采用CFD與數值風洞模型解決電氣柜散熱問題

龔念群

摘 要：過熱是一切電氣設備安全運行的主要風險。通過研究電氣柜體流體力學條件，在制造前后對其散熱情況進行模擬與評估，在事故發生前進行判斷，并及時采取必要措施干預，從而有效降低過熱事故的發生。

關鍵詞：熱模擬;計算流體力學;電氣柜;散熱

引言：

計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，縮寫通常為CFD）是流體力學的一個重要分支，即通過使用數值分析與模型算法來解決和分析設計流體流動的相關問題，并使用計算機來執行模擬流體自由流動所需的計算，以及流體（包括液體與氣體）與邊界條件限定的表面之間的相互作用。計算流體力學模擬在極大程度上替代了傳統上耗資巨大的流體動力學試驗設備以及復雜的傳感器組，在科學研究以及工程技術中產生了巨大影響。

1 計算流體力學（CFD）概述

在以往，工程師優化設計的唯一途徑就是對終端產品的原型進行實際的物理測試，過程極其繁瑣，且費時費力，即使如此，對產品的物理測試也具有相當的片面性。然而技術的興起與不斷增長的計算機計算性能，計算流體力學（CFD）成為了空氣動力學領域的常用工具，它可以使用軟件分析包含固體相互作用的流體解決方案，并根據其物理性質（例如速度，溫度，壓力，密度與粘度等）檢查流體流動。為實際產生的與流體流動有關的物理現象提供解決方案。

2 電氣柜體流場分析與計算

2.1 一號機組變頻器電氣柜分析

一號機組MGGH變頻器柜體在2017年安裝后，經常發出過熱報警，僅僅勉強運行了3個月，于11月因過熱導致停機，柜內散熱器件工作正常。對一號機組MGGH變頻器柜進行流場分析如下：

現有柜體為全密封，單側循環散熱模式，與柜體頂端，下部分別安裝一臺100 CFM流量風扇，由下側進風，上部排風，未使用其他散熱方式。柜內熱負荷約3050W，位于柜體中部，向上方排風，對一號機組變頻電氣柜進行理論運算與模型建模，并對主要流體數據進行設置，得到初始模型。

由于制造方未能提供柜體計算資料，大唐寶雞熱電廠對變頻柜換熱條件進行重新計算。

該柜體為不銹鋼316L，典型熱傳導16.2W/（m?·k），附近無強對流，故空氣為靜止狀態，熱傳遞系數取16.2 W/（m?·k）. 柜體為2200mmX800mmX600mm，底部進線帶支撐腳，故為六面全散熱，總計為6.56平方米，在35度環境溫度下溫度差為5k。

代入公式Pv=k·S`Δt=16.2x6.56x5=531.36W

綜上柜體本體極限散熱量為531.36W，遠小于原件發熱量3050W，且柜體為滿足防護等級需要密封，故需要添加風機組進行強制通風冷卻。且由于安裝問題，實際強換熱面并非柜體全部散熱面積，由于風道以及熱空氣上升等原因，實際靜態換熱量不足為全柜體換熱量的35%。

強制通風冷卻公式為：Pv=1200·V·Δt;將原數據代入算得;3100-531=1200*V*10（夏季）;則夏季室溫30攝氏度所需通風量V=0.214立方米每秒=456CFM;故柜體內外最低換熱量不應小于500CFM。

同時當柜體排風量小于變頻器換熱模組排風量時，將導致熱風無法及時排出柜體外，引起熱風循環，熱風循環會加熱對換熱模組冷卻入口介質，從而惡化換熱引起惡性循環，導致過熱事故。

實際運行中柜體進、出風機運行正常，但由于其流量嚴重不足，從而導致變頻器運行時，變頻器主風機出力受限。原因為變頻器主風機運行時，柜體下部風機安裝位置過高，導致一部分空氣未進入變頻器主風機下方形成的低壓區，且由于柜體下部風機流量嚴重不足，導致變頻器下方形成過大低壓區，降低了變頻器主風機效率。又由于變頻器上部風機安裝位置過低，導致由上部排風機形成的低壓區未能與頻器主風機形成的高壓區配合，形成積壓，增大了變頻器主風機出口氣壓，進一步降低了變頻器主風機效率。并由于柜體下部風機安裝位置靠上，上部排風機安裝位置靠下，導致在變頻器側面形成了有效通路，使冷卻空氣由變頻器側面低阻力區排出，進一步降低了柜體有效空氣交換流量。又由于柜體下部及上部風機流量遠小于變頻器主風機流量，從而導致變頻器柜體出現內循環，頂部由變頻器主風機吹出的攜帶熱量的熱空氣無法有效排出，被下方變頻器主風機入口形成的低壓吸引，重新進入冷卻循環，升高了變頻器主風機入口空氣溫度，進一步降低了換熱效率。（圖3.1.1）

由于現場實際安裝變頻器柜風量僅為100CFM，遠小于變頻器本體風扇所需最小流量，險些造成氟塑料管熔毀事故。

由CFD溫度模擬曲線可知，改造前柜體由于散熱風量不足 ，產生的熱量無法及時帶出柜外，熱平衡后最高溫度為73.1度。改造后的CFD模擬顯示，由于優化了風道與增加總通風量至散熱閾值以上，設備溫度大幅度降低，最高僅28度，溫度理論降低45度之多。（由于變量環境因素CFD計算理論上與實際存在10%左右誤差）

3 總結

通過對電氣柜體實施采用CFD與數值風洞模型建模計算，對其中出現的問題及時提出優化技術改造，不僅降低了維護和檢修費用，還節省了返工工期以及相應的經濟損失，而且降低了設備故障率，大大提高了設備的運行可靠性，為機組安全穩定運行提供了堅強保障，可以大幅降低設備故障率，提高設備運行可靠性，使電廠經濟效益和安全性能大大提升。

參考文獻：

[1] 大唐寶雞熱電廠內部SIS系統#1、2機組數據統計

[2] ABB手冊

[3] 基于逆向工程與CFD的礦井主扇風機流場分析及仿真研究_楊杰，2009.9

[4] Milne-Thomson， L.M. （1973）. （空氣動力學理論）Theoretical Aerodynamics. Physics of Fluids A. 5. Dover Publications. p. 1023. ISBN 978-0-486-61980-4.

[5] Patankar， Suhas V. （1980）. （流體流動與數值傳熱）Numerical Heat Transfer and Fluid FLow. Hemisphere Publishing Corporation. ISBN 978-0891165224.

（大唐陜西發電公司寶雞熱電廠，陜西 寶雞 721004）