تحلیل گرمایی کابلهاي انتقال توان به کورههاي قوس الکتریکی مطالعه موردي: مجتمع فولاد مبارکه

Transcript

1 تحلیل گرمایی کابلهاي انتقال توان به کورههاي قوس الکتریکی مطالعه موردي: مجتمع فولاد مبارکه 2 1 سعید حسنپور محمدرضا حبیبی محمد مرتجی شرکت رایان تحلیل سپاهان شهرك علمی تحقیقاتی اصفهان شرکت احیاء فرآیند اسپادانا 2 1 چکیده کورههاي قوس نیازمند توان الکتریکی بسیار بالایی هستند که معمولا براي تا مین آن از تونلی براي انتقال کابل تا زیر کوره استفاده میشود. تلفات حرارتی باعث گرم شدن کابلها افزایش مقاومت و کاهش عمر آنها میشود و حتی در فصول گرم احتمال آتشسوزي د را د. در این مقاله ابتدا مشخصات کابل و تونلهاي کارخانه مجتمع فولاد مبارکه و سیستم تهویه آن معرفی میگردد. با استخراج معادلات انتقال حرارت و شرایط مرزي حاکم بر کابلها مدل ریاضی از رفتار گرمایی کابلها و تونل توسعه یافته و توزیع دما تعیین میشود. در اندازهگیريهاي واقعی دماي هواي تونل و کابلها تعیین و با مدل موجود مقایسه شد. پس از اطمینان از صحت و دقت مدل تا ثیر پارامترهاي دخیل در تهویه تونل روي دماي کابلها بررسی و حداقل تغییرات لازم جهت بهبود شرایط فعلی پیشنهاد گردید. نتابج نشان داد با 6 C کاهش دماي هواي ورودي دماي هواي خروجی 7/5 C و دماي سطح کابل 1 C کاهش خواهد یافت. کلمات کلیدي: کابل انتقال توان کوره قوس رفتار گرمایی مدل ریاضی. 1 Hassanpour@istt.ir

2 سمپوزیوم فولاد مقدمه انتقال برق قدرت همیشه با مشکلاتی از قبیل حرارت ناشی از تلفات کابلهاي ولتاژ بالا مواجه است که در تونلهاي انتقال برق افزایش دماي هوا را با وجود تهویهي کانال در پی دارد. این کابلها به دو صورت هوایی یا زیرزمینی وظیفه انتقال توان را برعهده دارند. کابلهاي زیرزمینی نیز به دو صورت 1 مدفون یا داخل تونل اجرا میگردند و خنککاري کابلها اهمیت زیادي دارد. براي کابل داخل تونل یک روش خنککاري سطح کابل با جریان اجباري هوا است. و مدلسازي کابلهاي با دماي کارکرد بالا در تونل تحقیقاتی انجام دادند [1 2 و ]. 2 پیلگریم و همکاران درباره مزایاي نصب تونلهاي موجود در شرکت فولاد مبارکهي اصفهان بدلیل همین تلفات حرارتی با مشکلات زیادي روبرو است. در این پژوهش وضعیت موجود تونلها بررسی گردیده است. سپس با انجام مدلسازي به بررسی تا ثیر پارامترها و اراي ه راهکار براي بهبود شرایط موجود پرداخته شده است. ابعاد تونل و مشخصات سیستم تهویه آن در مجتمع فولاد مبارکه اصفهان دو تونل به صورت موازي قرار دارند که وظیفه انتقال کابلهاي فشار قوي به هشت کوره قوس الکتریکی را در واحد فولادسازي دارند (شکل 1 ). به هر کوره شش کابل فشار قوي 60 با عایق XLPE (با حداکثر دماي عملکرد [1]) 90 C وارد میشود که در موقع فرآیند ذوب حدود 700 تا 100 آمپر جریان الکتریکی با ولتاژ 6 کیلوولت از آنها عبور داده میشود. در شکل 1 شماتیکی از تونل 1 شامل محل دمندهها مکندهها دربهاي جداکننده و نقاط اندازهگیري نشان داده است. در جدول 1 ابعاد تونلها شامل طول عرض و ارتفاع آورده شده است. تونل 1 و 2 تا فاصله 498 متر از ورودي مشترك هستند ولی پس از آن تونل 2 تا حدود 780 متري ادامه دارد. کورههاي 1 تا 4 از تونل 1 و کورههاي 5 الی 8 از تونل 2 تغذیه میگردند. مدلسازي و روش حل انتقال حرارت داخل تونل اغلب به روش جابجایی اجباري صورت میگیرد. بدلیل پایین بودن دما انتقال حرارت تشعشعی از اهمیت کمی برخوردار است و از آن صرفنظر شده است. هوا در دماي محیط از دمنده وارد تونل میشود و پس از تبادل حرارت با کابلها توسط مکنده به بیرون فرستاده میشود. چون تونل در زیر زمین قرار دارد از تبادل حرارت دیوارههاي آن صرفنظر شده است. اطلاعات بار کورهها ابعاد کانال و سینیها تعداد کابل دما و سرعت هوا در هر قسمت مشخص است. سپس قطر هیدرولیک 1 Buried 2 Pilgrim et al.

