空氣冷卻器在高原環境中的設計和應用*

王 愛

(北京中清智輝能源科技有限公司，北京 100120)

0 引 言

隨著FACTS技術和直流輸電技術應用的日益廣泛，純水冷卻技術做為目前大功率電力電子裝置最為有效的散熱方式之一，其高效的冷卻效率、體積小、安全可靠等優點在國際上也得到了越來越廣泛的應用[1]。空氣冷卻器是利用空氣作為冷卻介質實現熱量交換，從而達到降低水溫的目的。空氣冷卻器以節約水源、無污染和維護成本低等優點，是純水冷卻系統散熱終端的首選，已廣泛應用在平原地區電力電子裝置冷卻系統中，其性能設計成了保證電力電子裝置安全穩定運行的重要環節。隨著我國高海拔地區輸配電項目的實施，高海拔地區大氣壓力、密度、濕度大大降低，而空氣冷卻器的散熱性能和這些因素密切相關，亟需開展高海拔地區空氣冷卻器的設計應用研究。筆者以西藏曲哥220 kV變電站靜止無功補償裝置晶閘管閥純水冷卻系統的空氣冷卻器為例，介紹了空氣冷卻器在高原地區的設計經驗，為純水冷卻系統在其他高海拔地區的工程應用提供借鑒經驗。

1 純水冷卻系統簡介

純水冷卻系統主要由水機本體、被冷卻電力電子裝置、熱交換器用匹配的管路系統連接而成，如圖1所示。

圖1 純水冷卻系統1.電力電子裝置 2.水機本體 3.冷卻管路 4.空氣冷卻器

水機本體的主要功能：①為整個循環系統提供穩定的流量和壓力；②對冷卻介質不斷的純化和過濾[2]；③對冷卻介質的流量、電導率、溫度、壓力等參數的測量。熱交換器負責對從電力電子裝置流出的高溫冷卻水進行降溫，主要有空氣冷卻器、板式換熱器、冷卻塔等。

2 空氣冷卻器的設計目標及參數確定

2.1 環境參數篩選

依據項目技術協議書，對使用環境條件參數篩選如表1所列，作為計算依據。

表1 環境參數

2.2 技術參數要求

依據晶閘管閥對水冷系統的技術要求，確定空氣冷卻器設計參數如表2所列，作為計算依據。

表2 技術參數

2.3 管內乙二醇水溶液的物理參數

由于環境最低溫度為-16 ℃，為防止低溫運行水路凍結，管內介質需添加30%乙二醇，查取相關資料，取50 ℃時30%乙二醇水溶液性質如表3所列。

表3 乙二醇水溶液物性參數

2.4 管外空氣的物理參數

由于空氣冷卻器應用在海拔高度3 700 m的西藏地區，取40 ℃時的空氣物性參數如表4所列。

表4 空氣物性參數

3 空氣冷卻器設計計算

3.1 空氣冷卻器結構參數確定

翅片管采用抗腐蝕型雙金屬軋片管，基管為不銹鋼304，翅片為純鋁，每米翅片管的翅片數為433片，結構參數如圖2所示。翅片管排列采用正三角叉形排列，管距為50 mm，每排30根，共4排，前、后集水箱的設計使每20根翅片管先并聯后串聯，共6個管程。翅片管最底層設角鋼支撐，翅片管與翅片管之間設鋁波紋片支撐，集水箱上設計有排水閥和排氣閥。

冷卻器采用臥式水平結構，整體外表面采用熱鍍鋅處理。設翅片管的翅片效率為0.9，經計算翅片管的外表面積為1.1 m2/m，則有效面積為1.0 m2/m。

圖2 翅片管結構參數

3.2 空氣冷卻器管束參數計算[3-4]

(1)管內換熱系數的計算：

(1)

式中：d為基管內徑，m；u為管內乙二醇水溶液平均流速，m/s；v為乙二醇水溶液在50 ℃的運動粘度，m2/s。

經計算Re=19 883

努謝爾特數Nu=0.023Re0.8Pr1/3

(2)

經計算Nu=119

(3)

式中：λ為乙二醇水溶液在50 ℃時的導熱系數,W/mK。

經計算hi=3 570 W/m2k

(2)管外換熱系數的計算：

(4)

式中：λa為空氣在40 ℃的導熱系數，W/mK；Gmax為最窄截面空氣質量流速，kg/m2s；dr,l,s為翅根直徑，翅片高度，翅片凈間距，m；μa為動力粘度，Pa·s。

