沈 俊，楊瀟逸

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇三研究所無錫分部，江蘇 無錫 214000）

0 引 言

近年來，國(guó)家堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)對(duì)電站的要求越來越高。電站要滿足占地少、建設(shè)快、可移動(dòng)等需求，集裝箱式電站應(yīng)運(yùn)而生。集裝箱式電站將電力設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)、輔助照明系統(tǒng)等集中放置在一個(gè)或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)，多個(gè)產(chǎn)品以整體的形式交付給用戶，運(yùn)輸方便且易于安裝[1,2]。

集裝箱式電站系統(tǒng)具有高集成性和可移動(dòng)性的特點(diǎn)，其配置空調(diào)給內(nèi)部電力設(shè)備散熱導(dǎo)致耗能。傳統(tǒng)的集裝箱暖通設(shè)計(jì)較為粗獷，空調(diào)配置較高導(dǎo)致集裝箱電站自身能耗居高不下，影響整個(gè)電站的效率。同時(shí)，該集裝箱電站系統(tǒng)位于沿海地區(qū)，需要集裝箱建筑具有一定的抗腐蝕能力，對(duì)此開展針對(duì)性的研究與設(shè)計(jì)，更好地保證集裝箱電站系統(tǒng)運(yùn)行的綠色高效和可靠性。

1 集裝箱電站的空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)

集裝箱電站內(nèi)部布置電氣元件，元件熱量散發(fā)在集裝箱中。出于防護(hù)考慮，箱體一般封閉處理，加上戶外陽(yáng)光輻射的能量和電氣設(shè)備耗散的熱量疊加，使得集裝箱內(nèi)部溫度容易超限，從而引發(fā)設(shè)備故障，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過加裝空調(diào)系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)集裝箱內(nèi)部溫度，保證系統(tǒng)的可靠性，但是空調(diào)耗能會(huì)影響成套電站的效率，需要從空調(diào)的合理配置和布局入手，降低能耗，提高電站的效率。

某新能源風(fēng)電場(chǎng)電站集裝箱無功補(bǔ)償設(shè)備艙的三維模型如圖1 所示。箱體尺寸為13.5 m×2.4 m×2.6 m，內(nèi)部有120 個(gè)無功補(bǔ)償模塊，每個(gè)模塊的功耗為20 W，內(nèi)部控制柜功耗為200 W。在太陽(yáng)輻射和內(nèi)部電氣設(shè)備發(fā)熱工況下，要求集裝箱內(nèi)部環(huán)境溫度不高于45 ℃[3]。

圖1 集裝箱電站三維模型

利用某仿真軟件進(jìn)行集裝箱內(nèi)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的仿真分析[4-7]。通過對(duì)集裝箱和內(nèi)部電力電子模塊進(jìn)行三維建模，然后簡(jiǎn)化為一定的仿真模型，用于熱仿真和流場(chǎng)仿真，探索整個(gè)集裝箱內(nèi)部溫度分布，其中網(wǎng)格數(shù)目為5 316 879 個(gè)，為百萬網(wǎng)格量級(jí)，對(duì)重點(diǎn)發(fā)熱部件和重點(diǎn)流場(chǎng)部位進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，通過仿真發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格數(shù)量的進(jìn)一步增加對(duì)結(jié)果的影響很小，可以證明該網(wǎng)格劃分的正確性，也證明了仿真結(jié)果的有效性。通過對(duì)空調(diào)，電力電子模塊，環(huán)境溫度，太陽(yáng)輻射的合理設(shè)置，盡可能真實(shí)模擬實(shí)際工況，提升仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

其中電力電子模組用仿真模塊中的塊代替，不計(jì)算模組內(nèi)部溫度，只對(duì)其對(duì)箱內(nèi)環(huán)境溫度的影響進(jìn)行分析。每個(gè)模組按照35 W 進(jìn)行設(shè)置，空調(diào)設(shè)定流量為1 250 m3/h，進(jìn)回風(fēng)口溫差為10 ℃，環(huán)境溫度設(shè)定為35 ℃。同時(shí)為了模擬集裝箱各面的太陽(yáng)輻射程度，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定集裝箱壁面溫度為75 ℃，向箱體內(nèi)部傳導(dǎo)熱量。2個(gè)空調(diào)對(duì)角布置，采用上回風(fēng)、下吹風(fēng)的形式。

