基于 Flowmaster 的柔直换流阀塔水路不均流问题 的研究

基于 Flowmaster 的柔直换流阀塔水路不均流问题 的研究

李亚梅

（西电电力系统有限公司，陕西 西安，71000）

Research on uneven flow in VSC-HVDC converter valve based onFlowmaster

Li Ya-mei,

ABSTRACT: Flowmaster has been  applied in simulations of various complex fluid systems, which canestablish accurate system models fast and efficiently andconduct complete analysis. This article simulated the waterwayof VSC-H VDC converter valve based on Flowmaster,and mainly studied the influence of factors onmobility unevenness of waterway of VSC-HVDC converter tower such as resistance of water-cooling plate, pipe diameterof water cooling pipe and inlet and outlet arrangement ofvalve tower. Flux of waterway in VSC-HVDC converter valvewas also tested. By applying simulations and tests, thisarticle aims at solving the flow unevenness amongVSC-HVDC power converter tower, valve section and valvemodule, which has profound guiding significance for thedesigning and optimizing of waterway in VSC-HVDC  convertertower.

KEY WORDS：Flowmaster; Converter Valve; FlowRate; FlowEqualize.

摘要：Flowmaster 已被广泛用于各种复杂流体系统的仿真 分析，可快速有效的建立精确的系统模型并进行完备的分析。本文基于 Flowmaster对柔直换流阀塔水路进行仿真 分析，主要研究了水冷板阻力、水冷管道管径和阀塔进出口位置等因素对柔直换流阀塔水路不均流度的影响，并对柔直换流阀塔水路的流量进行测试。仿真测试相结合，旨在解决柔直换流阀塔、阀段及阀模块间的不均流问题，对后续柔直换流阀塔水路的设计和优化具有重要的指导意义。

关键词：Flowmaster 换流阀塔 流量均流 词条用小五号宋体，每词之间空1  格，词条为3-5  个。

1  引言

在当前电网建设日益困难，可再生能源、分 布式电源及电网智能化技术迅速发展的新形势下，

柔性直流输电技术为弥补传统高压交流、直流输 电技术的不足提供了新途径[1]。柔性直流输电技术发展至今已逐步走向成熟，换流阀塔水冷系统 作为柔性直流输电技术的重要组成部分及可靠运 行的保障，其设计的合理性尤其是换流阀塔、阀 段和阀模块间的均流问题是整个换流阀塔水路设 计的关键性问题之一，阀塔水路的不均流将会引 起一系列问题，严重影响整个柔直换流阀塔的可 靠性，目前国标已对阀塔水路的不均流度提出明 确规定。

Flowmaster作为全球领先的一维流体系统仿 真工具，对于各种复杂的流体系统，可快速有效 的建立精确的系统模型，并进行完备的分析，现 已广泛应用于各种流体系统的一维分析。本文基 于Flowmaster软件对柔性直流输电换流阀塔水路 的不均流问题进行研究，分别从水冷板阻力大小、水冷管道管径大小和阀塔进出口位置等方面进行 研究，分析其对换流阀塔水路不均流度的影响， 并通过实际测试与仿真数据进行对比分析，验证 了使用Flowmaster软件进行阀塔水路系统设计的 合理性，为后续的柔直换流阀塔水路的设计及优 化提供可靠依据。

2  物理模型

柔直换流阀塔水路流体换热时遵循流体力学 的基本方程纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes方程，简称N-S方程）[1]，包括：质量守恒定律、动量守恒定律以及能量守恒定律。Flowmaster对 阀塔水路进行仿真分析时也是通过求解这些方程 实现的。

2.1  质量守恒方程

任何流动问题都必须满足质量守恒定律。流 体的质量守恒方程又称为连续性方程，该定律可 表述为：单位时间内流体微元体中质量的增加， 等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量，其 方程如下：

∂ρ

∂t + p(ρu⃗   ) =0

式中：ρ为流体密度；t  为时间；u⃗ 为流体的

速度矢量；矢量符号p(ρu⃗  ) = ∂⃗u⃗⃗⃗x+ ∂⃗u⃗⃗⃗⃗y+∂u⃗⃗⃗z⃗。

共42个阀模块。换流阀塔试验平台水冷系统使用的冷却介质为水，阀模块采用上进上出散热方案。冷却液通过进水管进入水路系统流经球阀、压力 传感器和流量传感器通过3通接头流入阀段，流 经法兰、进水分水器通过 FEP软管进入水冷板， 对功率模块进行冷却之后进入集水管，流经压力 传感器最后进入回水管完成一个冷却循环。在整 个换流阀塔水路中，冷却液流量通过变频泵、旁 通管路和截止阀互相配合实现流量调节，进水管 路的流量传感器，进、回水管路的压力传感器及

