非能動(dòng)自然循環(huán)風(fēng)電機(jī)艙冷卻系統(tǒng)應(yīng)用研究

周濤，馬棟梁， 陳柏旭，齊實(shí)，宋振龍

(1.華北電力大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206； 2.華北電力大學(xué) 核熱工安全與標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京 102206；3.非能動(dòng)核能安全技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206； 4.內(nèi)蒙古華電蒙東能源有限公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

非能動(dòng)自然循環(huán)風(fēng)電機(jī)艙冷卻系統(tǒng)應(yīng)用研究

周濤1,2,3，馬棟梁1,2,3， 陳柏旭1,2,3，齊實(shí)1,2,3，宋振龍4

(1.華北電力大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206； 2.華北電力大學(xué) 核熱工安全與標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京 102206；3.非能動(dòng)核能安全技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206； 4.內(nèi)蒙古華電蒙東能源有限公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

風(fēng)電機(jī)艙的有效通風(fēng)冷卻，可以保障風(fēng)電機(jī)組在高溫天氣下安全、高效運(yùn)行。通過(guò)建立風(fēng)電機(jī)艙仿真模型，對(duì)加裝聚風(fēng)罩前、后的風(fēng)電機(jī)艙進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明：隨著環(huán)境風(fēng)速的增大，機(jī)艙內(nèi)部溫度明顯下降，風(fēng)速大于8 m/s時(shí)，機(jī)艙與環(huán)境溫度差小于3℃；外部風(fēng)速越大，機(jī)艙內(nèi)外的溫度差也越小。加裝聚風(fēng)罩后，減少了風(fēng)機(jī)因機(jī)艙內(nèi)部溫度過(guò)高而導(dǎo)致的被迫停運(yùn)現(xiàn)象，提高了風(fēng)電機(jī)組發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

風(fēng)電機(jī)組；非能動(dòng)；自然循環(huán)；機(jī)艙；聚風(fēng)罩；通風(fēng)冷卻

0 引言

我國(guó)每年4—11月環(huán)境溫度為20～40 ℃,極端天氣時(shí)溫度將達(dá)到45 ℃。隨著環(huán)境溫度的升高，風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)溫度也升高，平均為35～60 ℃，比環(huán)境溫度高15～20 ℃。機(jī)艙溫度升高會(huì)導(dǎo)致齒輪箱油、發(fā)電機(jī)軸承、變頻相關(guān)設(shè)備溫度升高，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)限功率或停機(jī)。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到38 ℃時(shí)，某300 MW風(fēng)電場(chǎng)198臺(tái)風(fēng)機(jī)有123臺(tái)因以上問(wèn)題限功率或停機(jī)，大大降低了風(fēng)機(jī)的可利用率，每年因該問(wèn)題導(dǎo)致的電量損失高達(dá)10 GW·h，折合人民幣521萬(wàn)元左右，給風(fēng)電場(chǎng)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。如果將整機(jī)的溫度控制在合理范圍內(nèi)，風(fēng)機(jī)可利用率可以提高2百分點(diǎn)，每年可為企業(yè)增效至少540萬(wàn)元。統(tǒng)計(jì)資料顯示，夏季的備件損耗幾乎占全年的70%以上，風(fēng)機(jī)故障率比冬季高1倍以上。根據(jù)以上分析可以得出，機(jī)艙溫度降低后，整機(jī)內(nèi)部所有設(shè)備的溫度都會(huì)降低，可改善各設(shè)備的運(yùn)行工況，降低設(shè)備故障率，因此，機(jī)艙冷卻控制系統(tǒng)對(duì)降低風(fēng)機(jī)故障率及減少備件損耗有著重要的意義。自然循環(huán)[1-2]系統(tǒng)是一種利用冷熱端所形成的密度差進(jìn)行熱量交換的系統(tǒng)，具有非能動(dòng)的自然特性，無(wú)需外部驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，冷卻效果安全可靠，在核反應(yīng)堆的余熱排出及風(fēng)力發(fā)電機(jī)艙冷卻等領(lǐng)域有著廣泛而深入的應(yīng)用。為避免夏季高溫天氣下風(fēng)電機(jī)艙內(nèi)部局部溫度過(guò)高而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)停運(yùn)[3-13]，提出了一種非能動(dòng)自然循環(huán)冷卻風(fēng)電機(jī)艙系統(tǒng)：對(duì)風(fēng)機(jī)加裝聚風(fēng)罩和導(dǎo)流罩，使機(jī)艙內(nèi)部的熱空氣和機(jī)艙外部環(huán)境的冷空氣形成連續(xù)的自然循環(huán)冷卻通風(fēng)系統(tǒng)，通過(guò)聚風(fēng)罩將外部冷空氣引入風(fēng)道，對(duì)變頻器柜進(jìn)行通風(fēng)降溫；改造齒輪箱散熱系統(tǒng)，加大齒輪箱油冷散熱容量；建立實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件平臺(tái)，對(duì)風(fēng)機(jī)所有溫控參數(shù)進(jìn)行采集處理。數(shù)值模擬仿真計(jì)算表明，加裝聚風(fēng)罩后，風(fēng)電機(jī)艙內(nèi)部冷卻效果良好，內(nèi)部溫度明顯下降，減少了風(fēng)機(jī)因內(nèi)部機(jī)艙溫度過(guò)高而導(dǎo)致的被迫停運(yùn)現(xiàn)象，提高了風(fēng)電機(jī)組發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性和安全性，為聚風(fēng)罩冷卻裝置的推廣提供了理論依據(jù)。

