兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組高溫氣候應(yīng)對(duì)技術(shù)及應(yīng)用

文 | 劉敏 劉豪 董紅云 龍澤彥

兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組高溫氣候應(yīng)對(duì)技術(shù)及應(yīng)用

文 | 劉敏 劉豪 董紅云 龍澤彥

由于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備所處的環(huán)境大多是高溫、高原、沙塵等復(fù)雜惡劣的環(huán)境，設(shè)備運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，各個(gè)獨(dú)立單元所暴露出來(lái)的問(wèn)題也越多，特別是在高溫、沙塵等復(fù)雜環(huán)境下，風(fēng)電機(jī)組部件過(guò)溫問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，散熱效果明顯下降，設(shè)備可利用率越來(lái)越不可觀。所以，解決風(fēng)電機(jī)組部件過(guò)溫問(wèn)題，提升散熱效率，改善散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選擇最佳的冷卻方式顯得尤為重要。

風(fēng)電機(jī)組常用的冷卻方式

一、水-空冷卻

由于水的比熱容大，水冷系統(tǒng)具有換熱效率高、散熱快的特點(diǎn)，成為現(xiàn)在大功率變流器和雙饋式發(fā)電機(jī)主流的應(yīng)用技術(shù)。系統(tǒng)組成為：驅(qū)動(dòng)液體循環(huán)的水泵、水－空冷卻器、連接管件、檢測(cè)儀表及冷卻液。原理圖（被冷卻部件為變流器）如圖1所示。

水泵工作后，冷卻水經(jīng)變頻器、冷卻器組成冷卻水循環(huán)回路。水溫低于25℃時(shí)，三通溫控閥未打開，冷卻水流經(jīng)發(fā)電機(jī)、變頻器和其它換熱管路后，不經(jīng)過(guò)外部冷卻板直接流回泵單元。水溫低于25℃時(shí)冷卻介質(zhì)不通過(guò)冷卻板，當(dāng)冷卻水溫度上升高于25℃溫控閥逐漸打開，水溫超過(guò)30℃時(shí)溫控閥完全打開，直至最后全部通過(guò)冷卻板進(jìn)行循環(huán)回路。

水泵出口設(shè)有壓力罐，預(yù)充一定氮?dú)鈮毫?，作用相?dāng)于隔膜式蓄能器，正常情況下通過(guò)壓力罐把液壓能轉(zhuǎn)化成彈性勢(shì)能儲(chǔ)存起來(lái)并維持泵出口壓力的穩(wěn)定，當(dāng)系統(tǒng)瞬時(shí)需要大流量或泵出口壓力出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)候，此時(shí)壓力罐釋放之前所儲(chǔ)存的能量參與系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。

水泵集成，是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力單元，由電機(jī)和水泵組成。水泵入口和出口都設(shè)有銅熱電阻PT100，入口處用于檢測(cè)發(fā)電機(jī)和變流器的回水溫度，出口處用于檢測(cè)水泵出口的冷卻水溫度。水泵出口設(shè)有壓力表，用于實(shí)時(shí)測(cè)量泵出口的壓力值。水泵出口設(shè)有壓力繼電器，當(dāng)冷卻水壓力低于一定值時(shí)，壓力繼電器發(fā)出低壓報(bào)警信號(hào)。

水泵出口設(shè)有自動(dòng)排氣閥，當(dāng)系統(tǒng)中存在氣體時(shí)，自動(dòng)排氣閥會(huì)自動(dòng)排出系統(tǒng)氣體。水泵出口還設(shè)有安全閥，當(dāng)冷卻水壓力超過(guò)設(shè)定值3 bar 時(shí)，安全閥動(dòng)作，用以維持系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。水泵出口設(shè)有充水球閥，系統(tǒng)正常工作時(shí)為常閉，當(dāng)系統(tǒng)需加注冷卻介質(zhì)時(shí)把球閥打開，連接到外部動(dòng)力單元往系統(tǒng)管路添加冷卻介質(zhì)，為系統(tǒng)提供充足的壓力，保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

測(cè)壓接頭，便于測(cè)量系統(tǒng)回流的壓力大小，即泵的進(jìn)口壓力值。

泄壓閥，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過(guò)正常工作壓力，達(dá)到一個(gè)定值時(shí)，泄壓閥自動(dòng)對(duì)外釋放，以保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)。水泵集成系統(tǒng)圖見(jiàn)圖2。

