360 kW海洋潮流發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的研究

丁大鵬,崔同軍,吳冬雪

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司,哈爾濱 150040)

360 kW海洋潮流發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的研究

丁大鵬,崔同軍,吳冬雪

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司,哈爾濱 150040)

為了解決潮流發(fā)電機(jī)組的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)和關(guān)鍵部件的溫升問(wèn)題,筆者以360 kW海洋潮流發(fā)電機(jī)組為例,闡述了該類型機(jī)組通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),通過(guò)FLOWMASTER仿真軟件建立了機(jī)組的風(fēng)路模型和溫度場(chǎng)模型,系統(tǒng)地分析了該類型機(jī)組通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量分布情況以及關(guān)鍵部件的溫升情況。仿真分析結(jié)果表明,通過(guò)增加通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的通風(fēng)面積和散熱面積的方式,提升了冷卻系統(tǒng)的冷卻能力,降低了機(jī)組的定子線圈的溫升,達(dá)到了優(yōu)化機(jī)組通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的效果。

潮流發(fā)電機(jī);空氣冷卻;通風(fēng)系統(tǒng);溫升;FLOWMASTER

海洋潮流發(fā)電機(jī)組是一種將海洋中的潮流能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置,機(jī)組利用海洋潮流的沖擊力,推動(dòng)水輪機(jī)螺旋槳旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)發(fā)電[1]。該發(fā)電機(jī)組一般采用內(nèi)置結(jié)構(gòu),將這個(gè)發(fā)電裝備放置在一個(gè)密封的機(jī)艙中,機(jī)艙固定在海底或懸浮在海水中,整個(gè)機(jī)艙的外表面采用特殊材質(zhì)的隔層來(lái)防止海水的腐蝕以及海生物的侵蝕。整個(gè)發(fā)電裝置在封閉的機(jī)艙內(nèi)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,這部分熱量會(huì)影響機(jī)組的運(yùn)行性能,甚至造成燒毀發(fā)電機(jī)組的嚴(yán)重后果,在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中因機(jī)艙溫度過(guò)高而燒毀發(fā)電機(jī)的情況時(shí)常發(fā)生[2-6],因此,為機(jī)組配置合理的冷卻系統(tǒng)至關(guān)重要。本文以360 kW海洋潮流發(fā)電機(jī)組為例,闡述了一種以空氣作為冷卻介質(zhì)、通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫空氣沿發(fā)電機(jī)軸向流動(dòng)的密閉自循環(huán)冷卻系統(tǒng),并通過(guò)分析整個(gè)冷卻系統(tǒng)的風(fēng)量分布及關(guān)鍵部件的溫升,驗(yàn)證了這種冷卻系統(tǒng)在實(shí)踐中的可行性,并在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案,優(yōu)化了這種冷卻系統(tǒng)。

1 冷卻系統(tǒng)的構(gòu)造和冷卻原理

360 kW潮流發(fā)電機(jī)位于密閉機(jī)艙內(nèi),由于轉(zhuǎn)速較低,依靠發(fā)電機(jī)自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力無(wú)法滿足空氣軸向流動(dòng)所需要的風(fēng)壓,發(fā)電機(jī)損耗主要集中在定子線圈與定子鐵心齒上。為了讓機(jī)艙內(nèi)的空氣流動(dòng)起來(lái),可以在發(fā)電機(jī)的一端裝備1臺(tái)軸流鼓風(fēng)機(jī),作為整個(gè)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的壓力來(lái)源。冷風(fēng)由軸流鼓風(fēng)機(jī)加壓后進(jìn)入發(fā)電機(jī)端蓋內(nèi),分為兩路流經(jīng)發(fā)電機(jī):一路沿定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙軸向流動(dòng);另一路通過(guò)定子背部與機(jī)座之間的間隙流過(guò),最終由發(fā)電機(jī)另一端流出,從而將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的損耗熱帶走。被發(fā)電機(jī)加熱后的熱風(fēng)流入機(jī)艙內(nèi)壁風(fēng)道中,通過(guò)與機(jī)艙壁的對(duì)流換熱和熱傳導(dǎo)將所攜帶的熱量傳遞給機(jī)艙壁,最終由機(jī)艙壁將熱量傳遞給海水,被冷卻的空氣重新回到軸流鼓風(fēng)機(jī),被壓后重新吹入發(fā)電機(jī)內(nèi),從而完成一次封閉自循環(huán)。

