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      油浸式電力變壓器系統(tǒng)的數(shù)值優(yōu)化

      2014-06-07 10:03:44邵志偉黃亞繼劉明濤
      關(guān)鍵詞:油浸進(jìn)風(fēng)口熱效率

      邵志偉,黃亞繼,劉明濤

      (1.東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210096;2.江蘇省電力設(shè)計(jì)院,江蘇 南京 211102)

      油浸式電力變壓器系統(tǒng)的數(shù)值優(yōu)化

      邵志偉1,黃亞繼1,劉明濤2

      (1.東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210096;2.江蘇省電力設(shè)計(jì)院,江蘇 南京 211102)

      為了改善油浸式變壓器通風(fēng)系統(tǒng)的散熱效果,按照正交試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)工況,利用計(jì)算流體力學(xué)方法,對(duì)油浸式變壓器系統(tǒng)中散熱器室通風(fēng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)改變影響散熱的參數(shù),分析了各參數(shù)對(duì)散熱效果的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:機(jī)械進(jìn)風(fēng)口寬度對(duì)散熱效果的影響最為顯著,機(jī)械進(jìn)風(fēng)口位置和機(jī)械通風(fēng)速率的影響次之,自然通風(fēng)速率的影響最小,并在此基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化參數(shù)組合方式。

      油浸式電力變壓器;數(shù)值優(yōu)化;正交試驗(yàn)

      0 引言

      隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,高電壓、大容量的變電站深入市區(qū),但根據(jù)《城市電力網(wǎng)設(shè)計(jì)導(dǎo)則》要求,變電站的建設(shè)必須與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào),因此,不得不將變電站轉(zhuǎn)移至戶內(nèi)甚至地下。油浸式電力變壓器具有承受負(fù)載大、噪音小和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),在電力系統(tǒng)中得到了廣泛使用。油浸式變壓器的冷卻主要是通過(guò)片式散熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)的,油泵將變壓器上部高溫油送入散熱器內(nèi),再由翅片將熱量傳到空氣中通過(guò)自然對(duì)流散失[1-5]。

      散熱器表面熱點(diǎn)溫度和散熱效率是評(píng)價(jià)油浸式變壓器通風(fēng)系統(tǒng)散熱效果優(yōu)劣的兩個(gè)重要指標(biāo),受自然通風(fēng)速率、機(jī)械通風(fēng)速率、機(jī)械進(jìn)風(fēng)口寬度與機(jī)械進(jìn)風(fēng)口位置因素的影響,但近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域的研究鮮見報(bào)道[6]。為了獲得上述影響因素之間的關(guān)系,本文提出了一種油浸式變壓器混合通風(fēng)的優(yōu)化方法,首先,采用Fluent軟件對(duì)散熱器通風(fēng)的多個(gè)工況進(jìn)行了數(shù)值模擬;然后在正交試驗(yàn)思想指導(dǎo)下,通過(guò)改變各影響因素進(jìn)行多工況模擬,分析了各因素對(duì)散熱器溫度降低的影響,并提出優(yōu)化的參數(shù)組合方式[7-8]。

      1 散熱器數(shù)值模擬

      1.1 幾何模型

      圖1為油浸式變壓器通風(fēng)系統(tǒng)示意圖。由圖1可知:散熱器和變壓器分體布置在相鄰房間內(nèi),變壓器室和散熱器室由變壓器室通風(fēng)口連通。油浸式電力變壓器通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),冷風(fēng)通過(guò)變壓器室自然進(jìn)風(fēng)口和散熱器室自然進(jìn)風(fēng)口分別進(jìn)入變壓器室和散熱器室,最終由散熱器室排風(fēng)口排出。本文重點(diǎn)研究油浸式電力變壓器通風(fēng)系統(tǒng)中散熱器室自然通風(fēng)速率、機(jī)械通風(fēng)速率、機(jī)械通風(fēng)口位置、機(jī)械通風(fēng)口寬度對(duì)散熱效果的影響規(guī)律,首先通過(guò)Gambit建立數(shù)學(xué)模型,再利用Fluent進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,最后在正交思想指導(dǎo)下研究各因素之間的影響關(guān)系,并得到最佳參數(shù)組合。油浸式通風(fēng)系統(tǒng)各參數(shù)見表1。