二、空－空冷卻系統(tǒng)（圖3）

圖1 變流器水冷卻系統(tǒng)原理圖

空－空冷卻方式是指利用空氣與風(fēng)電機(jī)組設(shè)備直接進(jìn)行熱交換達(dá)到冷卻效果，冷卻介質(zhì)為空氣?？湛绽鋮s器內(nèi)部軸流風(fēng)扇電機(jī)外觀和發(fā)電機(jī)軸流式空空冷卻器見(jiàn)圖4和圖5。

空－空冷卻器不需要添加冷卻液，利用空氣換熱，無(wú)需考慮冷卻液變質(zhì)和金屬產(chǎn)生化學(xué)反映，結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省材料，制造工藝性好，運(yùn)行可靠以及安裝、檢修方便等優(yōu)點(diǎn)。但空氣換熱效率較低，且受環(huán)境的影響較大，如空氣溫度變化、雨水沙塵侵蝕等情況，往往需增加一臺(tái)甚至多臺(tái)軸流風(fēng)扇提高散熱功率。

風(fēng)電機(jī)組常見(jiàn)的關(guān)鍵部件過(guò)溫故障問(wèn)題分析

一、部件限功基本原理

當(dāng)齒輪箱軸承溫度、齒輪箱油溫、發(fā)電機(jī)繞組溫度、發(fā)電機(jī)軸承溫度、發(fā)電機(jī)側(cè)電抗溫度、變流器IGBT溫度中的任一溫度超過(guò)其對(duì)應(yīng)的限功溫度時(shí)，限功標(biāo)志為1，同時(shí)限功積分開始。積分周期為5ms。超限越多，功率限功積分值就越大，當(dāng)然這個(gè)值目前限制在額定功率的1/4，也就是說(shuō)限功運(yùn)行的最小值為額定功率的25%。在限功率運(yùn)行過(guò)程中，溫度仍然呈上升趨勢(shì)，那么就會(huì)導(dǎo)致停機(jī)保護(hù)。

各單元溫度保護(hù)值如下（以某型號(hào)雙饋風(fēng)電機(jī)組為例）：

齒輪箱軸承保護(hù)溫度 95度

齒輪箱油保護(hù)溫度 80度

發(fā)電機(jī)繞組保護(hù)溫度 155度

發(fā)電機(jī)軸承保護(hù)溫度 110度

發(fā)電機(jī)側(cè)電抗保護(hù)溫度 155度

變流器IGBT保護(hù)溫度 100度

二、過(guò)溫故障原因分析

過(guò)溫故障主要原因?yàn)樽冾l控制柜內(nèi)溫度過(guò)高，熱量無(wú)法及時(shí)散出導(dǎo)致故障報(bào)發(fā)。而冷卻變流控制柜、導(dǎo)出控制柜內(nèi)溫度的水冷卻系統(tǒng)就成了研究對(duì)象。影響水冷卻系統(tǒng)冷卻性能的因素可能有：水冷卻系統(tǒng)系統(tǒng)內(nèi)部預(yù)充壓力不足，循環(huán)流量不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求；水冷卻系統(tǒng)管道系統(tǒng)部分堵塞；水冷卻系統(tǒng)冷卻介質(zhì)——防凍液變質(zhì)；水－空冷卻器表面積灰影響冷卻能力。

三、過(guò)溫解決通用的方案

根據(jù)原因分析，采取如下方案進(jìn)行處理，并已通過(guò)實(shí)踐證明可行。

（一）減少系統(tǒng)阻力，加大變流器單元的冷卻介質(zhì)流量。

圖2 水泵集成系統(tǒng)

圖3 發(fā)電機(jī)空-空冷卻系統(tǒng)

圖4 空空冷卻器內(nèi)部軸流風(fēng)扇電機(jī)外觀

圖5 發(fā)電機(jī)軸流式空空冷卻器

（二）定期清洗冷卻系統(tǒng)管道單元，并做好相關(guān)防腐化措施；更換全新冷卻介質(zhì)，確保有良好的散熱效果。

（三）優(yōu)化散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：增大集成水泵功率、提高系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)壓力、改變介質(zhì)流通管道直徑從而達(dá)到增加流量的目的。

（四）增加過(guò)濾和防塵系統(tǒng)，因?yàn)橄到y(tǒng)會(huì)存在雜質(zhì)，散熱器容易被沙塵堵塞從而影響散熱效果。

（五）定期清洗空冷部分散熱器，保證良好的散熱效果，使流通到空冷散熱器的冷卻介質(zhì)能以最快速度冷卻，從而保證流向各散熱單元的冷卻介質(zhì)有更好的散熱功能，吸收更多的熱量，從而提高散熱效率。

