(東方汽輪機有限公司,四川 德陽,618000)

大功率風力發(fā)電機組冷卻系統(tǒng)研究

袁斌 沈雨虹 宗多

(東方汽輪機有限公司,四川 德陽,618000)

隨著風力發(fā)電機組向著單機容量更大的方向發(fā)展，各大部件的散熱問題成為人們關(guān)注的焦點。文章介紹了四種常見的冷卻系統(tǒng)，詳細分析了各種冷卻系統(tǒng)的利弊。最后提出了一種適合大功率、海上型風力發(fā)電機組的冷卻系統(tǒng)。

風力發(fā)電機組；冷卻系統(tǒng)；海洋

0 引言

風能是太陽能的一種轉(zhuǎn)換形式,是取之不盡、用之不竭的綠色可再生能源。人類對風能的渴望從來沒有間斷過,早在3000多年前,人類就會使用風車進行磨碎糧食和提水。發(fā)展至今,人類利用風能的方式發(fā)生了重大的變化,由最初的風能轉(zhuǎn)化為機械能,變?yōu)閷L能轉(zhuǎn)換為電能。風力發(fā)電機組也從最早的19世紀晚期美國Brush研制的一臺12kW的直流風力機[1],到現(xiàn)在SeaTitan風機的功率達10MW。這些情況表明當今風力發(fā)電機組向著單機容量持續(xù)增大,葉片更長,塔筒更高,機艙更大的方向發(fā)展。并且海上型風力發(fā)電機組逐漸取代陸地型風力發(fā)電機組成為研究的重點。有專家預(yù)言到2020年,將會出現(xiàn)20MW和30MW等更大單機容量風力發(fā)電機組。

風力發(fā)電機的單機容量的逐步增大,會直接導致發(fā)電機、齒輪箱、變頻器等各大部件散熱量大大增加,如何有效降低這些主要部件的溫升已成為風力發(fā)電機進一步發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。例如發(fā)電機單機容量的增加,主要是依靠發(fā)電機冷卻技術(shù)的提高來實現(xiàn)的[2]。但是風力發(fā)電機組中的發(fā)電機不同于其他火電、水電的發(fā)電機,它是放置在距離地面高達幾十米封閉的機艙內(nèi)部。這種特殊情況導致了風力發(fā)電機的冷卻要比其他類型的發(fā)電機冷卻面臨更大的難題。目前國內(nèi)外對風力發(fā)電機的主要研究傾向于葉片、變槳控制,及機械設(shè)計等方面,專門研究風力發(fā)電機冷卻系統(tǒng)的工作甚少,針對目前研究現(xiàn)狀,本文詳細介紹了四種類型風力發(fā)電機組冷卻系統(tǒng),并對單機容量更大的海上型風力發(fā)電機組的冷卻系統(tǒng)提出具體方案。

1 風力發(fā)電機組的冷卻方式

目前運行的風力發(fā)電機組主要有以下幾種冷卻方式,見表1。

表1 風力發(fā)電機組主要冷卻方式

下面就這幾種冷卻方式進行詳細介紹。

1.1 空—空冷卻方式

空—空冷卻方式是指利用空氣與風力發(fā)電機設(shè)備直接進行熱交換達到冷卻效果,一般分為兩類：一類是自然通風冷卻,一類是強制風冷。

自然通風是指被冷卻裝置不設(shè)置任何冷卻設(shè)備,裝置暴露在空氣中,由空氣自然流通將熱量帶走。因為目前發(fā)電機、齒輪箱都放置在近乎封閉的機艙內(nèi)部,所以無法通過自然通風進行冷卻。只有散熱量不大的部件可以通過自然通風的方式進行冷卻。

強制風冷是指在自然通風無法滿足設(shè)備冷卻需求時,設(shè)備會配置有空氣冷卻器?？諝饫鋮s器可以使設(shè)備內(nèi)部空氣和外部環(huán)境空氣通過熱交換器進行熱交換以達到設(shè)備內(nèi)部冷卻的效果。目前1.5MW雙饋風力發(fā)電機組的發(fā)電機基本都采用這種冷卻方式,如圖1所示。

空—空冷卻系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在低功率的發(fā)電機、變頻器和變壓器的冷卻系統(tǒng)中。空—空冷卻系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單與運行費用低、利于管理與維護等優(yōu)點,然而其制冷效果受氣溫影響較大,制冷效率低,同時由于機艙要保持通風,導致風沙和雨水侵蝕機艙內(nèi)部件,不利于機組的正常運行。

圖1 發(fā)電機空—空冷卻系統(tǒng)

