適用于抽水蓄能機組的自冷熱管功率柜設(shè)計與應(yīng)用

劉麗麗，萬 泉，余 振

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇省南京市 211106）

0 引言

近年來，我國抽水蓄能電站建設(shè)快速發(fā)展，2016年抽水蓄能運行電站裝機容量達到2773萬kW，在建機組容量3095萬kW，我國已成為全球抽水蓄能電站裝機容量最大的國家，并且后續(xù)國內(nèi)將大規(guī)模推進抽水蓄能電站的建設(shè)。由于抽水蓄能機組啟停及工況轉(zhuǎn)換操作頻繁，使得風(fēng)機的啟停次數(shù)增加從而縮短使用壽命，增加了勵磁設(shè)備整體運營成本與風(fēng)機的維護工作。若勵磁功率柜內(nèi)部積塵多和濾網(wǎng)堵塞的問題，會造成功率柜整體絕緣性能降低及功率元器件溫度異常，嚴重時甚至導(dǎo)致可控硅損壞。此外，常規(guī)風(fēng)冷勵磁功率柜在運行中存在振動大、噪聲大、容易積灰等問題，柜內(nèi)元件需要經(jīng)常清掃，防塵濾網(wǎng)需要定期清潔，給現(xiàn)場檢修人員造成極大的維護工作量。本文擺脫傳統(tǒng)的設(shè)計手段，依托虛擬設(shè)計方法合理的配置選型，同時對結(jié)構(gòu)風(fēng)道深入優(yōu)化，充分挖掘熱管自冷功率柜的出力潛力，提高了抽水蓄能機組勵磁系統(tǒng)的安全可靠性。

1 熱管功率柜的關(guān)鍵技術(shù)

散熱器的熱阻由材料的導(dǎo)熱性和體積內(nèi)的有效面積決定。實體鋁或銅散熱器在體積達到0.006m3時，加大體積和面積也不能明顯減小熱阻。對于雙面散熱的分立半導(dǎo)體器件，風(fēng)冷的全銅或全鋁散熱器的熱阻只能達到0.04℃/W。而熱管散熱器可達到0.01℃/W。熱管是一種靠流體在一端蒸發(fā)，而在另一端冷凝來傳送熱量的獨立設(shè)備。由于熱管內(nèi)的縱向熱傳導(dǎo)是靠蒸汽來完成的，適當(dāng)?shù)膬?nèi)部結(jié)構(gòu)可提供足夠的蒸汽壓力，加之水的蒸發(fā)比熱很大，因此在傳輸很大的熱流時，兩端并不產(chǎn)生很大的溫降，在傳熱原理上與金屬的熱傳導(dǎo)有著本質(zhì)的不同。在某些應(yīng)用范圍內(nèi)熱管可以看成是一種最佳組合的工程結(jié)構(gòu)，熱管的導(dǎo)熱性極高，高達純銅導(dǎo)熱能力的上百倍，有“熱超導(dǎo)體”之美稱。熱管散熱器就是利用此種熱管的高導(dǎo)熱性能，將發(fā)熱器件的熱量通過熱管傳導(dǎo)到翅片上，達到大面積散熱的作用。熱管又分重力型熱管和環(huán)形熱管，其中，重力熱管散熱器采用銅管水平傾斜10°放置，在銅管上壓接散熱鋁翅片，純水作為傳熱介質(zhì)，在常壓下，其沸點為100℃左右，在負壓下，其沸點則在40℃左右[1，2]。

1.1 流體力學(xué)（CFD）仿真

傳統(tǒng)勵磁功率柜通常采用熱路法進行設(shè)計，器件熱阻與材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及換熱流量等因素呈非線性關(guān)系，同時風(fēng)阻的大小取決于功率柜的結(jié)構(gòu)布局，整柜散熱能力難以準確計算，需要通過試驗進行反復(fù)驗證。設(shè)計變更后需再次進行試驗檢測，導(dǎo)致試驗費用高、研發(fā)周期長，且部分試驗環(huán)境難以搭建。首次運用基于虛擬設(shè)計技術(shù)搭建了熱管自冷功率柜的物理模型，獲得功率柜內(nèi)熱場及流場分布情況，為結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化提供有力支撐。

仿真采用多面體網(wǎng)格，降低對幾何變形的敏感度，精確地反映了熱管的傳熱過程。在此基礎(chǔ)上綜合考慮各元器件材質(zhì)及空氣的物理特性，對熱管的導(dǎo)熱系數(shù)及器件接觸面的傳熱系數(shù)進行優(yōu)化，提高了建模精度。通過仿真可獲得整柜進出風(fēng)口空氣流量、熱傳遞及流體云圖等數(shù)據(jù)。在設(shè)計初始階段獲取整柜特性，為功率柜的元器件選型及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有力支撐，降低產(chǎn)品開發(fā)周期及成本。其流程圖見圖1，具體步驟如下：