當風速取4 m/s時，Gmax=6.81 kg/m2s。

經計算hf=57 W/m2K。

(3)污垢熱阻 水側污垢熱阻ri和空氣側污垢熱阻rn均取經驗值0.000 172 m2k/W。

(4)間隙熱阻rj由于管內乙二醇水溶液溫度<100 ℃，間隙熱阻忽略不計。

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

(6)翅根管壁熱阻rg對于雙金屬軋片管這部分壁厚很薄，熱阻計算中忽略不計。

(7)翅片熱阻rf低翅片管翅片熱阻取經驗值為rf=0.000 154 8 m2k/W。

(8)以翅片管外表面積為基準，翅片管總傳熱系數的計算：

(5)

式中：Ai為基管單位長度上的內表面積，m2；AΣ為基管單位長度上的翅片外表面積，m2；經計算k=36.6 W/m2k。

(9)傳熱平均溫差 估算空氣出口溫度：

(6)

式中：t1為空氣進口溫度，取30 ℃；T1為水側進口溫度，℃；T2為水側出口溫度，取40 ℃；K為以光管外表面積為基準的總傳熱系數，W/m2k；Ft為溫升校正系數，查表取0.92。

經計算t2=37 ℃。

求對數平均溫差：

(7)

求得對數平均溫差為10 ℃。

溫差修正系數Ft′:

溫度效率P=(t2-t1)/(T1-t1)

(8)

經計算P=0.438。

溫度相關因素R=(T1-T2)/(t2-t1)

(9)

經計算R=0.86。

查平行交叉流三管程以上的修正系數Ft′=0.95，則有效平均溫差ΔT=9.5。

(10)空氣冷卻器總的傳熱面積 根據傳熱基本方程，求得以翅片管外表面積為基準的總的傳熱面積為288 m2。考慮到高原空氣物理參數選取和工程經驗公式有偏差以及系統需要備用一臺風機的情況下，實際翅片管總的傳熱面積為480 m2。

3.3 空氣冷卻器風機參數計算

(1)空氣冷卻器所需風量的計算：

(10)

式中：Q為空氣冷卻器的換熱量，kW。

經計算VΣ=62 406 m3/h。

(2)空氣側阻力計算 空氣側阻力系數計算：

(11)

式中：s1為管束橫向管間距，m；s2為管束斜向管間距，m。

經計算f=1.017

空氣阻力計算：

(12)

式中：NB為空氣冷卻器的管排數。

經計算ΔP=115 Pa

(3)風筒動壓頭計算：

(13)

式中：V為風機的體積流量，m3/h；D為風機的風筒直徑，m。

經計算ΔPD=55 Pa。

(4)風機所需全風壓為170 Pa

(5)風機參數確定:采用戶外變壓器專用低噪音軸流風機，轉速960 r/min，風機風量不小于21 000 m3/h，風壓不小于170 Pa，噪音小于76 dB，防護等級IP55，所有結構件采用整體熱鍍鋅處理，緊固件及電動機軸采用不銹鋼材料。風機采用引風式布置。

由于電機在高海拔環境下散熱性能降低，溫升將會相應提高，直接影響電機的輸出功率，即電機的帶載能力下降。電機絕緣距離及材料性能隨著海拔高度的增加也會降低。風機在平原地區時一般選用2.2 kW電機，現項目所在地海拔高度為3 700 m，電機功率按0.75系數降容選用，項目采用3 kW高原型電機。

設計好的空氣冷卻器外形結構圖如圖3所示。

圖3 空氣冷卻器外形結構圖

4 結 語

純水冷卻系統做為大功率電力電子裝置的重要組成部分，而空氣冷卻器做為冷卻系統的散熱終端，其設計和選型尤其重要。由于高原地區空氣密度、定壓比熱、導熱系數、動力粘度等的變化，導致其傳熱系數和所需的散熱風量和平原地區均有較大差異，這就需要設計比平原地區更大的散熱面積和配備更大風量的風機。空氣冷卻器經各種測試合格后在西藏電力公司曲哥220 kV變電站、乃瓊220 kV變電站均有應用，且已經過多年不同季節的連續運行，純水冷卻系統均未出現因冷卻水溫度過高或其他散熱故障而影響整套無功補償裝置的停運，運行狀況完全滿足預期效果。本次空氣冷卻器的散熱設計完全符合高原地區的應用要求，可做為其他高原地區應用設計的借鑒經驗。