1.2 液—空冷卻方式

液—空冷卻方式是指設(shè)備產(chǎn)生的熱量通過液體和空氣熱交換的方式轉(zhuǎn)移到空氣中,以降低設(shè)備自身的溫度。目前風力發(fā)電機組的大部分齒輪箱和少數(shù)發(fā)電機采用液—空冷卻方式,齒輪箱冷卻系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 齒輪箱液—空冷卻示意圖

1.2.1 冷卻介質(zhì)

液—空的冷卻方式和空—空的冷卻方式原理相似,但是冷卻介質(zhì)和換熱器有所區(qū)別。液—空冷卻系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)為液體,主要是潤滑油及防凍液。目前防凍液主要是乙二醇水溶液,與水相比乙二醇水溶液具有更好的防凍特性,且通過添加穩(wěn)定劑、防腐劑等方式還可使其換熱性能與水相當[3],其中體積濃度55%的乙二醇溶液冰點為-45℃,能夠滿足低溫機組的使用要求。

根據(jù)熱力學知識中的熱平衡方程：

Q—設(shè)備的總散熱量；

qm—冷卻介質(zhì)的流量；

cp—冷卻介質(zhì)在t1與t2溫度范圍內(nèi)的平均比熱；

t1—進口溫度；

t1—出口溫度。

由于液體的密度與比熱容都遠遠大于氣體,因此液—空冷卻系統(tǒng)要比空—空冷卻系統(tǒng)效率高。

1.2.2 熱交換器

空—空的熱交換器一般為列管式換熱器,而液—空熱交換器多為鋁制板翅式換熱器,如圖3所示。鋁制板翅式換熱器[4]單位體積的傳熱面積通常比列管式換熱器大五倍以上,最大可達幾十倍。但是由于風阻和成本的原因,一般使用在液體介質(zhì)冷卻系統(tǒng)中。

圖3 鋁制板翅式換熱器冷卻原理圖

同時由于液—空熱交換器會直接和外部空氣接觸,所以要求熱交換器具有很好的防腐性能。

1.3 空—液—空冷卻方式

隨著設(shè)備單機容量的增加,散熱量也隨之上升,如果繼續(xù)采用空—空冷卻系統(tǒng)就要增加空氣冷卻器的排風量,但是這樣會大大增加發(fā)電機的體積和重量。此時緊湊和高效的空—液—空冷卻系統(tǒng)無疑是發(fā)電機冷卻的最佳選擇。

空—液—空冷卻系統(tǒng)是由相對獨立的兩套冷卻系統(tǒng)組成的,兩套冷卻系統(tǒng)通過熱交換器進行熱交換。設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的熱空氣將熱量傳遞給循環(huán)的冷卻介質(zhì),冷卻介質(zhì)溫度升高后進入機艙的外部散熱器進行冷卻,溫度降低后回到設(shè)備內(nèi)部進行下一輪冷卻循環(huán)。目前大部分的大功率發(fā)電機都采用空—液—空冷卻方式(如圖4所示)。

圖4 發(fā)電機空—液—空冷卻系統(tǒng)示意圖

與空—空冷卻的發(fā)電機相比,采用空—液—空冷卻系統(tǒng)的風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)更為緊湊,雖增加了換熱器與冷卻介質(zhì)的費用,卻大大提高了發(fā)電機的冷卻效果,從而提高發(fā)電機的工作效率。同時由于機艙可以設(shè)計成密封型,避免了艙內(nèi)風沙雨水的侵入,給機組創(chuàng)造了有利的工作環(huán)境,還延長了設(shè)備的使用壽命。

1.4 液—液—空冷卻方式

液—液—空冷卻方式和空—液—空冷卻方式原理相近,也是由兩套相對獨立冷卻回路組成。以某大功率齒輪箱的冷卻系統(tǒng)為例。當齒輪箱運行時,齒輪箱內(nèi)部的高溫潤滑油通過機械泵進入液—液換熱器和外循環(huán)中的冷卻液進行熱交換,隨著冷卻液的溫度升高,外循環(huán)的泵站會隨之啟動,將高溫的冷卻液送入到外部的液—空換熱器進行熱交換,通過冷卻風扇的強制風冷降低冷卻液的溫度,最終又通過液—液熱交換器降低潤滑油的溫度。

這種冷卻方式中兩套回路的冷卻介質(zhì)分別為潤滑油和冷卻液,液體和液體的換熱方式的效率要明顯高于液體和空氣的熱交換,所以大功率的齒輪箱冷卻會采用液—液—空冷卻系統(tǒng)取代液—空冷卻系統(tǒng)。

