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海上风力发电机组水冷系统的研究

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海上风力发电机组水冷系统的研究摘要:随着风力发电机发电功率由kW级向MW级方向发展, 如何有效解决风力发电机组的散热问题,已成为发展风力发 电技术的关键之一本文以湘电风能海上5 MW直驱式变速 恒频风力发电机组为例,首先根据风力发电机组正常工作的 环境条件和技术要求,进行了变频柜冷却系统设计,在此基 础上,编制了 Matlab计算软件,对冷却系统设计流程进行 了优化,考察了风速、翅片组合等参数的相互影响和作用机 理,对国产自主研发大功率风力发电机组具有一定的参考价 值关键词:风力发电机组 冷却技术优化设计一、引言风力发电机组的损耗是决定变频柜、发电机温升的主要 参数风力发电机组作为一种能量转换机构,在能量转换过 程中不可避免地要产生能量损耗,这些损耗的能量最终绝大 部分变成热量,使风力发电机组各部件温度升高尤其是兆 瓦级直驱式风力发电机组(无齿轮箱设计),它的工作原理 不同于普通的低压大功率绕线发电机,在满负荷工作时,其 转子向电网溃电,这时由于定子通入低频励磁电流,定子损 耗将远大于普通绕线发电机,所以定、转子总的发热量会较 普通绕线电机高出很多;发电机产生的电压、电流通过主动 力电缆输送至塔筒底段的变频柜,在整流、滤波、逆变的过 程中同样损耗电能而转化为热量,这就需要一种科学的、有 效的冷却方法来对风力发电机组进行冷却,从而降低发电 机、变频柜温升。

但是当前国内对风力发电技术的研究热点 多集中在变频、控制系统和机械设计等学科,公开文献中涉 及风力发电机组冷却系统的较少,且文献较早,仅简单介绍 了风冷式风力发电机组的原理和水冷系统的原理,其内容相 对于快速发展的风力发电技术存在较大的滞后二、冷却系统介绍MW级风力发电机组的主要散热集中在发电机和变频柜2 大部件,冷却系统的主要任务是将它们产生的热量及时释放 到外界环境,确保风力发电机组安全、高效运行湘电风能 海上5 MW直驱式变速恒频风力发电机组的冷却系统为例, 其工作过程如图1、图2所示:机组的冷却系统包括风冷与 水冷系统两部分,其中风冷系统负责发电机的冷却,水冷系 统则负责变频柜的冷却在风冷系统中,干燥冷空气对发电 机进行冷却,温度升高后的冷却空气通过通风管被送至机舱 中部上方的排气口,需重新压缩冷却空气再输送到发电机进 行下一轮的冷却水冷系统则是由乙二醇水溶液、空气换热 器、水泵、阀门以及温度、压力、流量控制器等部件组成的 闭合回路,回路中的冷却介质流经变频柜换热器将它们产生 的热量带走,温度升高后进入塔筒底段的外部散热器进行冷 却,温度降低后回到变频柜进行下一轮冷却循环该5 MW风力发电机组的安装地点为沿海地区,温度范 围为-35。

C到40Co风机的启动风速为4 m/s,停机风速 为25 m/s,发电功率P与风速vc的关系曲线如图3所示 假设变频柜的效率保持G=97%不变,散热量为发电功率的3%, 最高进水温度为50 C,流量为50 L/min,压力损失为 0. 08MPao变频柜的散热量为19 kW是最高进水温三、重要组件的选型目前液冷系统中常用的冷却介质有水和乙二醇水溶液 与水相比,乙二醇水溶液具有更好的防冻特性,且通过添加 稳定剂、防腐剂等方式可使其换热性能与水相当根据技术 要求,冬季环境的最低温度为-35 C,由文献[3]可知,50% 的乙二醇水溶液能够满足使用要求在实际运行过程中,散 热器安装在塔筒底段外部,要求散热器具有良好的散热性; 同时,散热器处于湿度较高的沿海地区,应有一定的耐腐蚀 性综合上述要求,选用了具有传热效率髙、结构紧凑、轻 巧而牢固等特点的铝制错流板翅式换热器如图4所示,其 中A通道为空气流道,B通道为乙二醇溶液通道,通道分布 方式为 ABABABAB-oA.空气流道;B.乙二醇溶液通道;a.换热器芯体宽度;b.换热器芯体高度;c.换热器芯体厚度翅片形状根据流体性能和设计使用条件等选定,考虑到 风场所在沿海地区空气中含有固体悬浮物,为避免流道堵 塞,空气流道选用平直型翅片,而乙二醇水溶液流道则选用 高性能的锯齿形翅片。