2 冷卻系統(tǒng)主要尺寸及技術(shù)參數(shù)

通過(guò)計(jì)算發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的阻力特性,結(jié)合各廠家提供的軸流鼓風(fēng)機(jī)特性曲線,確定安裝的軸流鼓風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)壓力約為1000 Pa,工作風(fēng)量約為5.683 m3/s。發(fā)電機(jī)端部蓋板開(kāi)設(shè)過(guò)風(fēng)的通風(fēng)孔,總過(guò)風(fēng)面積應(yīng)不小于0.5 m2。定子鐵心與機(jī)壁之間留有50 mm過(guò)風(fēng)間隙,保證此處的過(guò)風(fēng)面積約為0.21 m2。轉(zhuǎn)子磁極采用永磁體表貼形式,每?jī)纱艠O間采用不導(dǎo)磁材料壓緊,與磁極同一高度,極間沒(méi)有過(guò)風(fēng)間隙。定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙寬度為5 mm,此處的過(guò)風(fēng)面積約為0.015 m2。沿機(jī)艙壁內(nèi)表面構(gòu)建冷卻熱風(fēng)的風(fēng)道,風(fēng)道內(nèi)環(huán)板直徑為3.34 m,外環(huán)板為機(jī)艙壁,風(fēng)道直線長(zhǎng)為9 m,風(fēng)道約占機(jī)艙的4/5圓周。過(guò)風(fēng)面積約為0.86 m2。

在發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)分析過(guò)程中,主要應(yīng)用到的機(jī)組技術(shù)參數(shù)如表1所示。

3 冷卻系統(tǒng)仿真計(jì)算

目前國(guó)內(nèi)對(duì)發(fā)電機(jī)組通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的模擬仿真主要采用二維風(fēng)路仿真和三維風(fēng)場(chǎng)仿真兩種方法,其中風(fēng)路仿真具有計(jì)算速度快,能夠仿真整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn),被各大發(fā)電機(jī)制造廠家及科研機(jī)構(gòu)廣泛采用[7-8]。本文用到的二維風(fēng)路仿真軟件是FLOWMASTER流體計(jì)算軟件,該軟件是中國(guó)引進(jìn)三峽技術(shù)時(shí)期從瑞士原ABB公司引進(jìn)的商業(yè)軟件,它基于大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及經(jīng)典公式,能夠很好地仿真發(fā)電機(jī)風(fēng)路中的轉(zhuǎn)子支架、磁軛風(fēng)溝、氣隙、磁極極間的壓力及阻力特性。

由歐拉準(zhǔn)則可知,風(fēng)路網(wǎng)絡(luò)中支路流量Q(K)與支路兩端的壓差ΔPK具有如下關(guān)系:

(1)

式中:C為支路固有的阻力特性;S(K)為支路壓源。

由式(1)可看出,通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)路網(wǎng)絡(luò)中各支路流量與壓差是非線性關(guān)系的,為了將其線性化,利用泰勒公式將式(1)展開(kāi),略去高次項(xiàng)可得式(2),從而實(shí)現(xiàn)了風(fēng)路網(wǎng)絡(luò)中的支路流量與壓差的線性關(guān)系。

(2)

根據(jù)物質(zhì)守恒定律和流體伯努利方程,在通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)路中,流入和流出同一個(gè)流道的風(fēng)量是相等的,同時(shí)在風(fēng)路中任意閉合的回路中,空氣流動(dòng)的壓力變化總和為零。因此根據(jù)式(2)建立風(fēng)路中各節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量流量線性函數(shù),形成各節(jié)點(diǎn)的多個(gè)支路元件的線性方程矩陣,應(yīng)用FLOWMASTER 軟件確定計(jì)算網(wǎng)絡(luò),其中包括鼓風(fēng)機(jī)、氣隙、軸向風(fēng)道等壓力元件及風(fēng)阻元件。計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)風(fēng)量分布/(單位:m3/s)

