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摘 要：过热是一切电气设备安全运行的主要风险。通过研究电气柜体流体力学条件，在制造前后对其散热情况进行模拟与评估，在事故发生前进行判断，并及时采取必要措施干预，从而有效降低过热事故的发生。
关键词：热模拟;计算流体力学;电气柜;散热
引言：
计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，缩写通常为CFD）是流体力学的一个重要分支，即通过使用数值分析与模型算法来解决和分析设计流体流动的相关问题，并使用计算机来执行模拟流体自由流动所需的计算，以及流体（包括液体与气体）与边界条件限定的表面之间的相互作用。计算流体力学模拟在极大程度上替代了传统上耗资巨大的流体动力学试验设备以及复杂的传感器组，在科学研究以及工程技术中产生了巨大影响。
1 计算流体力学（CFD）概述
在以往，工程师优化设计的唯一途径就是对终端产品的原型进行实际的物理测试，过程极其繁琐，且费时费力，即使如此，对产品的物理测试也具有相当的片面性。然而技术的兴起与不断增长的计算机计算性能，计算流体力学（CFD）成为了空气动力学领域的常用工具，它可以使用软件分析包含固体相互作用的流体解决方案，并根据其物理性质（例如速度，温度，压力，密度与粘度等）检查流体流动。为实际产生的与流体流动有关的物理现象提供解决方案。
2 电气柜体流场分析与计算
2.1 一号机组变频器电气柜分析
一号机组MGGH变频器柜体在2017年安装后，经常发出过热报警，仅仅勉强运行了3个月，于11月因过热导致停机，柜内散热器件工作正常。对一号机组MGGH变频器柜进行流场分析如下：
现有柜体为全密封，单侧循环散热模式，与柜体顶端，下部分别安装一台100 CFM流量风扇，由下侧进风，上部排风，未使用其他散热方式。柜内热负荷约3050W，位于柜体中部，向上方排风，对一号机组变频电气柜进行理论运算与模型建模，并对主要流体数据进行设置，得到初始模型。
由于制造方未能提供柜体计算资料，大唐宝鸡热电厂对变频柜换热条件进行重新计算。
该柜体为不锈钢316L，典型热传导16.2W/（m?·k），附近无强对流，故空气为静止状态，热传递系数取16.2 W/（m?·k）. 柜体为2200mmX800mmX600mm，底部进线带支撑脚，故为六面全散热，总计为6.56平方米，在35度环境温度下温度差为5k。
代入公式Pv=k·S`Δt=16.2x6.56x5=531.36W
综上柜体本体极限散热量为531.36W，远小于原件发热量3050W，且柜体为满足防护等级需要密封，故需要添加风机组进行强制通风冷却。且由于安装问题，实际强换热面并非柜体全部散热面积，由于风道以及热空气上升等原因，实际静态换热量不足为全柜体换热量的35%。
强制通风冷却公式为：Pv=1200·V·Δt;将原数据代入算得;3100-531=1200*V*10（夏季）;则夏季室温30摄氏度所需通风量V=0.214立方米每秒=456CFM;故柜体内外最低换热量不应小于500CFM。
同时当柜体排风量小于变频器换热模组排风量时，将导致热风无法及时排出柜体外，引起热风循环，热风循环会加热对换热模组冷却入口介质，从而恶化换热引起恶性循环，导致过热事故。
实际运行中柜体进、出风机运行正常，但由于其流量严重不足，从而导致变频器运行时，变频器主风机出力受限。原因为变频器主风机运行时，柜体下部风机安装位置过高，导致一部分空气未进入变频器主风机下方形成的低压区，且由于柜体下部风机流量严重不足，导致变频器下方形成过大低压区，降低了变频器主风机效率。又由于变频器上部风机安装位置过低，导致由上部排风机形成的低压区未能与频器主风机形成的高压区配合，形成积压，增大了变频器主风机出口气压，进一步降低了变频器主风机效率。并由于柜体下部风机安装位置靠上，上部排风机安装位置靠下，导致在变频器侧面形成了有效通路，使冷却空气由变频器侧面低阻力区排出，进一步降低了柜体有效空气交换流量。又由于柜体下部及上部风机流量远小于变频器主风机流量，从而导致变频器柜体出现内循环，顶部由变频器主风机吹出的携带热量的热空气无法有效排出，被下方变频器主风机入口形成的低压吸引，重新进入冷却循环，升高了变频器主风机入口空气温度，进一步降低了换热效率。（图3.1.1）