为了保证一定的承压能力,翅片与隔 板选用高防锈性的LF21铝合金材料,并根据已知工作条件 取隔板厚度为0.813 mmo同时,为了获得均匀的物流分配效果和使流动阻力损失得到较好抑制,封头选用 错排孔板型形式[6-10] o水冷系统管道包括钢管和抗压软管 两部分,综合考虑各种因素,选择系统主干管路钢管与抗压 软管内径Dl=48 mm,支管钢管与抗压软管管内径D2=42 mm, 并根据选定管径计算出的沿程阻力与局部阻力,选择合适的 循环泵四、 工作原理当风力发电机组工作时,第二节塔筒内设有一个密封式 冷却液储存器,用来盛装冷却介质,冷却介质通过水泵加压, 被输送到管道里,输液管道通向变频柜,变频柜内设有循环 水路,冷却介质经循环水路与变频柜进行热交换,对主控制 变频柜进行冷却工作原理见图5五、 设计思路密封式冷却液储存器的冷却介质在向变频柜输送冷却 液,由于机体表面与流体之间的对流换热,可以通过热传导 及物质传递的方式综合进行,当机体表面比流体温度高时, 热首先通过传导从机体传给机体壁附近的流体粒子被传递 的能量高于流体粒子的内能,通过流体运动跟流体粒子一起 被传递出去当被加热的流体粒子到达低温区域时,热再通过传导由 高温粒子传递给低温粒子。

基于以上原因,在设计时一般可 以采用两种方案,第一种方案为尽量增加电机水路系统的储 水量,尽量多的增加低温粒子,充分吸收高温粒子热能,尽 量多的带走电机的热量;第二种方案为尽量增大冷却介质即 流体的流速,让机体产生的热量通过流体运动被流体粒子尽 快带走六、技术参数变频柜所用冷却液量:3t/h;水路的沿程损失:2〜3 bar;入口水温度W45e;塔筒内温度-40e〜55e;水压W5bar七、设计方案(一)、第一种方案在第一种设计方案时将变频柜水路系统的参数设置如 表1所示以上参数中,水路截面积、水力直径、水路长度、局部 阻力损失系数等皆与变频柜整体结构有关一旦变频柜整体 结构确定则调整空间不大由于冷却介质流量已经确定,因 此我们只要计算出来变频柜的水阻符合技术要求即可根据 公式V二QS可求出冷却介质流速V=0. 406m/so式中,V)冷 却介质的流速;Q)冷却介质流量;S)水路截面积另外根据公式Re=Vdv求出雷诺数Re=8 993式中,Re) 雷诺数;V)冷却介质的流速;v) 50e时水的运动粘度 然后根据公式求出沿程损失系数,在此式中管壁粗糙度的 选取需要考虑管壁本身加工粗糙程度及管路焊缝粗糙程度, 经验值在1〜3之间选取。

式中,K)沿程损失系数;$)管 壁粗糙度;d)水力直径最后根据式求出即水阻式中,$P)压差;F)局部阻力 损失;Q)冷却介质密度;L)水路长度如求水阻与技术要 求不符,可在出水口设置调节水阀,来调节水阻,这种做法 目前在有些风力发电机组制造商仍在使用但按照以上要求 设计后,变频柜做试验后温升偏高二)、第二种设计方案在保持原初始条件不变的情况下,只改变变频柜水路参 数,参数见表2根据以上冷却介质流速公式、雷诺数公式可以求出此方 案中V=0. 914m/s, Re=29 840,雷诺数可见,冷却介质紊流 程度大大加强变频柜做试验后,温升降低,达到设计要求八、分析原因对流换热传递能量时,要受传导及物质传递两方面的影 响除了液体金属以外,一般流体的导热系数都比较小,所 以能量的传递主要依靠流体粒子的混乱运动采取第一种方 案,虽然变频柜冷却水压及水阻都符合要求,但是冷却介质 在通过水阀后,水路截面积放大,水压得到释放,冷却介质 的流速及紊流强度都变小,宏观的混合运动也变弱,对能量 的传递大为不利,虽然这时低温粒子量多,但是由于流速低, 所以需要的温度梯度大因此这种方案变频柜温升偏高,目 前风力发电机组制造商已在逐渐取消这种做法。

采取第二种 方案,虽然变频柜储水量减少,但冷却介质流速及紊流强度 得到加强,低温流体与高温流体间的混合运动得以促进,这 虽对单纯的传导机理不重要,但是对能量传递确非常有利 换句话说由于冷却介质流速高,因此在换热时需要的温度梯 度低,单位时间内,质子带走热量快,变频柜温升得以降低, 此种方案将成为变频柜冷却系统设计的主要思路九、结语我国对于5MW风力发电机组的研发生产已日臻成熟,但 涉及兆瓦级风力发电机组本体冷却技术的公开文献很少针 对此问题本文围绕目前5MW风力发电机组本体的冷却系统, 进行了设计方法研究,介绍了一套5MW风力发电机组水冷系 统选型及优化方案,对今后开展大功率风力发电机组水冷系 统的研究具有一定参考价值参考文献:[1]蒋炎龙,元伟伟等•兆瓦级风力发电机水冷系统的 优化设计•南京航空航天大学学报.2008.⑵ 汤蕴❷,史乃.电机学•北京:机械工业出版社,2001.6.[3] 西川兼康,藤田恭伸•传热学•北京:兵器工业出版 社,1990. 10.[4] 张也影•流体力学.北京:高等教育出版社,1999.5]李隆年,王宝玲,周汝潢.电机设计.北京:清华大 学出版社,1992. 9.。

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