2 風力發(fā)電機組新型冷卻方式展望

隨著風力發(fā)電機組逐漸向著海上型、大功率的方向發(fā)展,但是與整機配套的冷卻系統(tǒng)卻沒有任何的發(fā)展,作者認為應(yīng)該從兩種方向進行研究。(1)將以前一個機組多套冷卻系統(tǒng)的單獨的冷卻,發(fā)展為一套集成的、優(yōu)化的冷卻系統(tǒng)。(2)充分考慮海上機組所處的特殊地理環(huán)境,將以往陸地上的冷卻方式發(fā)展為更加適合海上特殊環(huán)境的冷卻方式。據(jù)此下面將介紹一種專門針對海上型風機的冷卻方式。

海上型風機的冷卻設(shè)備主要集中兩個部位,一個位于機艙內(nèi)部發(fā)電機和齒輪箱,另一個是外部塔筒底部的變頻器和變壓器。由于兩個部位相差高度幾十米,所以將整機的冷卻系統(tǒng)分為兩個部分。一是機艙內(nèi)部設(shè)備的冷卻,一個是塔筒底部設(shè)備的冷卻,如圖5所示。

圖5 海上型風力發(fā)電機組冷卻系統(tǒng)原理圖

此原理圖將冷卻設(shè)備內(nèi)循環(huán)回路省略,內(nèi)循環(huán)回路具體可以見本文1.2和1.3。由于發(fā)電機和齒輪箱通常對冷卻介質(zhì)和最高入水溫度要求相近,所以可以采用此集中式冷卻方案。如圖5所示的機艙冷卻系統(tǒng),風力發(fā)電機運行時冷卻介質(zhì)分別流經(jīng)齒輪箱、發(fā)電機,將以上部件產(chǎn)生的熱量帶走。溫度升高后的冷卻介質(zhì)經(jīng)過外部的冷卻器進行熱交換降溫,然后重新進入發(fā)電機、齒輪箱。

由于變頻器和變壓器都放在塔筒的底部靠近海水,所以此方案利用海水的常低溫特性對變頻器和變壓器進行冷卻。冷卻介質(zhì)分別流經(jīng)變頻器、變壓器,將部件產(chǎn)生的熱量帶走。溫度升高后的冷卻介質(zhì)經(jīng)過冷卻器和海水通過熱交換器降溫,然后重新進入到變頻器和變壓器。

兩套獨立的冷卻系統(tǒng)都具有集中、高效等顯著特點,但是也面臨著冷卻設(shè)備安裝位置困難和海水凈化等問題。機艙的冷卻系統(tǒng)經(jīng)過集中后,泵站和外部的散熱器體積都要增加,可以將泵站放置在塔筒最高段的平臺上,通過軟管和齒輪箱、發(fā)電機連接,而散熱器則放在塔筒外部進行有效散熱。塔筒底部的冷卻系統(tǒng)可以放置在塔筒的外部底部平臺上,所以不存在安裝位置困難的問題,但是海水中海藻和雜質(zhì)會堵塞進出水口。面對堵塞的情況,可以采用可逆水泵并增加過濾網(wǎng)。當進水口出現(xiàn)堵塞時,可以將水泵的可逆性將進水口改為出水口。這樣就能將水藻和雜質(zhì)排入大海。

3 結(jié)論

本文介紹了風力發(fā)電機組的發(fā)展過程,認為當前的風力發(fā)電機組向著單機容量增加,陸地轉(zhuǎn)向海洋的方向發(fā)展。總結(jié)了風力發(fā)電機常見空—空,液—空,空—液—空,液—液—空四種冷卻方式,并對每種冷卻方式應(yīng)用范圍和利弊進行了分析。最后針對海上型風機的特點,提出了一種適合海上型風機的冷卻系統(tǒng),這種冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,冷卻效率高,并且充分利用了海水的常低溫型,良好地解決了海上型大功率風機的冷卻問題。

[1]Tony Burton.風能技術(shù).美國:科學出版社,2007

[2]倪天軍.大型發(fā)電機主要冷卻方式及特點.東方電氣評論, 2006

[3]譚志成.乙二醇及其水溶液二元體系理化性能數(shù)據(jù)的測定.化學工程,1983

[4]王松漢.板翅式換熱器.北京：化學工業(yè)出版社，1984

Research on Cooling System s in High-powerW ind Turbine

Yuan Bin,Shen Yuhong,Zong Duo

(Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000)

With the increasing of the power for a wind turbine,the heat dissipation becomes the focus.In this paper,four cooling systems are introduced and the pros and cons of various cooling systems are analysed.At last,a cooling system of the high-power and oceanic wind turbine are present.

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袁斌(1985-),男,碩士,目前從事風力發(fā)電機組整機設(shè)計工作。