CN107180149B - 一种特高压换流站阀塔冷却系统的低噪声截流管设计方法 - Google Patents

一种特高压换流站阀塔冷却系统的低噪声截流管设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种特高压换流站阀塔冷却系统的低噪声截流管设计方法，其实施步骤包括获取阀塔的冷却功率，确定单个阀塔主冷却水管的直径，计算主冷却水管内水流的流速，确定每个阀组内分冷却水管的数量与直径，确定主冷却水管末端短接管内截流管的直径，进行短接管内冷却水的流速分布分析观察紊流出现的位置；不断调整截流管长度与倒角尺寸，重复截流管内流速分布分析，获得紊流程度较低的截流管结构。本发明规范了特高压换流站阀塔冷却系统截流管设计，通过设计截流管长度与倒角尺寸，降低截流管内水流紊流状态，从而有效降低截流管运行时的噪声水平，防止异常噪声对运行人员健康的影响。

Description

一种特高压换流站阀塔冷却系统的低噪声截流管设计方法
技术领域
本发明涉及换流站阀厅冷却系统的改进，具体涉及一种特高压换流站阀塔冷却系统的低噪声截流管设计方法。
背景技术
特高压换流站中阀厅一般由6组阀塔构成。阀塔主要由阀组、屏蔽罩以及阀塔冷却系统组成，特高压换流站中的阀组在进行整流滤波时会产生大量热量，需要阀塔冷却系统对其进行散热。阀塔冷却系统主要包括主进水管、主出水管、分支水管以及末端短接管构成，末端短接管的作用在于连接主进水管、主出水管的末端，防止局部地区形成“死水”造成冷却水水质劣化。如图1所示，末端短接管1的上方为截流管2，截流管2的作用在于控制流过末端短接管1的冷却水量，防止过多冷却水由末端短接管1流过，降低了分支水管的水流量，进而影响阀组的冷却效果，截流管2的剖面结构如图2所示，截流管2的设计关键在于确定截流管的直径D 1、长度L 1和倒角θ。目前，现场运行的水冷系统中的截流管由于普遍存在设计缺陷，截流管局部紊流不仅影响了冷却水散热效果，而且导致其运行噪声较高，长期高噪声水平工作环境容易对运行人员身心健康造成不良影响，进而产生焦躁情绪。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种特高压换流站阀塔冷却系统的低噪声截流管设计方法，该方法规范了特高压换流站阀塔冷却系统截流管设计，通过设计截流管长度与倒角尺寸，降低截流管内水流紊流状态，从而有效降低截流管运行时的噪声水平，防止异常噪声对运行人员健康的影响。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种特高压换流站阀塔冷却系统的低噪声截流管设计方法，实施步骤包括：
1）根据特高压换流站阀塔内的阀组容量和数量计算阀塔的冷却功率P；
2）确定阀塔的主冷却水管的直径D；
3）根据冷却功率P、直径D计算主冷却水管内水流的流速v；
4）确定每个阀组内分冷却水管的数量N和直径d；
5）确定主冷却水管末端短接管内的截流管的直径D 1；
6）初始化设置截流管的长度L 1和倒角θ；
7）根据主冷却水管的直径D、每个阀组内分冷却水管的数量N和直径d、截流管的直径D 1、长度L 1以及倒角θ建立特高压换流站阀塔冷却系统的物理模型，利用主冷却水管内水流的流速v作为边界条件，采用有限元数值计算方法进行截流管内的流速分布分析，计算截流管的絮流程度；
8）判断迭代次数是否已经达到预设阈值，如果尚未达到预设阈值，则调整截流管的长度L 1和倒角θ，跳转执行步骤7）；否则，跳转执行步骤9）；
9）将截流管的直径D 1以及最佳絮流程度对应的长度L 1以及倒角θ作为低噪声截流管的设计结果输出。
优选地，步骤3）中计算主冷却水管内水流的流速v的函数表达式如式（1）所示；
v=P/(ρπDc△T) （1）
式（1）中，v为主冷却水管内水流的流速，P为阀塔的冷却功率，D为主冷却水管的直径，ρ为冷却水密度，c为冷却水比热，△T为冷却水温度变化。
优选地，步骤4）中确定每个阀组内分冷却水管的直径d的函数表达式如式（2）所示；
d=p/(ρπvc△T) （2）