由圖1可以看出,發(fā)電機(jī)總風(fēng)量約為5.683 m3/s;其中氣隙風(fēng)量為0.35 m3/s,定子背部風(fēng)量為5.334 m3/s,機(jī)艙壁風(fēng)道風(fēng)量為5.683 m3/s。由各部分的風(fēng)量和機(jī)組的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算出相應(yīng)風(fēng)速值,作為冷卻系統(tǒng)溫度計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的初始參數(shù)。

在機(jī)艙腹內(nèi)發(fā)熱源主要包括發(fā)電機(jī)、變速器、鼓風(fēng)機(jī)損耗及機(jī)械摩擦損耗。機(jī)艙內(nèi)產(chǎn)生的總損耗絕大部分都由循環(huán)風(fēng)帶到機(jī)艙壁風(fēng)道內(nèi),經(jīng)過(guò)機(jī)艙壁與海水熱交換散失掉。根據(jù)熱交換理論及風(fēng)路仿真計(jì)算得出的各部分風(fēng)量和風(fēng)速分布情況,計(jì)算了海水、空氣、涂漆、絕緣及銅鐵等材質(zhì)的換熱系數(shù),其主要物理參數(shù)選擇如表2所示。

在計(jì)算海水與機(jī)艙外表面之間的換熱系數(shù)時(shí),假設(shè)機(jī)艙周向展開(kāi)為一個(gè)大平壁,將海水雷諾數(shù)(Re)求解中特征尺寸L取值為大平壁長(zhǎng)度,即機(jī)艙壁風(fēng)道直線長(zhǎng)9 m。通過(guò)FLOWMASTER軟件建立冷卻系統(tǒng)溫度計(jì)算網(wǎng)絡(luò),賦值計(jì)算,溫度分布如圖2所示。

表1 機(jī)組主要性能參數(shù)

表2 溫升計(jì)算主要物理參數(shù)

圖2 發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)溫度分布/(單位:℃)

Fig.2 Distribution of temperature in generator cooling system

由圖2可以看出,整個(gè)冷卻系統(tǒng)中的最高溫度為110.8 ℃,分布在發(fā)電機(jī)的定子線圈處。該溫度滿足GB 755-2008標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)發(fā)電機(jī)定子線圈溫度的設(shè)計(jì)要求,從而驗(yàn)證了這種通風(fēng)冷卻系統(tǒng)能夠滿足潮流發(fā)電機(jī)組的冷卻要求。但定子線圈的溫度已接近E級(jí)絕緣的上限溫度,會(huì)加速定子線圈的老化,影響使用壽命。這也說(shuō)明了該機(jī)組的冷卻系統(tǒng)存在一定的缺陷,需要優(yōu)化改進(jìn)。

經(jīng)驗(yàn)表明,在機(jī)艙內(nèi)熱量不變的情況下,只有通過(guò)提高冷卻系統(tǒng)的冷卻能力來(lái)降低定子線圈的溫度,本文提出了在定子鐵心軛部沿圓周均勻開(kāi)20個(gè)φ20 mm的軸向通風(fēng)孔,增加冷卻系統(tǒng)的通風(fēng)面積和散熱面積的改進(jìn)方案。開(kāi)通風(fēng)孔后,冷卻系統(tǒng)的通風(fēng)面積增加了0.009 m2,散熱面積增加為0.883 m2。重新對(duì)該機(jī)組的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算,求得發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的總風(fēng)量為5.83 m3/s,定子線圈平均溫度為101.3 ℃,有效地降低了9.5 ℃,達(dá)到了優(yōu)化通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的目的。

4 結(jié) 論

1) 潮流發(fā)電機(jī)對(duì)整個(gè)機(jī)艙的冷卻系統(tǒng)散熱要求很高,通過(guò)仿真分析,驗(yàn)證了全空冷軸向強(qiáng)迫通風(fēng)的密閉自循環(huán)的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的可行性。

2) 鑒于360 kW潮流發(fā)電機(jī)組的定子線圈溫度偏高的實(shí)際情況,在定子軛部開(kāi)軸向通風(fēng)孔的優(yōu)化方案能有效地降低定子線圈溫度。