由于现场实际安装变频器柜风量仅为100CFM，远小于变频器本体风扇所需最小流量，险些造成氟塑料管熔毁事故。
由CFD温度模拟曲线可知，改造前柜体由于散热风量不足 ，产生的热量无法及时带出柜外，热平衡后最高温度为73.1度。改造后的CFD模拟显示，由于优化了风道与增加总通风量至散热阈值以上，设备温度大幅度降低，最高仅28度，温度理论降低45度之多。（由于变量环境因素CFD计算理论上与实际存在10%左右误差）
3 总结
通过对电气柜体实施采用CFD与数值风洞模型建模计算，对其中出现的问题及时提出优化技术改造，不仅降低了维护和检修费用，还节省了返工工期以及相应的经济损失，而且降低了设备故障率，大大提高了设备的运行可靠性，为机组安全稳定运行提供了坚强保障，可以大幅降低设备故障率，提高設备运行可靠性，使电厂经济效益和安全性能大大提升。
参考文献：
[1] 大唐宝鸡热电厂内部SIS系统#1、2机组数据统计
[2] ABB手册
[3] 基于逆向工程与CFD的矿井主扇风机流场分析及仿真研究_杨杰，2009.9
[4] Milne-Thomson， L.M. （1973）. （空气动力学理论）Theoretical Aerodynamics. Physics of Fluids A. 5. Dover Publications. p. 1023. ISBN 978-0-486-61980-4.
[5] Patankar， Suhas V. （1980）. （流体流动与数值传热）Numerical Heat Transfer and Fluid FLow. Hemisphere Publishing Corporation. ISBN 978-0891165224.
（大唐陕西发电公司宝鸡热电厂，陕西 宝鸡 721004）
关键词：热模拟;计算流体力学;电气柜;散热
引言：
计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，缩写通常为CFD）是流体力学的一个重要分支，即通过使用数值分析与模型算法来解决和分析设计流体流动的相关问题，并使用计算机来执行模拟流体自由流动所需的计算，以及流体（包括液体与气体）与边界条件限定的表面之间的相互作用。计算流体力学模拟在极大程度上替代了传统上耗资巨大的流体动力学试验设备以及复杂的传感器组，在科学研究以及工程技术中产生了巨大影响。
1 计算流体力学（CFD）概述
在以往，工程师优化设计的唯一途径就是对终端产品的原型进行实际的物理测试，过程极其繁琐，且费时费力，即使如此，对产品的物理测试也具有相当的片面性。然而技术的兴起与不断增长的计算机计算性能，计算流体力学（CFD）成为了空气动力学领域的常用工具，它可以使用软件分析包含固体相互作用的流体解决方案，并根据其物理性质（例如速度，温度，压力，密度与粘度等）检查流体流动。为实际产生的与流体流动有关的物理现象提供解决方案。
2 电气柜体流场分析与计算
2.1 一号机组变频器电气柜分析
一号机组MGGH变频器柜体在2017年安装后，经常发出过热报警，仅仅勉强运行了3个月，于11月因过热导致停机，柜内散热器件工作正常。对一号机组MGGH变频器柜进行流场分析如下：
现有柜体为全密封，单侧循环散热模式，与柜体顶端，下部分别安装一台100 CFM流量风扇，由下侧进风，上部排风，未使用其他散热方式。柜内热负荷约3050W，位于柜体中部，向上方排风，对一号机组变频电气柜进行理论运算与模型建模，并对主要流体数据进行设置，得到初始模型。
由于制造方未能提供柜体计算资料，大唐宝鸡热电厂对变频柜换热条件进行重新计算。