      圖1 油浸式變壓器通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

      變電站實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,空氣在散熱器內(nèi)部通道中的流動(dòng)是三維、非定常、可壓縮黏性流體的流動(dòng)過(guò)程。但由于計(jì)算機(jī)內(nèi)存限制和計(jì)算時(shí)間合理性等問題,完全模擬散熱器內(nèi)部的流場(chǎng)是十分困難的,在一定誤差允許范圍內(nèi)可對(duì)模型作適當(dāng)簡(jiǎn)化[9]。

      表1 油浸式變壓器通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)

      1.2 控制方程

      1.2.1 質(zhì)量守恒方程

      式中,ρ為密度;t為時(shí)間;V為速度矢量;源項(xiàng)Sm為加入到連續(xù)相的質(zhì)量。

      1.2.2 動(dòng)量守恒方程

      式中,p為流體微元體上的靜壓力;V為速度矢量;g和F分別為作用在微元體上的重力體積力和其他外部體積力;τ為因分子黏性作用而產(chǎn)生的在微元體表面上的黏性應(yīng)力張量。

      1.2.3 能量守恒方程

      式中,E為流體微團(tuán)的總能;Jj為組分j的擴(kuò)散通量;方程右邊前3項(xiàng)分別為由于導(dǎo)熱、組分?jǐn)U散和黏性耗散所引起的能量傳遞;Sh為熱源項(xiàng)。

      1.2.4 k-ε方程

      k湍流動(dòng)能輸運(yùn)方程:

      ε湍流動(dòng)能輸運(yùn)方程:

      式中,常數(shù)值c1=1.44;c2=1.92;cμ=0.09;σk=1.0;σε=1.3。

      1.2.5 Navier-Stokes方程

      選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε方程求解湍流對(duì)流換熱問題時(shí),控制方程滿足質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程、N-S方程[10]。

      1.3 計(jì)算條件及網(wǎng)格劃分

      采用Fluent6.3.26商用軟件作為計(jì)算平臺(tái),用Gambit軟件生成網(wǎng)格,對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域采用分塊劃分、局部加密的原則進(jìn)行劃分,網(wǎng)格為四面體非結(jié)構(gòu)化布置,以保證計(jì)算精度,散熱器附近區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.05 mm,數(shù)目約為2.3×106,散熱器以外區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.15 mm,數(shù)目約為2.1×106。介質(zhì)采用密度為1.2×103kg/m3、運(yùn)動(dòng)黏度為1.84×106Pa·s的空氣。散熱器通道間氣流場(chǎng)采用SIMPLE算法計(jì)算,入口截面速度均勻分布,出口類型采用Outflow,壁面無(wú)滑移絕熱[11]。

      1.4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

      散熱器室通風(fēng)散熱與自然通風(fēng)速率、機(jī)械通風(fēng)速率、機(jī)械進(jìn)風(fēng)口寬度和機(jī)械進(jìn)風(fēng)口位置參數(shù)密切相關(guān)。為了更加全面地研究3種不同水平下所有因素的影響特性,采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)原理科學(xué)合理的安排試驗(yàn),并按一定規(guī)律分析處理試驗(yàn)結(jié)果,從而能較快判斷諸多因素中何種因素是主要因素,以及判斷影響因素之間的相互影響情況,是分析因素設(shè)計(jì)的一種快速、高效、經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[12]。本文按照“四因素三水平”正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),采用正交表L9(34)安排,共需9次CFD數(shù)值模擬試驗(yàn),試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表2所示,不考慮各因素之間的交互作用。其中,A表示自然通風(fēng)速率v,m/s;B表示機(jī)械通風(fēng)速率V,m/s;C表示機(jī)械進(jìn)風(fēng)口距離d,mm;D表示機(jī)械進(jìn)風(fēng)口寬度S,mm。