圖1 搭建有限元熱分析模型流程圖Fig.1 The flow chart of finite element thermal analysis model

（1）利用計算機輔助設(shè)計軟件建立熱管散熱功率柜的幾何模型。

（2）將幾何模型導(dǎo)入到計算流體力學(xué)軟件，利用計算流體力學(xué)軟件對所述幾何模型進行網(wǎng)格剖分，建立熱管散熱功率柜的有限體積模型。

（3）建立熱管散熱功率柜的物理模型。

（4）設(shè)定邊界和初始條件。

（5）由計算流體力學(xué)軟件計算氣體流動和熱傳遞過程，包括各處氣體速度分布和溫度分布。

（6）達到熱平衡狀態(tài)時，讀取熱管散熱功率柜的溫度分布。

（7）讀取可控硅的結(jié)溫，進行結(jié)構(gòu)優(yōu)選[3]。

圖2為重力型熱管的熱場分布圖。圖3為整個熱管自冷散熱功率柜的熱場及流場分布圖。

圖2 重力型熱管熱場分布Fig.2 Thermal field distribution of gravity heat pipe

圖3 整柜流場熱場分布Fig.3 Thermal field and flow fiele distribution of cabinet

1.2 并行導(dǎo)流結(jié)構(gòu)設(shè)計

提出“自冷換熱模式發(fā)熱器件錯列布置”的模塊化設(shè)計理念，根據(jù)功能及發(fā)熱功耗將各模塊進行分層，實現(xiàn)發(fā)熱源上下側(cè)流體均勻分布，降低了整柜核心器件的溫升，提升了功率柜的使用壽命及出力能力。利用精確的流場及熱場分析手段，創(chuàng)建了具有煙囪效應(yīng)的風(fēng)道模型，解決了自然冷卻方式存在風(fēng)速低、換熱量小、流阻大、易發(fā)生湍流等問題。造成空氣加強對流的現(xiàn)象，提高了散熱效率，提升了核心器件的出力，圖4為并行導(dǎo)流結(jié)構(gòu)示意圖。

1.3 熱保護策略

圖4 并行導(dǎo)流結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The schematic diagram of parallel diversion structure

自冷方式、熱管散熱能力及功率柜體積等因素在一定程度上制約了功率柜的出力能力。當(dāng)發(fā)生環(huán)境溫度超出設(shè)備正常運行范圍、橋臂故障及散熱輔件失效等異常工況時，需提高熱管功率柜的散熱能力來保證功率柜及機組的正常運行。目前熱管功率柜熱保護策略中，熱保護條件判定單一，不能完全涵蓋功率柜的所有熱保護條件，僅依據(jù)功率柜柜內(nèi)溫度判定是否啟動備用風(fēng)機，這種判定條件片面，如果信號采集設(shè)備故障，可能導(dǎo)致熱保護策略失效，在某些需要熱保護的情況下不能有效地進行輔助散熱，導(dǎo)致元器件和裝置性能下降。因此，制定完備的熱管自冷功率柜的熱保護策略至關(guān)重要。

提出了熱管自冷功率柜熱保護策略，輯判定規(guī)則主要針對6種異常情況采取啟動備用風(fēng)機散熱保護措施：功率元件殼溫高、進出口溫差大、環(huán)境溫度高、柜內(nèi)溫度高、功率柜過流和快熔熔斷，其中快熔熔斷為不可恢復(fù)異常，其余情況為可恢復(fù)異常，6種情況存在冗余判定。當(dāng)上述6種情況至少有1種情況發(fā)生，啟動備用風(fēng)機進行散熱。當(dāng)備用風(fēng)機啟動散熱后，達到散熱效果后，5種可恢復(fù)異常情況消失后，備用風(fēng)機停止工作；針對不可恢復(fù)異常情況，如果達到散熱效果后，元件殼溫高、功率柜過流、柜內(nèi)溫度高3種可恢復(fù)異常消失后，備用風(fēng)機停止工作。熱保護信息全面，可以有效地在熱管功率柜6種異常情況下，采取熱保護措施，且異常條件中具有冗余判定，保證熱保護的可靠性，圖5為熱管功率柜熱保護策略邏輯圖。

圖5 熱管功率柜熱保護策略邏輯圖Fig.5 Logic diagram of heat protection strategy for heat pipe power cabinet