2.2  动量守恒方程

∂x∂y∂z

回水管路上的温度传感器分别用来测试水路流量、

压力和温升。

动量守恒定律是最重要并且最普遍的守恒定 律之一，适用范围非常之广。动量守恒定律可表 述为：微元体中流体的动量对时间的增加率等于 外界作用在该微元体上的各种力之和。根据动量 守恒定律导出动量守恒方程，具体表达如下：

通过阀模块功率器件损耗计算所需冷却液流 量，每个阀模块需冷却液流量为3.2L/min，换流 阀塔42个换流阀模块共需要冷却液流量为134.4 L/min。根据换流阀塔试验平台水路建立用于Flowmaster 的仿真模型如图 2所示，图中水冷板

∂ρu

∂p特性通过 Ansys Icepak仿真确定不同流量、压损

∂t  + p(ρuu⃗   ) = p(μ. grad(u)) − ∂x +Su

的关系从而得到水冷板的阻力特性曲线，合理选

∂ρv

∂p取各管道管径，给定参考压力 P，及流量F，本

∂t  + p(ρvu⃗   ) = p(μ. grad(v)) − ∂y +Sv

文根据试验平台损耗及实际工况综合考虑给定进

∂ρw

∂p水总流量136L/min，通过Flowmaster进行仿真，

∂t   + p(ρwu⃗   ) = p(μ.grad(w)) − ∂y +Sw

式中：μ是动力粘度，grad(  ) = ∂ （）+

其流量分配如表 1 所示。阀塔流量为 136L/min

时，计算得每个阀模块理想状态的流量为3.24

∂（）

+

∂y

∂（）

∂z

，符号Su、Sv、Sw为动量守恒方程

L/min，根据表 1 仿真得，阀模块最小流量为3.23

L/min，最大流量为 3.26 L/min，不均流度为0.6%，

的广义源项。

2.3  能量守恒方程

热交换过程中，流动系统必须满足能量守恒 定律，能量守恒定律可表述为：微元体中能量的 增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面 力对微元体做的功。按照这一定律，可以得出以 温度T为变量的能量守恒方程：

满足国标要求的阀塔不均流度在5%以内，换流

阀塔水路设计较为合理。

∂（ρT）k

∂t+p(ρu⃗ T)=p(

grad（T）) +ST

cp

式中：Cp 是比热容；T 为温度；k为流体导

热系数；ST为流体的内热源及由于粘性作用流体 机械能转化成热能的部分，称为粘性耗散项，本 模型中 ST为零。

3  数值模拟

3.1  仿真模型

柔直换流阀塔试验平台水路如图1所示，换

流阀塔试验平台共三层，每层布置14个阀模块，

图 1 换流阀塔试验平台水路图

Fig. 1 Diagram of Waterway in VSC-HVDCconverter valve

3

Tab.2 Flux distribution list of waterway inVSC-HVDC converter valve with resistance of water-coolingplate decreases 0.5times

图2换流阀塔Flowmaster 仿真模型

Fig. 1 Simulation model of Waterway inVSC-HVDC converter valve  based onFlowmaster

表 1阀塔试验平台水路流量分配表

Tab.1 Flux distribution list of waterway inVSC-HVDC

convertervalve

3.2  换流阀塔水路不均匀度影响因素

研究发现，水冷板阻力大小、水冷管道管径 大小和阀塔进出口位置为引起换流阀塔水路流量 分配不均匀的主要因素，本文分别对以上三个因 素进行分析，为后续阀塔水路的设计提供可靠依 据。

1）水冷板阻力的影响 柔直换流阀塔水路水冷板采用并联形式，为

研究水冷板阻力对阀塔不均流度的影响，将相同 流量下水冷板额定阻力减小 0.5倍，换流阀水路

的流量分配如表2所示。由表2可知，在水冷板

阻力减小设计值的 0.5倍时，最大不均流度由原 来的 0.6%增大到1.9%（由于本实验平台为满足 多种产品的水冷散热需求，设计裕量较大，因此 阻力变化引起的不均流度变化相对较小），增大了3 倍多。由此可知，换流阀水路设计采用并联方 式时，水冷板在满足散热的同时，其阻力不宜太 小。

表2  阀塔水路水冷板阻力减小0.5 倍流量分配表

水冷板并联时，其阻力越大均流性越好。但 如果水冷板阻力过大，虽然保证了水路系统的均 流性，但会引起整个系统成本过高，水冷板阻力 偏小会引起水冷系统不均流度变大，因此应合理 设计水冷板、选取适当的阻力，这是保证换流阀 塔水路均流性的基础。对于采用并联方式的水冷 系统，为保证水冷系统的均流性、综合考虑经济 性，水冷板阻力一般在 0.2~0.3bar为宜。

2）水冷管道管径的影响

换流阀塔水路管道管径的选择直接影响到整 个水路流量的分配。表3为阀段管径减小设计管 径的0.5倍，通过Flowmaster对换流阀塔水路流 量分配进行仿真数据如表3所示。由表3可知，