      表2 模型變量與試驗(yàn)工況

      2 模擬計(jì)算結(jié)果與分析

      本文建立的油浸式變壓器通風(fēng)系統(tǒng)特性模型,不僅考慮了機(jī)械進(jìn)風(fēng)口寬度和位置影響,還考慮機(jī)械通風(fēng)速率和自然通風(fēng)速率因素的影響,下文著重分析不同因素對(duì)散熱器散熱特性的影響規(guī)律。散熱效率E指排出室內(nèi)熱量的快慢程度,E越大表明散熱效果越好[13]。

      定義

      式中,Tp為平均排風(fēng)溫度;Tn為人員活動(dòng)區(qū)平均溫度;T0為進(jìn)風(fēng)溫度。

      2.1 各參數(shù)對(duì)溫度變化的影響

      圖2給出了V=1.0 m/s,d=200 mm,S=400 mm不變時(shí),各截面最高溫度隨自然通風(fēng)速率的變化關(guān)系。由圖2分析可知:隨著距離進(jìn)風(fēng)口越來(lái)越遠(yuǎn),散熱器溫度呈升高趨勢(shì),不同自然通風(fēng)速率下變化趨勢(shì)基本一致,其中自然通風(fēng)速率v=0.4 m/s時(shí),散熱器整體溫度較低,不超過(guò)55℃。主要原因?yàn)椋壕嚯x進(jìn)風(fēng)口越遠(yuǎn),氣流在散熱器內(nèi)部的擾動(dòng)變得越弱,空氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)變小,導(dǎo)致散熱效果變差,溫度升高;自然通風(fēng)速率增大,導(dǎo)致外部更多新風(fēng)進(jìn)入,減小空氣齡,換氣次數(shù)增加,散熱器處在更多新風(fēng)的包裹中,因此較大的自然通風(fēng)速率有利于散熱器散熱,但影響效果有限。

      圖3給出了v=0.4 m/s,d=300 mm,S=400 mm不變時(shí),各截面最高溫度隨機(jī)械通風(fēng)速率的變化關(guān)系。由圖3可以得到:機(jī)械進(jìn)風(fēng)速率在1.0~2.0 m/s變化時(shí),同一截面散熱器溫度均有大幅下降,溫度維持在33~47℃。分析其原因是:在散熱器下方加強(qiáng)機(jī)械通風(fēng),速度的提高造成對(duì)散熱片的沖刷加強(qiáng),破壞表面的熱邊界層,導(dǎo)致空氣在散熱器通道內(nèi)擾動(dòng)增強(qiáng),提高局部換熱系數(shù),造成散熱器整體溫度呈下降趨勢(shì)。

      圖2 不同自然通風(fēng)速率下的溫度分布

      圖3 不同機(jī)械通風(fēng)速率下的溫度分布

      圖4給出了v=0.3 m/s,V=1.0 m/s,S=400 mm不變時(shí),各截面最高溫度隨機(jī)械通風(fēng)口位置的變化關(guān)系。由圖4可以得到:機(jī)械進(jìn)風(fēng)口距散熱器底部d=200 mm變化到d=400 mm時(shí),同一截面散熱器溫度均有所下降,溫度維持在35~52℃。其原因可能是:機(jī)械進(jìn)風(fēng)口距離散熱器越遠(yuǎn),射流流程增加,會(huì)卷吸更多冷空氣進(jìn)入散熱器內(nèi)部,在散熱器下方周圍形成負(fù)壓區(qū),摻混更多的冷空氣形成漩渦,破壞散熱片表面熱邊界層,導(dǎo)致熱阻減小,造成散熱器整體溫度呈下降趨勢(shì)。