1 研究對(duì)象

1.1風(fēng)電機(jī)艙結(jié)構(gòu)

研究對(duì)象為某風(fēng)力發(fā)電公司的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其風(fēng)電機(jī)艙內(nèi)部包括齒輪箱、發(fā)電機(jī)、制動(dòng)連軸裝置、變頻器、降噪裝置、偏航系統(tǒng)及水冷裝置等，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)電機(jī)艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

由圖1可以看出，在逃生口部位加裝聚風(fēng)罩，風(fēng)從聚風(fēng)罩進(jìn)入機(jī)艙尾部，冷空氣經(jīng)過(guò)發(fā)電機(jī)、變頻柜、齒輪箱后端對(duì)各設(shè)備降溫，空氣溫度逐漸升高，熱空氣由于密度較小而積聚到機(jī)艙上方，從機(jī)艙殼上端開(kāi)口排出。在圖中機(jī)艙的左下部加裝聚風(fēng)罩后，機(jī)艙內(nèi)外空氣形成一定高度差的自然循環(huán)，冷風(fēng)從下部聚風(fēng)罩進(jìn)入機(jī)艙內(nèi)部，水平流過(guò)發(fā)電機(jī)和齒輪箱變頻器等裝置后，由上部出風(fēng)口流出，可以將機(jī)艙內(nèi)部熱量帶出。聚風(fēng)罩的開(kāi)口面向輪轂迎風(fēng)面，合理地利用了風(fēng)機(jī)的迎風(fēng)特性和風(fēng)能的運(yùn)動(dòng)特性，不需要外加電源，不消耗能源就可以達(dá)到降低機(jī)艙溫度的目的；同時(shí)，在逃生口加裝除塵氣柵和濾網(wǎng)，避免外界空氣所帶灰塵和雜質(zhì)進(jìn)入機(jī)艙，造成油冷散熱器的污染。在風(fēng)機(jī)機(jī)艙殼上端面開(kāi)口設(shè)置導(dǎo)流罩，開(kāi)口背對(duì)輪轂迎風(fēng)面，一方面能更好地形成風(fēng)道，另一方面可以避免雨水對(duì)設(shè)備造成損壞。通過(guò)拉繩將聚風(fēng)罩底部與機(jī)艙內(nèi)主機(jī)架相連，保證遭受較大順風(fēng)時(shí)聚風(fēng)罩安全穩(wěn)定。

1.2幾何模型

使用ANSYS數(shù)值模擬軟件，對(duì)圖1的研究對(duì)象建立模型，如圖2所示。

圖2 幾何模型

1.3主要技術(shù)參數(shù)

所選風(fēng)電機(jī)組為SL1500系列典型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 SL1500型典型風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)