式（2）中，d为每个阀组内分冷却水管的直径，p为阀组内每个晶闸管的热功率，ρ为冷却水密度，v为主冷却水管内水流的流速，c为冷却水比热，△T为冷却水温度变化。
优选地，步骤4）确定每个阀组内分冷却水管的数量N与每个阀组内晶闸管的数量相同。
优选地，步骤5）确定主冷却水管末端短接管内的截流管的直径D 1小于或等于分冷却水管直径的2/5。
优选地，步骤7）的详细步骤包括：
7.1）根据主冷却水管的直径D、每个阀组内分冷却水管的数量N和直径d、截流管的直径D 1、长度L 1以及倒角θ建立特高压换流站阀塔冷却系统的有限元物理模型；
7.2）在有限元物理模型中定义各个部件的材料属性；
7.3）对有限元物理模型进行网格划分；
7.4）向有限元物理模型施加主冷却水管内水流的流速v和压强作为边界条件；
7.5）选择求解器对有限元物理模型进行求解计算；
7.6）进行后处理分析，得到末端短接管的流速分布；
7.7）根据末端短接管的流速分布计算截流管的絮流程度。
优选地，步骤7.7）中根据末端短接管的流速分布计算截流管的絮流程度具体是指计算截流管倒角θ处的雷诺数。
本发明的特高压换流站阀塔冷却系统的低噪声截流管设计方法具有下述优点：本发明特高压换流站阀塔冷却系统的低噪声截流管设计方法规范了特高压换流站阀塔冷却系统截流管设计，通过设计截流管长度与倒角尺寸，降低截流管内水流紊流状态，从而有效降低截流管运行时的噪声水平，防止异常噪声对运行人员健康的影响。
附图说明
图1为现有末端短接管的结构示意图。
图2为现有截流管的剖视结构示意图。
图3为本发明实施例方法的基本流程示意图。
具体实施方式
如图3所示，本实施例的低噪声截流管设计方法的实施步骤包括：
1）根据特高压换流站阀塔内的阀组容量和数量计算阀塔的冷却功率P；
2）确定阀塔的主冷却水管的直径D；
3）根据冷却功率P、直径D计算主冷却水管内水流的流速v；
4）确定每个阀组内分冷却水管的数量N和直径d；
5）确定主冷却水管末端短接管内的截流管的直径D 1；
6）初始化设置截流管的长度L 1和倒角θ；
7）根据主冷却水管的直径D、每个阀组内分冷却水管的数量N和直径d、截流管的直径D 1、长度L 1以及倒角θ建立特高压换流站阀塔冷却系统的物理模型，利用主冷却水管内水流的流速v作为边界条件，采用有限元数值计算方法进行截流管内的流速分布分析，计算截流管的絮流程度；
8）判断迭代次数是否已经达到预设阈值，如果尚未达到预设阈值，则调整截流管的长度L 1和倒角θ，跳转执行步骤7）；否则，跳转执行步骤9）；
9）将截流管的直径D 1以及最佳絮流程度对应的长度L 1以及倒角θ作为低噪声截流管的设计结果输出。
本实施例特高压换流站阀塔冷却系统的低噪声截流管设计方法可获得低噪声水平的换流站阀塔冷却系统截流管，大幅降低阀厅冷却系统运行噪声对于运行人员的影响。
本实施例中，步骤3）中计算主冷却水管内水流的流速v的函数表达式如式（1）所示；
v=P/(ρπDc△T) （1）
式（1）中，v为主冷却水管内水流的流速，P为阀塔的冷却功率，D为主冷却水管的直径，ρ为冷却水密度，c为冷却水比热，△T为冷却水温度变化。
本实施例中，步骤4）中确定每个阀组内分冷却水管的直径d的函数表达式如式（2）所示；
d=p/(ρπvc△T) （2）
式（2）中，d为每个阀组内分冷却水管的直径，p为阀组内每个晶闸管的热功率，ρ为冷却水密度，v为主冷却水管内水流的流速，c为冷却水比热，△T为冷却水温度变化。
本实施例中，步骤4）确定每个阀组内分冷却水管的数量N与每个阀组内晶闸管的数量相同。本实施例中，每个阀塔包含个8阀组，每个阀组内晶闸管的数量为8个，为保证每个晶闸管的散热效果，分冷却管量设置为8个。
本实施例中，步骤5）确定主冷却水管末端短接管内的截流管的直径D 1小于或等于分冷却水管直径的2/5，可防止局部地区形成“死水”造成冷却水水质劣化，同时控制流过末端短接管的冷却水量，防止因分冷却水管的水流量过低而影响阀组的冷却效果。
本实施例中，步骤7）的详细步骤包括：
7.1）根据主冷却水管的直径D、每个阀组内分冷却水管的数量N和直径d、截流管的直径D 1、长度L 1以及倒角θ建立特高压换流站阀塔冷却系统的有限元物理模型；
7.2）在有限元物理模型中定义各个部件的材料属性；