3 ] 619 تحلیل گرمایی کابلهاي... کانال خواص هوا دبی جرمی هوا زبري کانال و عدد رینولدز محاسبه میگردد. با محاسبه ضریب انتقال حرارت جابجایی و نوشتن بالانس انرژي داخل تونل دماي سطح کابلها و دماي متوسط هوا به دست میآید. در ادامه روابط مورد نیاز توضیح داده شده است. هر 6 کابل یک کوره در یک سینی به عرض و ضخامت 50cm 10cm (با در نظر گرفتن کابل داخل آن) در کنار هم قرار دارند. بنابراین هیدرولیک کانال از رابطه زیر محاسبه میشود که در آن A سطح مقطع وP محیط تر شده کانال است. قطر D 4A (1) h = P خواص هوا شامل گرماي ویژه ویسکوزیته و ضریب هدایت حرارتی تابعی از دما در نظر گرفته است. براي محاسبهي چگالی هوا از قانون گاز کامل استفاده شده است. براي محاسبه زبري کانال از رابطهي زیر استفاده میشود که f زبري کانال و Re عدد رینولدز برحسب قطر هیدرولیکی است [4]. (2) f = 0.184Re 0.2 براي محاسبهي ضریب انتقال حرارت باید عدد ناسلت جابجایی اجباري و طبیعی را جداگانه محاسبه کرد. سپس از روابط موجود ضریب انتقال () حرارت ترکیبی را محاسبه میشود. براي محاسبه ناسلت Nu forced عدد ناسلت جابجایی اجباري است [4]. جابجایی اجباري از رابطه زیر استفاده میکنیم که در آن 0.5 < Pr < 2000 ( f / 8)( Re 1000) Pr Nu = ; ( f / 8) ( Pr 1) 10 < Re < 5 10 forced 2 6 براي محاسبه عدد ناسلت جابجایی طبیعی ابتدا باید عدد گراشف عدد گراشف به صورت زیر تعریف میشود. در رابطه (4) g انبساط حجمی Gr و عدد رایلی Ra را محاسبه کرد. 2 ثابت گرانش زمین ) m/s βضریب 9/81) Tw T L c و طول مشخصه است. L c اختلاف دماي سطح کابلها با دماي متوسط هواي مجاور ν ویسکوزیته سینماتیکی Gr = [g β(t T )L ]/( ν ) w β= 1/ ( T + 27) L c = A P 2 c و β از روابط (5) و (6) محاسبه میشوند. (4) (5) (6) (7) و در نهایت با رابطهي زیر عدد ناسلت جابجایی طبیعی محاسبه میشود [4 natural 1 Nu = 0.068(Gr.Pr) ; 4 10 < Ra < البته باید توجه داشت که میزان تا ثیرگذاري جابجایی اجباري در مقایسه با جابجایی طبیعی در مسا له حاضر بسیار بیشتر است. براي مقایسه از نامساوي زیر میتوان استفاده کرد. در صورت برقراري هریک از نامساويها میتوان از میزان انتقال حرارت آن بخش صرفنظر کرد [4].