3) 對(duì)于在海水中對(duì)密閉性要求很高的發(fā)電機(jī)組,采用全空冷自循環(huán)的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不需要外加輔助設(shè)備的優(yōu)點(diǎn),消除了向機(jī)艙內(nèi)引入冷卻水而產(chǎn)生的腐蝕和短路風(fēng)險(xiǎn),對(duì)整個(gè)機(jī)艙的密閉性不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。

[1] 王剛.海洋潮流能發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2010,14(8):98-100. WANG Gang. Development of tidal current generator sets control system [J]. Automation of Electric Power Systems, 2010,14(8):98-100.

[2] 王海鵬,丁樹(shù)業(yè),張曉利.大型發(fā)電機(jī)定子徑向通風(fēng)溝流體流動(dòng)特性研究[J].黑龍江電力,2009,31(6):421-425. WANG Haipeng, DING Shuye, ZHANG Xiaoli. Fluidity study of stator’s radial cooling duct of large generator [J]. Heilongjiang Electric Power, 2009,31(6):421-425.

[3] 丁樹(shù)業(yè),李偉力,靳慧勇.發(fā)電機(jī)內(nèi)部冷卻氣流狀態(tài)對(duì)定子溫度場(chǎng)的影響[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006, 26(3):131-135. DING Shuye, LI Weili, JIN Huiyong. Cooling air state inside generator effect on stator temperature fields [J]. Proceedings of the CSEE, 2006, 26(3):131-135.

[4] 丁大鵬,李廣德,朱磊. 129 MVA全空冷水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)研究[J].黑龍江電力,2013,35(5):417-419. DING Dapeng, LI Guangde, ZHU Lei. Study on ventilation system of 129 MVA fully air-cooling hydro-generator [J]. Heilongjiang Electric Power, 2013,35(5):417-419.

[5] 白延年.水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1982:322-365. BAI Yannian. Design and calculation of hydro power generator [M]. Beijing: China Machine Press, 1982:322-365.

[6] 丁大鵬,李廣德,安志華.抽水蓄能機(jī)組溫升與通風(fēng)系統(tǒng)分析[J].黑龍江電力,2011,33(3):225-227. DING Dapeng, LI Guangde, AN Zhihua. Analysi of temperature rise and ventilation system for pumped storage unit [J]. Heilongjiang Electric Power, 2011,33(3):225-227.

[7] DRIESEN J,BELMANS R J M, HAMEYER K.Finite-Element Modeling of Thermal Contact Resistances and Insulation Layers in Electrical Machines[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2001,37(1):15-20.

[8] 安志華,劉雙,秦光宇.700 MW 級(jí)水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)模型試驗(yàn)研究[J].大電機(jī)技術(shù),2006,12(3):4-6. AN Zhihua, LIU Shuang, QIN Guangyu. Test and research of ventilation model for 700 MW hydro-generator [J]. Large Electric Machine and Hydraulic Turbine, 2006,12(3):4-6.

(責(zé)任編輯 侯世春)

Research on cooling system of 360 kW ocean power flow generator

DING Dapeng, CUI Tongjun, WU Dongxue

(Harbin Electric Corporation, Harbin 150040, China)

In order to solve temperature rise of the air-cooling system and the key components of power flow generator units, the author expounds, taking the 360 kW ocean power flow generator unit as the example, the structural characteristics of the ventilation and cooling system of units of the same type, establishes ventilation circuit and temperature field model through simulation software FLOWASTER, analyzes systematically the air volume distribution of ventilation system and the temperature rise of key components. The result of analysis and simulation shows that the cooling capability of cooling system is enhanced by adding ventilated and radiating area of ventilation and cooling system, with the reduction of temperature of unit stator coil, which optimizes the effect of the system.

power flow generator; air cooling; ventilation system; temperature rise; FLOWASTER

2015-01-27。

丁大鵬(1980—),男, 助理工程師，主要從事電機(jī)通風(fēng)冷卻工作。

P731.2

A

2095-6843(2015)04-0357-03