悬吊式换流阀水路均流设计研究_陈本乾.pdf

142023.09.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术悬吊式换流阀水路均流设计研究陈本乾 李 飞 窦琼珠 宋全刚 杜玉格 王 凯（许继电气股份有限公司）摘要：换流阀阀塔内每层流量均布对功率器件的散热和散热效率至关重要。首先，根据塔水路结构布局，通过三维仿真软件 Fluent 对阀塔内部主水管进行流量-压差曲线仿真计算，并对曲线进行拟合得相应的流量压差函数，根据阀塔水路整体系统要求及主水管流量压差函数求解阀层流量压差函数，按此流量-压差函数指导阀层单元结构设计。其次，通过一维流体系统仿真软件对阀塔每层水路进行均流特性验证分析。最后，通过搭建阀塔水路测试平台，对比分析仿真结果和测试结果，验证仿真分析方法的可行性与正确性。研究结果可以为后续换流阀水路均流设计提供一种设计参考。关键词：换流阀；流量均布；Fluent；流量-压降曲线；流量-压降函数0 引言随着国内外特高压直流输电工程建设增多，其对电网稳定性也愈发重要。换流阀作为直流输电工程的核心设备，对其稳定可靠运行的要求也越来越高。换流阀产品涉及电力电子、控制、绝缘与均压、局部放电水平的控制与抑制和冷却等多个领域的技术应用1-5。目前，国内对换流阀阀塔内部管道系统研究较少，更少有对各支路流量均布特性的研究。如雒雯霞等使用 Flowmaster 一维流体软件和于海波等利用 Fluent三维仿真软件分别对柔性直流换流阀和晶闸管换流阀阀塔内部的管道系统做了仿真研究，但并未就详细阐述设计细节或进一步做相关实际试验验证6-7。以许继电气有限公司研制的某悬吊式晶闸管换流阀为研究模型，将阀塔内部管路以阀层为分界点运用Fluent 软件对管道分段进行仿真计算，并得到阀层的流量-压降曲线及拟合函数，阀层的布局按照流量-压降特性要求设计。再使用一维流体系统仿真软件对阀塔内部管道和阀层建模并仿真运行，与实际试验数据对比分析，验证了该设计方法合理性，满足阀塔整体的均流要求。1 阀塔水路结构换流阀阀塔内部水路主要由进出主水管、层间电抗器连接水管、层间晶闸管组件水管、电抗器内部水管及晶闸管组件内部水管组成，不同容量的换流阀，其内部结构不同，此处换流阀共 8 层，分别为 L1L8，每层由 2 组晶闸管阀组件和电抗器串联后并联组成。换流阀冷却系统采用处理后的纯水作为冷却介质，从阀塔顶部主进水管通过自上而下逐层通过支管进入电抗器及水冷散热器内循环后，再汇入出水主管的过程，即完成换流阀内部循环，图 1为阀塔主水流向示意图。此阀塔运行条件如下：额定流量为 11.17L/s，整体压损 2.9bar，每层流量不均匀度 5%。2023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 142023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 142023/8/31 下午3:232023/8/31 下午3:23152023.09.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术图 1 阀塔主水管布局及流向示意图2 阀塔主水管流量-压降函数仿真计算（1）建模根据主水管结构，模型中充分考虑水管焊接结的影响，运用 Fluent 软件对水管进行仿真计算，对水管焊接结进行局部加密处理，主水管水管内部模型及网格模型如图 2 所示。（2）网格划分网 格 划 分 采 用 Fluent 自 带 的 Flunet Meshing工 具。边 界 层 划 分 采 用 Smooth-transition 边 界层划分方法，边界层网格层数设置为 5 层，网格质 量（评 判 标 准：Skewness）：0.75，网 格 数 量403753。（3）边界条件设置水管内部流体为完全湍流状态，湍流模型采用K-OMEGA-SST 模型。入口条件设置为速度入口，通过 11.17L/s 的散热器入口流量条件，出口条件设置为压力出口 0pa。考虑模块散热器自然对流状态，求解控制参数采用 Coupled 模型离散算法，初始化方法为 Hybrid Initialization。（4）Fluent 求解计算按照上述设置后对散热器流道模型进行流量-压损的计算，结合流道加工工艺，根据计算结果，调整流道的设计，仿真结果曲线与散热器已知流量-压降曲线重合时，即可得到理想设计流道。流量在120L/s 范围内对主水管进行仿真计算，顶部水管及层间水管流量压差计算结果通过幂函数的形式进行拟合，主水管流量-压降仿真曲线及拟合函数如图 3 所示。2023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 152023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 152023/8/31 下午3:232023/8/31 下午3:23162023.09.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术不确定系数。根据阀塔水路布局图，阀塔水路各层间流量关系，如下所示：根据式（5）可得各阀层间的压差关系如下所示：3 阀层单元流量-压降函数计算根据主水管拟合函数，求解出阀层流量压差函数，各部分函数如下。