4 ] سمپوزیوم فولاد (8) جابجایی آزاد اثر کمتري دارد. جابجایی اجباري اثر کمتري دارد. Gr 2 < 0.1 Re Gr 2 > 10 Re براي به دست آوردن عدد ناسلت و ضریب انتقال حرارت جابجایی ترکیبی از رابطهي تجربی زیر استفاده میکنیم [4 hd ( ) 1 forced natural h Nucombined = = Nu + Nu k (9) حال با نوشتن بالانس انرژي یکبار براي تونل و بار دیگر براي یک سینی دماي سطح کابلها و دماي متوسط هوا به دست میآید. بالانس انرژي براي یک سینی به طول x صورت زیر نوشته میشود و دماي سطح برابر است با qx q x = ha( T T ) T = + T ha s m s m (10) که در آن q T m مجاور و تولید حرارت هر سینی در واحد طول A متوسط دماي هوا در ورود و خروج به طول x طول x دماي هواي خروجی به دست میآید. در این رابطه N تعداد سینیها است. p (11) مساحت تبادل حرارت هر سینی با هواي است. با برقراري بالانس حرارتی در تونل به Nq x N q x = mc p ( Tmo T mi ) Tmo = Tmi + mc براي حل این معادلات برنامهاي به زبان فرترن نوشته شده است. دادههاي اندازهگیري شده در تونل ب ا نتایج حاصل از این برنامه و نتایج پیلگریم و همکاران [] مقایسه گردید. پس از اطمینان از صحت برنامه نوشته شده به بررسی وضعیت تونلها پرداخته شد. نتیجهگیري پس از اندازهگیري دماي سطح کابل دما و دبی هواي عبوري در تونلها مشخص شد که تونل 1 از نظر دما و جریان هوا متعادل است و اگر ظرفیت آن افزایش نیابد نیازي به تغییر در شرایط خنککاري نیست. در تونل 2 قسمتی از تونل بسیار بحرانی بوده و دماي سطح کابل در بعضی مواقع به بالاي 80 C میرسد. این قسمت بین دمنده V 7 و مکنده E دادههاي اندازهگیري شده در این قسمت اراي ه شده است. قرار دارد که 5 سینی 6 تایی از کابلها را دارد. در جدول 2 حال با تغییر دو پارامتر دماي و دبی هواي ورودي به بررسی تغییرات دماي سطح کابلها و دماي هوا میپردازیم. با اجراي برنامه مشخص میشود که تغییرات دماي هوا و سطح کابلها در طول کانال تقریبا خطی است. منظور از فاصله در کانال مسیر بین دمنده و مکنده است. موقعیت دمنده به عنوان مبدأ و موقعیت مکنده به عنوان مقصد در نظر گرفته میشود.

5 621 تحلیل گرمایی کابلهاي... اثر دماي هواي ورودي یکی از راهکارهاي کاهش دماي کابلها خنک کردن هواي ورودي به تونل است. شکل 2 تغییرات دماي هواي تونل را در دماهاي ورودي مختلف نشان میدهد. با وجود غیرثابت بودن تلفات و وابستگی آن به دما با دقت خوبی میتوان گفت میزان کاهش دماي هواي خروجی به اندازه کاهش دماي هواي ورودي و تنها کمی بیش از آن خواهد بود. اما در مورد دماي سطح کابل بدلیل وابستگی تلفات به دما این کاهش بیشتر است. شکل نشان میدهد با 6 C کاهش دماي هواي ورودي از C به 27 C دماي هواي خروجی حدود 7/5 C و دماي سطح کابل حدود 1 C کاهش خواهد یافت. تا ثیر دبی هواي ورودي روش دیگر براي کاهش دماي سطح کابلها افزایش دبی هواي عبوري از کانال است. افزایش دبی در درجه اول دماي هوا را در طول کانال کاهش میدهد. همچنین افزایش سرعت هوا به افزایش ضریب انتقال گرماي جابجایی و کم شدن بیشتر دماي سطح کابل منجر میشود. شکل 4 تغییرات دماي سطح کابلها را با افزایش دبی نسبت به دبی کنونی ) hr 7000) m / نشان میدهند. در شکل 5 تغییر دماي هوا و کابلها در انتهاي تونل برحسب افزایش دبی هواي عبوري اراي ه شده است. این شکل نشان میدهد با افزایش 40% دبی هوا دماي سطح کابل در انتهاي تونل و هواي خروجی به ترتیب حدود 19 C و 4 C کاهش مییابد در حالیکه توان مصرفی فنها در این حالت بیش از 2/5 برابر خواهد شد. در پایان براي بهبود عملکرد سیستم تهویه از نظر فنی و اقتصادي گزینه" افزایش دبی از طریق افزایش دور فنها" به عنوان گزینه معتبر فنی اجرایی و اقتصادي پیشنهاد میشود. براساس این گزینه میتوان با حداقل تغییرات در مشخصات فنها و الکتروموتور متصل به آن دبی هوا را 20% اضافه نمود. باتوجه به نتایج مدل افزایش دبی هوا به میزان 20% میتواند دماي سطح کابل در قسمت بحرانی را 10 C کاهش دهد که مستلزم افزایش 20% دور فنها است. باتوجه به ارتباط موتور و فن از طریق تسمه و پولی تغییرات سازهاي در پروانه فن لازم نبوده و با تغییر قطر پولیهاي متصل به موتور و فن میتوان به آسانی آن را اجرا نمود. جداول و 4 مشخصات الکتروموتور جدید و جابجایی سایر الکتروموتورها را نشان میدهد. نتیجهگیري همانطور که بیان شد تلفات حرارتی باعث گرم شدن کابلها افزایش مقاومت و کاهش عمر آنها میشود و حتی در فصول گرم خطر آتشسوزي را افزایش میدهد. در این مقاله مشخصات کابلها و تونلهاي کارخانه مجتمع فولاد مبارکه و سیستم تهویه آن مورد بررسی قرار گرفت. با استخراج معادلات انتقال حرارت و شرایط مرزي حاکم مدلسازي و برنامهنویسی انجام گرفت. نتایج اندازهگیريهاي واقعی دماي هواي تونل و کابلها با مدل موجود مقایسه گردید. نتابج نشان داد با 6 C کاهش دماي هواي ورودي از C به 27 C دماي هواي خروجی حدود 7/5 C و دماي سطح کابل حدود 1 C