该柜体为不锈钢316L，典型热传导16.2W/（m?·k），附近无强对流，故空气为静止状态，热传递系数取16.2 W/（m?·k）. 柜体为2200mmX800mmX600mm，底部进线带支撑脚，故为六面全散热，总计为6.56平方米，在35度环境温度下温度差为5k。
代入公式Pv=k·S`Δt=16.2x6.56x5=531.36W
综上柜体本体极限散热量为531.36W，远小于原件发热量3050W，且柜体为满足防护等级需要密封，故需要添加风机组进行强制通风冷却。且由于安装问题，实际强换热面并非柜体全部散热面积，由于风道以及热空气上升等原因，实际静态换热量不足为全柜体换热量的35%。
强制通风冷却公式为：Pv=1200·V·Δt;将原数据代入算得;3100-531=1200*V*10（夏季）;则夏季室温30摄氏度所需通风量V=0.214立方米每秒=456CFM;故柜体内外最低换热量不应小于500CFM。
同时当柜体排风量小于变频器换热模组排风量时，将导致热风无法及时排出柜体外，引起热风循环，热风循环会加热对换热模组冷却入口介质，从而恶化换热引起恶性循环，导致过热事故。
实际运行中柜体进、出风机运行正常，但由于其流量严重不足，从而导致变频器运行时，变频器主风机出力受限。原因为变频器主风机运行时，柜体下部风机安装位置过高，导致一部分空气未进入变频器主风机下方形成的低压区，且由于柜体下部风机流量严重不足，导致变频器下方形成过大低压区，降低了变频器主风机效率。又由于变频器上部风机安装位置过低，导致由上部排风机形成的低压区未能与频器主风机形成的高压区配合，形成积压，增大了变频器主风机出口气压，进一步降低了变频器主风机效率。并由于柜体下部风机安装位置靠上，上部排风机安装位置靠下，导致在变频器侧面形成了有效通路，使冷却空气由变频器侧面低阻力区排出，进一步降低了柜体有效空气交换流量。又由于柜体下部及上部风机流量远小于变频器主风机流量，从而导致变频器柜体出现内循环，顶部由变频器主风机吹出的携带热量的热空气无法有效排出，被下方变频器主风机入口形成的低压吸引，重新进入冷却循环，升高了变频器主风机入口空气温度，进一步降低了换热效率。（图3.1.1）
由于现场实际安装变频器柜风量仅为100CFM，远小于变频器本体风扇所需最小流量，险些造成氟塑料管熔毁事故。
由CFD温度模拟曲线可知，改造前柜体由于散热风量不足 ，产生的热量无法及时带出柜外，热平衡后最高温度为73.1度。改造后的CFD模拟显示，由于优化了风道与增加总通风量至散热阈值以上，设备温度大幅度降低，最高仅28度，温度理论降低45度之多。（由于变量环境因素CFD计算理论上与实际存在10%左右误差）
3 总结
通过对电气柜体实施采用CFD与数值风洞模型建模计算，对其中出现的问题及时提出优化技术改造，不仅降低了维护和检修费用，还节省了返工工期以及相应的经济损失，而且降低了设备故障率，大大提高了设备的运行可靠性，为机组安全稳定运行提供了坚强保障，可以大幅降低设备故障率，提高設备运行可靠性，使电厂经济效益和安全性能大大提升。
参考文献：
[1] 大唐宝鸡热电厂内部SIS系统#1、2机组数据统计
[2] ABB手册
[3] 基于逆向工程与CFD的矿井主扇风机流场分析及仿真研究_杨杰，2009.9
[4] Milne-Thomson， L.M. （1973）. （空气动力学理论）Theoretical Aerodynamics. Physics of Fluids A. 5. Dover Publications. p. 1023. ISBN 978-0-486-61980-4.
[5] Patankar， Suhas V. （1980）. （流体流动与数值传热）Numerical Heat Transfer and Fluid FLow. Hemisphere Publishing Corporation. ISBN 978-0891165224.
（大唐陕西发电公司宝鸡热电厂，陕西 宝鸡 721004）