（六）定檢檢測(cè)各散熱器風(fēng)量是否正常，檢查風(fēng)扇啟動(dòng)電容容量是否達(dá)到，風(fēng)扇電機(jī)是否有卡死現(xiàn)象，對(duì)存在問(wèn)題的電容和電機(jī)進(jìn)行更新處理。

采用新型冷卻方式徹底解決過(guò)溫故障

一、半導(dǎo)體制冷的物理基礎(chǔ)

半導(dǎo)體制冷是建立于塞貝克效應(yīng)、帕爾帖效應(yīng)、湯姆遜效應(yīng)、焦耳效應(yīng)、傅立葉效應(yīng)共五種熱電效應(yīng)基礎(chǔ)上的制冷新技術(shù)。其中，塞貝克效應(yīng)、帕耳帖效應(yīng)和湯姆遜效應(yīng)三種效應(yīng)表明電和熱能相互轉(zhuǎn)換是直接可逆的，而焦耳效應(yīng)和傅立葉效應(yīng)是熱的不可逆效應(yīng)。

（一）帕爾貼效應(yīng)

法國(guó)物理學(xué)家，帕爾帖在1834年發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有外加直流電流流過(guò)由兩種不同金屬組成的閉合回路時(shí)，在兩接頭之一會(huì)有熱量Q的吸收，而在另一接頭上會(huì)有熱量Q的放出"這種吸收或放出的熱量稱為帕爾帖熱，帕爾帖效應(yīng)的示意圖，如圖6所示。

接通電源之后，冷端的熱量被移到熱端，導(dǎo)致冷端溫度降低，熱端溫度升高，這就是著名的帕爾帖效應(yīng)，這個(gè)現(xiàn)象直到近代隨著半導(dǎo)體的發(fā)展才有了實(shí)際的應(yīng)用，也就是半導(dǎo)體制冷器（圖7）的發(fā)明。

半導(dǎo)體制冷在技術(shù)應(yīng)用上具有以下特點(diǎn)：

不需要任何制冷劑，可連續(xù)工作，沒(méi)有污染源沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件，不會(huì)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng)，沒(méi)有滑動(dòng)部件是一種固體片件，工作時(shí)沒(méi)有震動(dòng)、噪音、壽命長(zhǎng)，安裝容易。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，部件少，維修方便；

半導(dǎo)體制冷片具有兩種功能，既能制冷，又能加熱，制冷效率一般不高，但制熱效率很高，永遠(yuǎn)大于1。因此使用一個(gè)片件就可以代替分立的加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)；

半導(dǎo)體制冷片是電流換能型片件，通過(guò)輸入電流的控制，可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制，再加上溫度檢測(cè)和控制手段，很容易實(shí)現(xiàn)遙控、程控、計(jì)算機(jī)控制，便于組成自動(dòng)控制系統(tǒng)；

半導(dǎo)體制冷片熱慣性非常小，制冷制熱時(shí)間很快，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電不到一分鐘，制冷片就能達(dá)到最大溫差；

半導(dǎo)體制冷片的反向使用就是溫差發(fā)電，半導(dǎo)體制冷片一般適用于中低溫區(qū)發(fā)電；

半導(dǎo)體制冷片的單個(gè)制冷元件對(duì)的功率很小，但組合成電堆，用同類型的電堆串、并聯(lián)的方法組合成制冷系統(tǒng)的話，功率就可以做的很大，因此制冷功率可以做到幾毫瓦到上萬(wàn)瓦的范圍。

（二） 半導(dǎo)體制冷器（圖8）

半導(dǎo)體制冷器目前已得到廣泛應(yīng)用，如電腦CPU散熱、車載冰箱、帶制冷功能的飲水機(jī)、紅外探頭激光器等等。

1 空－空冷卻系統(tǒng)與半導(dǎo)體致冷相結(jié)合（圖9）

2 水冷卻系統(tǒng)與半導(dǎo)體致冷相結(jié)合（圖10）

圖6 帕爾帖效應(yīng)的示意圖

圖7 半導(dǎo)體致冷器示意圖

結(jié)語(yǔ)

將傳統(tǒng)散熱方式與新型半導(dǎo)體制冷相結(jié)合，能在有限的安裝空間內(nèi)大大降低部件運(yùn)行溫度，因此現(xiàn)場(chǎng)整改具有可行性，可以徹底解決風(fēng)電機(jī)組由于散熱不良造成的過(guò)溫問(wèn)題。

圖8 半導(dǎo)體制冷器

圖9 空空冷卻發(fā)電機(jī)結(jié)合半導(dǎo)體制冷設(shè)備

圖10 水冷卻系統(tǒng)結(jié)合半導(dǎo)體致冷設(shè)備

(作者單位：南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司)