6 سمپوزیوم فولاد کاهش مییابد. همچنین با افزایش 40% دبی هوا دماي سطح کابل در انتهاي تونل و هواي خروجی به ترتیب حدود 19 C و 4 C کاهش مییابد در حالیکه توان مصرفی فنها بیش از 2/5 برابر خواهد شد. مراجع [1] Pilgrim, J., et al., "Investigation into the benefits of installing high operating temperature cables in tunnels", presented at the 8th International Conference on Insulated Power Cables, Versailles, FR, 19-2 Jun 2011, pp [2] Pilgrim, J., et al., "Towards a More Flexible Rating Method for Cables In Tunnels", presented at the The 11th International Electrical Insulation Conference, Birmingham, UK, May 2009, pp [] Pilgrim, J. A., et al., "Rating Independent Cable Circuits in Forced-Ventilated Cable Tunnels", Power Delivery, IEEE Transactions on, vol. 25(4), pp , [4] Çengel, Y. A., "Heat Transfer: A Practical Approach", 200, McGraw-Hill. عرض (m) 1/5 2 جدول 1. ابعاد تونلها. ارتفاع (m) 2/5 2/5 طول (m) حدود 496 حدود 780 ردیف تونل 1 تونل 2 جدول 2. اندازهگیريهاي انجام شده در قسمت بحرانی. طول دماي هواي دماي هواي حداکثر دماي دبی هوا تلفات در واحد طول ( W / m) 6/68 کابل ( m / hr ) 7076 کابل C) ( 82 خروجی C) ( 45 ورودي C) ( ( m ) 79 جدول. پیشنهادات و دستاوردهاي مربوط به افزایش دبی هوا در تونلها سرعت همه الکترو موتورها rpm فن دور پروانه فنهاي ناحیه مرزي Warning Zone (مربوط به تهویه تونلهاي 1 و 2 ) توان فعلی توان جدید الکتروموتور دور جدید پروانه برآورد دستاوردها فن (rpm) 842 پیشنهادي (kw) 15 E 8 مربوط به فن حداقل %8 افزایش دبی هوا در ابتداي تونلها 860 7/5 E 5 مربوط به فن حداکثر %2 افزایش دبی هوا در ابتداي تونلها V 5 مربوط به فن این فن در حال حاضر خاموش است. الکتروموتور (kw) /5 (rpm) V4 E4 E5

7 62 تحلیل گرمایی کابلهاي... جدول 4. پیشنهادات و دستاوردهاي مربوط به افزایش دبی هوا در تونلها سرعت همه الکترو موتورها rpm فن فنهاي ناحیه بحرانیZone Critical (کارکرد ضعیف یا قرارگیري در قسمتهاي بحرانی تونل) دور پروانه (rpm) توان فعلی الکتروموتور (kw) توان لازم (kw) / پیشنهاد از الکتروموتور فن V4 استفاده شود. یک الکتروموتور 0 kw خریداري شود. از الکتروموتور فن V7 استفاده شود. از الکتروموتور فن E7 استفاده شود. V5 V7 E7 E8 شکل 1. نقشهي تونل 1 قسمت ورودي (سمت راست) و قسمت انتهایی (سمت چپ). شکل 2. تغییرات دماي هوا در طول تونل در چند دماي مختلف هواي ورودي.

8 سمپوزیوم فولاد شکل. تغییرات دماي سطح کابلها و هوا در انتهاي تونل برحسب کاهش دماي هواي ورودي نسبت به درجه. شکل 4. تغییرات دماي سطح کابلها در طول تونل برحسب افزایش دبی هواي ورودي نسبت به.7000 m / hr شکل 5. تغییرات دماي سطح کابلها و هوا در انتهاي تونل با افزایش دبی هواي ورودي نسبت به.7000 m / hr