7.3）对有限元物理模型进行网格划分；
7.4）向有限元物理模型施加主冷却水管内水流的流速v和压强作为边界条件；
7.5）选择求解器对有限元物理模型进行求解计算；
7.6）进行后处理分析，得到末端短接管的流速分布；
7.7）根据末端短接管的流速分布计算截流管的絮流程度。
本实施例中，步骤7.7）中根据末端短接管的流速分布计算截流管的絮流程度具体是指计算截流管倒角θ处的雷诺数。可调整的参数为截流管倒角θ、截流管长度L 1。每调整一次参数进行一次流速数值分析，并重新计算雷诺数，直至迭代次数达到预设阈值，最终将截流管的直径D 1以及最佳絮流程度对应的长度L 1以及倒角θ作为低噪声截流管的设计结果输出。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种特高压换流站阀塔冷却系统的低噪声截流管设计方法，其特征为实施步骤包括：
1）根据特高压换流站阀塔内的阀组容量和数量计算阀塔的冷却功率P；
2）确定阀塔的主冷却水管的直径D；
3）根据冷却功率P、直径D计算主冷却水管内水流的流速v；
4）确定每个阀组内分冷却水管的数量N和直径d；
5）确定主冷却水管末端短接管内的截流管的直径D 1；
6）初始化设置截流管的长度L 1和倒角θ；
7）根据主冷却水管的直径D、每个阀组内分冷却水管的数量N和直径d、截流管的直径D 1、长度L 1以及倒角θ建立特高压换流站阀塔冷却系统的物理模型，利用主冷却水管内水流的流速v作为边界条件，采用有限元数值计算方法进行截流管内的流速分布分析，计算截流管的絮流程度；
8）判断迭代次数是否已经达到预设阈值，如果尚未达到预设阈值，则调整截流管的长度L 1和倒角θ，跳转执行步骤7）；否则，跳转执行步骤9）；
9）将截流管的直径D 1以及最佳絮流程度对应的长度L 1以及倒角θ作为低噪声截流管的设计结果输出。
2.根据权利要求1所述的特高压换流站阀塔冷却系统的低噪声截流管设计方法，其特征为，步骤3）中计算主冷却水管内水流的流速v的函数表达式如式（1）所示；
v=P/(ρπDc△T) （1）
式（1）中，v为主冷却水管内水流的流速，P为阀塔的冷却功率，D为主冷却水管的直径，ρ为冷却水密度，c为冷却水比热，△T为冷却水温度变化。
3.根据权利要求1所述的特高压换流站阀塔冷却系统的低噪声截流管设计方法，其特征为，步骤4）中确定每个阀组内分冷却水管的直径d的函数表达式如式（2）所示；
d=p/(ρπvc△T) （2）
式（2）中，d为每个阀组内分冷却水管的直径，p为阀组内每个晶闸管的热功率，ρ为冷却水密度，v为主冷却水管内水流的流速，c为冷却水比热，△T为冷却水温度变化。
4.根据权利要求1所述的特高压换流站阀塔冷却系统的低噪声截流管设计方法，其特征为，步骤4）确定每个阀组内分冷却水管的数量N与每个阀组内晶闸管的数量相同。
5.根据权利要求1所述的特高压换流站阀塔冷却系统的低噪声截流管设计方法，其特征为，步骤5）确定主冷却水管末端短接管内的截流管的直径D 1小于或等于分冷却水管直径的2/5。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的特高压换流站阀塔冷却系统的低噪声截流管设计方法，其特征为，步骤7）的详细步骤包括：
7.1）根据主冷却水管的直径D、每个阀组内分冷却水管的数量N和直径d、截流管的直径D 1、长度L 1以及倒角θ建立特高压换流站阀塔冷却系统的有限元物理模型；
7.2）在有限元物理模型中定义各个部件的材料属性；
7.3）对有限元物理模型进行网格划分；
7.4）向有限元物理模型施加主冷却水管内水流的流速v和压强作为边界条件；
7.5）选择求解器对有限元物理模型进行求解计算；
7.6）进行后处理分析，得到末端短接管的流速分布；
7.7）根据末端短接管的流速分布计算截流管的絮流程度。
7.根据权利要求6所述的特高压换流站阀塔冷却系统的低噪声截流管设计方法，其特征为，步骤7.7）中根据末端短接管的流速分布计算截流管的絮流程度具体是指计算截流管倒角θ处的雷诺数。
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