的特点。一是前者的送风射流温度衰减更快。二是后者出现了明显的温度分层，在直流场的下部区域形成了温度较低的“冷空气湖”。三是后者的电抗器所在空间区域的空气温度相对要低，对改善设备的冷却有帮助。图7（c）清晰地表明，目标送风方式的送风射流温度衰减相对更慢、有利于形成下部区域的冷空气湖、进入设备区域的空气温度更低。

以设备为中心的三个温度云图（图8）更为清晰地显示了对应的冷却效果，定性地看，目标送风方式最优，另外两种方式的差别不清晰。与目标送风方式接近于强制对流换热不同，下送上回与上送下回方案形成流场与温度场下，设备的散热是自然对流与弱强制对流共存的混合换热机制。虽然此处的温度云图显示下送上回方式改善了换热温度差，但回顾比较前边图6（a）、（b）中的设备表面附近的速度云图，发现其温度差优势被速度劣势抵消了不少。

图8 桥臂电抗器中心截面（X=19.8 m）温度云图

3.3 冷却效果量化比对

户内直流场通风空调系统的运行目标是冷却内部发热的桥臂电抗器，以确保其温度不高于设备制造方给出的容许阈值，很显然，将电抗器线圈绕组的表面温度作为评价气流组织形式优劣的量化指标是合适的。

表2 列出了Airpak 软件算出的三种气流组织形式下电抗器发热绕组表面的面积平均温度值。其中，上送下回气流组织形式下电抗器发热绕组表面的平均温度最高，为62.4 ℃。下送上回气流组织形式下的平均温度为60.8 ℃，比前者低1.6 ℃。目标送风（下送上回）气流组织形式下的平均温度为52.2 ℃，比前两者分别下降了10.2 ℃和8.6 ℃。这表明，三种气流组织对桥臂电抗器的冷却效果中，目标送风方式最佳，上送下回方式最不利，下送上回方式强于上送下回，但差别不大。

表2 桥臂电抗器散热表面平均温度对比表

对于目标下送上回的气流组织形式而言，存在不少值得进一步研究的内容，例如送风速度、送风量、有利于强化电抗器冷却的辅助构建等。相关工作目前正在进行中，作者将在之后的论文中给予报告。

4 结论

利用数值计算软件模拟户内直流场空调系统采用三种形式气流组织的流场与温度场，通过分析流场与温度场特性，采用发热面平均温度定量比较它们对电抗器的冷却效果，得到以下主要结论。

1）桥臂电抗器的冷却效果取决于其所在区域，尤其是发热表面附近的空气流动速度与空气温度，速度越高、温度越低越有利于设备的散热。

2）高大空间的户内直流场内，送风射流的速度与温度均存在明显的衰减，从上向下的送风比从下向上的送风衰减更快。在直流场空间的下部区域形成冷空气湖有利于电抗器的冷却。

3）相同的送风量与送风温度下，目标送风方式的冷却效果最优，下送上回略优于上送下回。