层间主水管流量-压差函数为：顶部主水管 1 流量-压差函数为：顶部主水管 2 流量-压差函数为：底部短接水管流量-压差函数为：阀层单元流量-压差函数为：式中，P 为压降，bar；Q 为流量，L/s；k 为（1）（6）（7）（2）（3）（4）（5）（b）顶部水管 1（b）顶部水管 1图 2 主水管网格模型图 3 主水管流量-压降仿真曲线及拟合函数（c）顶部水管 2（c）顶部水管 2（a）层间主水管（a）层间水管2023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 162023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 162023/8/31 下午3:232023/8/31 下午3:23172023.09.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术建立相应的流量压差曲线整体建模。设置对应的有截面面积、前端阻力系数和末端阻力系数等参数。4）对于由多个元件组成的流体系统，采用线性化方法来处理每个元件，解算器迭代求解系数矩阵，从而计算出各节点压力，然后根据元件的流阻特性以及流量守恒原理得到主路和支路的流量等参数，本文中流量源为进入阀塔的总流量，采用海澄威廉模型进行计算。4.2 阀塔管路系统建模为计算阀塔流量均匀性，待阀塔流量稳定后，采用超声波流量计对阀塔每层层间进水支管固定的测点进行流量测试。各层支路流量测试结果与仿真结果如下表所示。根据不均匀度公式：式（11）为不均匀度计算公式，其中：已知阀塔共 8 层，则：根据图 1 阀塔主水管布局可知，阀塔顶部主水管的流量等于各阀层流量之和；阀塔总压差等于主水管和各阀层单元压差之和。将式（1）式（5）和式（8）和式（10）代入式（6）和式（7），可求解得出：阀层单元流量-压差函数为：根据已知阀层的流量-压差函数对阀层内部管道、电抗器组件、散热器等采用相同的建模仿真方法求取散热器的流量-压差函数进行散热器的流道设计，以满足阀层的流量-压差曲线，进而满足阀塔的整体均流需求。关于阀层内部组成部分的流量-压差曲线计算过程不再赘述。4 阀塔管路系统建模与测试4.1 阀塔管路系统建模由于阀塔整体水路组成元件较多，计算量较大，因此不再采用 Fluent 仿真分析。而是采用一维流体系统仿真软件进行系统模拟，该软件中的元件模型主要基于流量-压力关系，只需输入能够反应元件流阻特性的数据就可对元件进行建模。1）模型搭建的配水管路采用软件中自带的不可压缩刚性圆柱管、弯头、渐变过渡接头、三通等元件模拟。2）模型搭建完毕后，根据实际管道、管件参数设置管段长度、直径、绝对摩擦系数等，每一节管路的长度及直径参考三维图中的长度数据。3）本仿真分析仅对各阀层均压进行研究，因此用软件系统内的阻力元件离散元件模拟阀层单元，并（8）（9）（10）（11）表 各阀层支路测试流量与仿真流量2023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 172023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 172023/8/31 下午3:232023/8/31 下午3:23182023.09.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术将测试数据与仿真数据带入式（11）和式（12）中，试验结果及仿真结阀层间不均匀度分别为 4.72%、4.44%和 4.49%，满足阀塔不均匀度设计要求。5 结束语利用 Fluent 软件对阀塔顶部水管及层间主水管建模并进行流量压差仿真分析，根据仿真曲线拟合得到相应的流量压差函数；根据阀塔总体流量均布要求，利用主水管的流量压差函数求得阀层单元的流量压差函数，根据此函数指导阀层单元的结构设计。使用一维流体系统仿真软件搭建阀塔系统仿真模型，分析计算出各阀层支路的流量分布，通过搭建阀塔水路测试平台，对比分析仿真结果和测试结果，验证了仿真分析方法的可行性与正确性，为换流阀水路均流设计提供一种设计方法。（12）参考文献1盛财旺，张娟娟，刘杰，等.特高压直流工程234567换流阀用晶闸管实际运行工况关断时间研究 J.电网技术，2022，46（8）：3076-3083.黄永瑞，范彩云，韩坤，等.直流输电系统逆阻型 IGCT 换流阀研究 J.电力电子技术，2022，56（4）：53-56.贺婷婷，高兵，杨帆.电-流-传质场作用下的换流阀冷却系统均压电极垢层动态沉积特性研究 J.电工技术学报，2019，34（14）：2863-2873.杨知非，董曼玲，杜君莉，等.换流阀触发光纤故障分析与电场仿真 J.科学技术与工程，2022，22（27）：11933-11942.黄殿龙，陈倩，潘明昊.关于特（超）高压直流换流站阀冷却系统冷却方式的对比研究 J.中国设备工程，2021（12）：118-119.雒雯霞，孙小平，张艳梅，等.基于 Flowmaster的柔性直流换流阀水路仿真研究 J.电力电子技术（自然科学版），2021，55（5）：8-10.于海波，刘彬，张晓波，等基于 Fluent 的悬吊式换流阀本体配水仿真研究 J电力电子技术（自然科学版），2018，47（4）：105-109.（收稿日期：2023-06-21）2023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 182023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 182023/8/31 下午3:232023/8/31 下午3:23