      圖5給出了v=0.3 m/s,V=1.0 m/s,d=400 mm不變時(shí),各截面最高溫度隨機(jī)械通風(fēng)口寬度的變化關(guān)系。由圖5可以得到:機(jī)械進(jìn)風(fēng)口距散熱器底部S=400 mm變化到S=800 mm時(shí),同一截面散熱器溫度下降較為明顯,溫度維持在33~50℃。其主要原因是:隨著機(jī)械進(jìn)風(fēng)口寬度S增大,一方面,單位時(shí)間內(nèi)的機(jī)械通風(fēng)量增加,氣流循環(huán)加快,熱空氣能較快排出;另一方面,機(jī)械進(jìn)風(fēng)口的吹掃面積也會(huì)相應(yīng)增大,強(qiáng)制對(duì)流換熱的接觸面積變大,對(duì)流換熱能力加強(qiáng),導(dǎo)致散熱器整體溫度呈降低趨勢(shì)[14-17]。

      圖4 不同機(jī)械進(jìn)風(fēng)口位置下的溫度分布

      圖5 不同機(jī)械進(jìn)風(fēng)口寬度下的溫度分布

      2.2 各參數(shù)對(duì)散熱效率的影響

      針對(duì)V=1.0 m/s,d=200 mm,S=400 mm不變工況條件下,可得到E隨v的變化關(guān)系:隨著自然通風(fēng)速率從0.2 m/s增加至0.5 m/s時(shí),相應(yīng)的排熱效率由1.37增大至1.95,排熱效率基本呈上升趨勢(shì),自然通風(fēng)速率較小或較大時(shí),散熱效率變化均趨于平緩。原因是散熱器室內(nèi)氣流的空氣齡大小與自然通風(fēng)速率密切相關(guān),自然通風(fēng)速率在0.2~0.3 m/s變化時(shí),對(duì)排熱效率的影響不大;自然通風(fēng)速率大于0.4 m/s時(shí),受限于散熱器其他參數(shù)影響,排熱效率增幅趨于平緩。

      針對(duì)v=0.4 m/s,d=300 mm,S=400 mm不變工況下,可得到E隨V的變化關(guān)系:隨著機(jī)械通風(fēng)速率從1.0 m/s增加至2.5 m/s時(shí),相應(yīng)的排熱效率由1.39增大至2.09,排熱效率增大的趨勢(shì)較為明顯。分析認(rèn)為:機(jī)械通風(fēng)速率越大,一方面可以增強(qiáng)散熱器表面的氣流擾動(dòng),減小空氣側(cè)熱阻,增大表面換熱系數(shù);另一方面,可促使散熱器內(nèi)熱氣流快速排出,氣流循環(huán)能力增強(qiáng),從而造成散熱器室排熱效率呈增大趨勢(shì)。

      針對(duì)v=0.3 m/s,V=1.0 m/s,S=400 mm不變情況下,可得到E隨d的變化關(guān)系:隨著機(jī)械通風(fēng)口距離散熱器越遠(yuǎn),距離從200 mm增大至500 mm時(shí),排熱效率呈上升趨勢(shì),從1.43增加至1.84,但增幅趨于平緩。這是由于機(jī)械通風(fēng)口離的越遠(yuǎn),氣體射流可卷吸周圍更多的冷空氣進(jìn)行動(dòng)量交換,使氣流均勻地流過(guò)散熱器,防止散熱器內(nèi)溫度不均勻現(xiàn)象出現(xiàn),提高排熱效率。但當(dāng)d>400 mm后,射流流動(dòng)過(guò)程中動(dòng)量損失也相應(yīng)增加,造成排熱效率趨于不變。