2 試驗

通過勵磁功率柜試驗平臺對基于虛擬設(shè)計開發(fā)的熱管自冷功率柜進行低壓大電流試驗，著重模擬了熱管自冷功率柜各負載狀態(tài)下試驗工況，并對虛擬設(shè)計結(jié)果進行驗證。

綜上所述，鼓勵和倡導(dǎo)案例教學(xué)法并不是對傳統(tǒng)課堂理論講授方法的全盤否定，更不是在所有課程的教學(xué)過程中都要進行案例教學(xué)，而是要將傳統(tǒng)的教學(xué)目標由講授好該門課程改變?yōu)樘岣邔W(xué)生分析與解決問題的能力。而這一變化首先是觀念上的轉(zhuǎn)變，將教師的角色轉(zhuǎn)換為“引導(dǎo)者”和“啟發(fā)者”，將學(xué)生的角色轉(zhuǎn)換為“積極參與者”，從而能夠充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，引導(dǎo)學(xué)生自主思考，使學(xué)生具備能夠利用所學(xué)知識與理論解決實際問題的能力，最終全面提高綜合應(yīng)用能力與創(chuàng)新精神。

2.1 額定出力能力

仿真結(jié)果：圖6為1600A時的仿真曲線，環(huán)境溫度27℃，最高結(jié)溫在1200s左右逐漸趨穩(wěn)在78.16℃，最高結(jié)溫溫升為51.16℃，折算到最高殼溫升為45.16℃。

圖6 1600A自冷工況下可控硅外殼溫升仿真曲線Fig.6 Simulation curve of temperature rise of thyristor shell under 1600A self-cooling condition

圖7為樣柜大電流試驗的可控硅殼溫升，環(huán)境溫度17.50℃，直流輸出1659A，可控硅最高殼溫升45.30℃。對比仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)，仿真誤差在2%以內(nèi)。

圖7 1659A自冷工況下可控硅外殼溫升試驗曲線Fig.7 Test curve of temperature rise of thyristor shell under 1659A self-cooling condition

2.2 風(fēng)冷狀態(tài)額定出力能力

圖8為開啟備用風(fēng)機狀態(tài)下可控硅殼溫升，環(huán)境溫度19.50℃，直流輸出3237A，可控硅最高殼溫升45.40℃。

圖8 3237A風(fēng)冷工況下可控硅外殼溫升曲線Fig.8 The temperature rise curve of thyristor shell under 3237A wind-cooling condition

2.3 強勵能力

圖9為強勵電流5200A出力1min時的殼溫升曲線，1600A額定出力熱穩(wěn)后進行強勵試驗，無風(fēng)強勵1min時最高殼溫升為60.71℃。

圖9 5200A工況1min強勵時可控硅外殼溫升曲線Fig.9 The temperature rise curve of thyristor shell under 5200A 1min forced excitation

3 抽水蓄能機組熱管功率柜配置

以300MW的抽水蓄能機組勵磁系統(tǒng)為例，機組額定勵磁電流為1800A，自冷熱管功率柜單柜出力為1600A。正常運行時熱管功率柜自冷運行，當(dāng)滿足熱保護條件時開啟備用風(fēng)機，開啟備用風(fēng)機后，自冷熱管功率柜單柜出力可達3200A。若配3個功率柜：

（2）N-2運行時，要求1.1倍額定勵磁電流長期運行，單柜輸出：

式中IfN——發(fā)電機額定勵磁電流，A；

K1——均流系數(shù)。

配置3個熱管功率柜，在N-1狀態(tài)下強勵及N-2狀態(tài)下1.1倍額定勵磁電流長期運行時，開啟備用風(fēng)機，滿足設(shè)計要求。目前，本文中相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)品已準備在回龍抽水蓄能機組勵磁系統(tǒng)上進行推廣應(yīng)用，目前勵磁系統(tǒng)已完成各項試驗運達現(xiàn)場[4，5]。

4 結(jié)束語

結(jié)果表明，流體力學(xué)（CFD）仿真與試驗結(jié)果對比，誤差在2%以內(nèi)，可以作為散熱設(shè)計的主要依據(jù)。保護策略能夠在各種異常狀態(tài)下投入備用風(fēng)機，提高功率柜的散熱能力以保證功率柜正常運行。隨著熱管散熱技術(shù)的發(fā)展與成熟，熱管散熱器具有良好的自冷散熱性能，在抽水蓄能機組勵磁設(shè)備中采用熱管自冷散熱技術(shù)，完全可以替代風(fēng)冷散熱方案，取消了大功率風(fēng)機，提升了設(shè)備運行的可靠性，一方面可以響應(yīng)國家節(jié)能減排的政策，另一方面也可以節(jié)約電廠的生產(chǎn)成本，提高電廠的運行效率，具有重要的推廣價值。