（1）方案1。布置2 個(gè)5 kW 的空調(diào)，對(duì)整個(gè)13.5 m 長(zhǎng)的集裝箱降溫。溫度呈現(xiàn)明顯的分界，溫度最低處僅有28.3 ℃，溫度最高點(diǎn)達(dá)到48.45 ℃。處于高溫區(qū)的電氣模組容易出現(xiàn)超溫故障，引發(fā)整個(gè)系統(tǒng)的停機(jī)，嚴(yán)重影響電站的安全運(yùn)行，但是額外增加空調(diào)又會(huì)造成系統(tǒng)自身的能耗增加，不利于節(jié)能。

（2）方案2。在布置2 個(gè)5 kW 空調(diào)的情況下，額外布置風(fēng)機(jī)，用于對(duì)整個(gè)集裝箱內(nèi)空氣進(jìn)行擾動(dòng)，使其內(nèi)部溫度均勻。截面溫度云圖如圖2 和圖3 所示。

圖2 集裝箱中間截面溫度云圖（擾流風(fēng)機(jī)開）

圖3 集裝箱中間截面溫度云圖（擾流風(fēng)機(jī)關(guān)）

設(shè)置風(fēng)機(jī)有利于提升左、中、右3 相閥組和不同高度處模組的溫度均衡性，防止某些位置模組溫度超限[8-10]。額外設(shè)置擾流風(fēng)機(jī)，可以更好地發(fā)揮空調(diào)的功能，滿足系統(tǒng)的散熱需求。仿真結(jié)果說明：在大容量的集裝箱電站中，僅靠空調(diào)無法實(shí)現(xiàn)整個(gè)集裝箱大空間的溫度均衡，仍需設(shè)置擾流風(fēng)機(jī)來加強(qiáng)整個(gè)集裝箱內(nèi)空氣的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整體熱平衡，否則會(huì)出現(xiàn)局部過熱的情況，引起設(shè)備故障，影響可靠性。

對(duì)實(shí)際集裝箱電站進(jìn)行工作狀態(tài)下的內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)，通過監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)和仿真結(jié)果吻合，方案2 的整個(gè)集裝箱內(nèi)部溫度更加均勻。其中共布置10 個(gè)測(cè)點(diǎn)用于監(jiān)測(cè)整個(gè)集裝箱的內(nèi)部空氣溫度，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，10個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度在45 ℃左右偏差0.5 ℃，與仿真測(cè)試結(jié)果相差5%以內(nèi)，在可以接受范圍內(nèi)，分析結(jié)果可能是：仿真模型的精度稍微有些低，仿真湍流設(shè)置實(shí)際氣流有差別，但是總體誤差可控，仿真結(jié)果可以反映真實(shí)溫度場(chǎng)的數(shù)據(jù)，該方法可以用來指導(dǎo)實(shí)際的工程設(shè)計(jì)，有助于提高設(shè)計(jì)效率，降低企業(yè)實(shí)驗(yàn)成本。

2 集裝箱電站的防腐蝕設(shè)計(jì)

集裝箱電站處在沿海地區(qū)，主要是高溫、高濕、高鹽霧環(huán)境，空氣中含有大量氯離子，會(huì)破壞金屬氧化膜保護(hù)層，在金屬表面形成點(diǎn)蝕或坑蝕，因此必須對(duì)箱體金屬結(jié)構(gòu)制定針對(duì)性的防腐措施，保證集裝箱電站在生命周期內(nèi)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境具體的溫度、濕度、鹽霧狀況，將箱體防腐定為C4 H 的防腐級(jí)別。

參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，集裝箱表面額定干膜厚度不小于240 μm。集裝箱電站箱體全部骨架無方管，采用開口的槽鋼或C 型鋼，避免方管內(nèi)局部無鍍鋅層的問題，符合鍍鋅防腐要求。集裝箱鎖桿焊接完畢后進(jìn)行整體熱鍍鋅處理，不允許焊后噴鋅處理。艙頂蓋板采用304 不銹鋼。集裝箱電站用螺栓采用不銹鋼或表面熱鍍鋅處理，熱鍍鋅厚度要求最小為45 μm。集裝箱防腐實(shí)物如圖4 所示。

圖4 集裝箱防腐實(shí)物

3 結(jié) 論

對(duì)于沿海地區(qū)節(jié)能型集裝箱電站，集裝箱內(nèi)的空調(diào)是電站自身電能消耗較多的設(shè)備。通過對(duì)整個(gè)集裝箱建模仿真，模擬集裝箱內(nèi)的溫度分布情況，優(yōu)化空調(diào)的合理配置和布局，顯著降低了集裝箱電站的自身耗能，起到節(jié)能的作用。同時(shí)對(duì)于沿海地區(qū)的高溫、高濕、高鹽霧環(huán)境，提出了設(shè)備防腐方法，能夠保證設(shè)備長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。