      針對(duì)v=0.3 m/s,V=1.0 m/s,d=400 mm不變條件下,可得到E隨S的變化關(guān)系:隨著機(jī)械進(jìn)風(fēng)口寬度的增大,從400 mm逐漸增大至100 mm時(shí),排熱效率也相應(yīng)增大,從1.78增大至3.74,近似呈線性關(guān)系。主要是因?yàn)椋浩渌麉?shù)條件一定時(shí),機(jī)械進(jìn)風(fēng)口寬度增加,對(duì)散熱器的吹掃面積也相應(yīng)增加,大大提高了強(qiáng)化對(duì)流換熱的有效面積,大大提高了對(duì)流換熱能力,因此造成排熱效率大幅增加。相對(duì)另外3個(gè)影響因素而言,由于此時(shí)機(jī)械進(jìn)風(fēng)口的影響占主導(dǎo)地位,排熱效率與機(jī)械進(jìn)風(fēng)口寬度近似呈線性關(guān)系[18-20]。

      3 參數(shù)的優(yōu)化分析

      極差分析法簡(jiǎn)稱R法,它具有計(jì)算簡(jiǎn)單、直觀形象、簡(jiǎn)單易懂等優(yōu)點(diǎn),是正交試驗(yàn)結(jié)果分析最常用的方法,包括計(jì)算和判斷兩個(gè)步驟。

      其中,Kjm為第j列因素m水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)和為Kjm的平均值,由的大小可以判斷j因素的優(yōu)水平和各因素的優(yōu)水平組合,即最優(yōu)組合;Rj為第j列因素的極差,反映了第j列因素水平波動(dòng)時(shí),試驗(yàn)指標(biāo)的變動(dòng)幅度。Rj越大,說(shuō)明該因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大。Rj為第j列因素的極差,即j列因素各水平下的指標(biāo)值的最大值與最小值之差,根據(jù)Rj大小,可以判斷因素的主次順序[11]。

      表3為排熱效率的極差分析,由表3可看出:機(jī)械進(jìn)風(fēng)口寬度是影響油浸式變壓器通風(fēng)系統(tǒng)散熱的最重要因素,機(jī)械進(jìn)風(fēng)口距離和機(jī)械通風(fēng)速率次之,自然通風(fēng)速率的影響程度最??;優(yōu)化組合為:自然通風(fēng)速率0.4 m/s,機(jī)械通風(fēng)速率2.0 m/s,機(jī)械進(jìn)風(fēng)口距離d=400 mm,機(jī)械進(jìn)風(fēng)口寬度S=800 mm。

      表3 排熱效率的極差分析

      4 結(jié)論

      (1)針對(duì)散熱器散熱特性影響因素水平多

      的情況,使用正交試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)模擬工況,科學(xué)安排模擬次數(shù),可大大簡(jiǎn)化工作量。數(shù)值模擬結(jié)果表明:機(jī)械進(jìn)風(fēng)口寬度、機(jī)械通風(fēng)速率、機(jī)械進(jìn)風(fēng)口位置和自然通風(fēng)速率對(duì)散熱器通風(fēng)散熱均有影響,但影響程度不同。

      (2)根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析,機(jī)械進(jìn)風(fēng)口寬度是影響油浸式變壓器通風(fēng)系統(tǒng)散熱的最重要因素,機(jī)械進(jìn)風(fēng)口距離和機(jī)械通風(fēng)速率次之,自然通風(fēng)速率的影響程度最小,因此,選擇合理的機(jī)械進(jìn)風(fēng)口結(jié)構(gòu)參數(shù)是優(yōu)化散熱通風(fēng)工作的關(guān)鍵。

      (3)根據(jù)實(shí)際自然通風(fēng)速率,合理選擇和設(shè)計(jì)機(jī)械通風(fēng)速率等其他參數(shù),可以實(shí)現(xiàn)在總能耗降低的條件下達(dá)到更加理想的通風(fēng)散熱效果。

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      TK172

      A

      1672-6871(2014)04-0038-05

      國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51006023)

      邵志偉(1987-),男,安徽阜陽(yáng)人,碩士生;黃亞繼(1975-),男,江蘇南京人,教授,博士,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)樽冸娬就L(fēng)優(yōu)化.

      2013-12-13

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