管径减小 0.5倍时，可引起换流阀塔水路流量分 配明显的不均流现象，最大不均流度增大至 12.3%，为原来的 20.5倍。因此，在换流阀塔水 路设计时，应选取合理的水路管道管径。

表3 阀塔水路阀段管道管径减小0.5 倍流量分配表 Tab.3 Flux distribution list of waterway inVSC-HVDC converter valve  with pipe diameter of water coolingpipe

decreases0.5times

3）阀塔进出口位置的影响 换流阀阀塔进出口位置可设置在阀塔的不同

4

侧或同侧，对于进出口位置的选择对阀塔水路流 量分配的均流度也有着重要影响。当进出口设置 在阀塔同侧如图 3 所示，其流量分配数据如表4 所示。

图 3换流阀塔进出口位于同侧示意图

Tab.3 Diagram of Waterway import and export onthe samesideinVSC-HVDCconvertervalve

表 4换流阀塔水路进出口位于同侧时流量分配

Tab.4 Flux distribution list of waterway inVSC-HVDC converter valve, as import and export of waterway onthe

sameside

4测试结果及误差分析

为了验证Flowmaster对柔直换流阀塔水路流 量分配仿真的准确性，本文对换流阀塔水路流量 进行测试，对比仿真及测试结果，并在此基础上 进行了误差分析，为后续使用Flowmaster进行水 路仿真及优化提供了数据上的支持。根据测试结 果，换流阀塔进水总流量为136L/min，若按理论计算分配到每个阀模块的流量为3.2L/min，国标 规定阀塔流量分配不均流度误差控制在 5%内，因此阀模块流量 3-3.4L/min均可满足均流要求。 如下表5为对换流阀塔水路流量仿真及测试值进 行对比。

表 5 换流阀塔水路流量分配仿真与测试对比

Tab.5 Flux distribution of waterway inVSC-HVDC converter valve  comparison between simulationandtest

由上表4可知，换流阀塔进出水口位于阀塔 同侧时也会引起换流阀塔流量分配的不均流，最 大不均流度增大至1.2%，为原来的2倍。这是因 为当换流阀塔进出口位于阀塔不同侧时，流经每 个阀模块的冷却液所流经的路程相等即其沿程阻 力损失相等，若每个阀模块的水冷板阻力相等， 则每个阀模块的阻力损失严格相等，这样流量分 布较均匀、不均流度小。而当进出口同侧时，离 进出口较近的阀模块沿程阻力较小，分配流量较 多，距离较远模块沿程阻力较大，所分配流量随 之变小。因此，为保证换流阀塔水路流量分配的 均匀性，一般将进出口设置在换流阀塔不同侧。

通过表5对换流阀塔水路流量仿真与测试进

行对比可知，去掉测试值最大值4.0L/min、最小

值2.5L/min。根据表5数据阀模块1-1、2-4、3-1、

3-5流量较小，这是因为在测试时发现阀模块FEP软管有折弯现象，导致压阻变大、流量较设计流 量小，其余阀模块流量测试值与仿真值均符合较 好，测试值的不均流度为7.4%，仿真、测试值最大误差为7.4%。测试值的不均流度略大于国标规定的5%，这是因为小管径管道流量测试较为困难、测试误差大，且测试工具对测试工装精度及 测试人员经验依赖性较大。综合考虑，测试结果

5

可为仿真参考依据，从很大程度上验证了使用Flowmaster进行阀塔水路流量仿真的可行性，后 续可对测试工具进行优化，提高其测试精度。

5小结

本文通过对柔直换流阀塔水路流量和压阻的 研究，为保证各阀模块的均流性，在以后的设计 中应注意以下问题：

1）各阀模块水冷散热器流阻误差控制在5%

以内；

2）合理设计管路管径，尽量减少管径设计偏 差，要求阀模块间的流量分配误差在5%以内；

3）阀模块 FEP软管尺寸和形状定型、归一， 切勿折弯；

4）各相同水冷器件特性保持一致。

使用Flowmaster对柔直阀塔水路流量进行仿 真，获得水路的流量、阻力等分布，有助于在工 程实际中对电力设备水冷设计问题提供可靠的理 论基础，从而准确评估实际工况的流量阻力特性，确定最佳设计方案。本文通过对对测试、仿真结 果进行对比，为后续仿真的优化提供了可靠的参 考。此外，采用Flowmaster进行产品前期的水冷， 有助于确定经济、可靠的产品最佳设计方案并且 有效的解决了实验研究开发周期长、成本高的问 题。

参考文献

[1] 胡航海，李敬如，杨卫红，李红军.柔性直流输电技 术的发展与展望[J]. 电力建设，2011,32（5）62-66.

[2] 景思睿，张鸣远. 流体力学[M].西安：西安交通大学 出版社，2001．