1.4風(fēng)機(jī)保護(hù)定值

機(jī)艙內(nèi)任一散熱部件達(dá)到溫度上限之后，就會(huì)觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作而使風(fēng)機(jī)保護(hù)停運(yùn)，保護(hù)項(xiàng)目和定值見(jiàn)表2。

通過(guò)表2可以看出，影響風(fēng)機(jī)高溫限功率的主要因素為齒輪箱油溫，影響風(fēng)機(jī)停機(jī)的主要因素為機(jī)艙溫度。而機(jī)艙內(nèi)部平均溫度的高低，直接影響齒輪箱散熱程度。

2 計(jì)算方法

2.1網(wǎng)格劃分

以SL1500典型風(fēng)機(jī)為設(shè)計(jì)模型，采用三維立體建模數(shù)值模擬方法[14-16]，對(duì)圖2所示的幾何模型建立三維數(shù)值分析模型，并進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分，如圖3所示。合理地設(shè)置計(jì)算邊界條件及湍流計(jì)算模型之后，可以對(duì)加裝聚風(fēng)罩前、后的機(jī)艙溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析。

圖3 幾何模型網(wǎng)格劃分

從圖3可以看出，劃分網(wǎng)格時(shí)幾何模型中已經(jīng)包含了改造后的聚風(fēng)罩，在計(jì)算改造前的機(jī)艙溫度時(shí)，可將該部分的入口風(fēng)速設(shè)置為0。

2.2計(jì)算模型

ANSYS CFX內(nèi)部自帶了進(jìn)行熱工水力計(jì)算的程序，計(jì)算中所用到的公式如下。

(1)連續(xù)性方程。

(1)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；u，υ，w為流體速度在x，y，z方向的分量，m/s。計(jì)算過(guò)程中考慮了重力加速度g=9.81 m/s2。

(2)動(dòng)量方程。

(2)

(3)

(4)

式中：p為作用在微元體上的壓力，MPa；τxx，τxy，τxz為作用在黏性微元體表面上的黏性力τ的分量，N；Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z為作用在微元體上的力，N。

(3)能量方程。

式中：cp為流體的比定壓熱容，kJ/(kg·K)；T為流體的溫度，K；λ為流體的熱導(dǎo)率，W/(m·K)；ST為黏性耗散，kg/(m2·s2)。

(4)剪切壓力傳輸(SST)湍流模型方程。

Gk-Yk+Sk，

(6)

Yω+Dω+Sω，

(7)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；k為湍動(dòng)能，J/kg；Gk為湍流的動(dòng)能，J/kg；Gω為ω方程；Γk和Γω分別為k和ω的有效擴(kuò)散項(xiàng)；Yk和Yω分別為k和ω的發(fā)散項(xiàng)；Dω為正交發(fā)散項(xiàng)；Sk和Sω由用戶自定義；i，j代表x，y，z3個(gè)方向。

2.3邊界條件設(shè)置

根據(jù)SL1500型典型風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)以及風(fēng)機(jī)各設(shè)備高溫保護(hù)定值，設(shè)定風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的邊界條件，見(jiàn)表3。

表3 風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的邊界條件

在CFX前處理軟件中設(shè)置好相應(yīng)的邊界條件參數(shù)，當(dāng)軟件計(jì)算達(dá)到相應(yīng)的精度條件后，計(jì)算過(guò)程結(jié)束，在計(jì)算結(jié)果文件中對(duì)機(jī)艙內(nèi)部各種參數(shù)進(jìn)行分析處理。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1改造前、后機(jī)艙與環(huán)境溫度差變化情況

3.1.1 改造前溫度變化

對(duì)改造前的機(jī)艙進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到了機(jī)艙與環(huán)境溫度差隨風(fēng)速的變化趨勢(shì)(如圖4所示)，機(jī)艙內(nèi)溫度和環(huán)境溫度的對(duì)比情況如圖5所示。

圖4 改造前機(jī)艙與環(huán)境溫度差隨風(fēng)速的變化

圖5 改造前機(jī)艙內(nèi)溫度與環(huán)境溫度對(duì)比

從圖4可以看出，加裝聚風(fēng)罩前，隨著外部環(huán)境風(fēng)速的增大，機(jī)艙與環(huán)境溫度差始終保持在22 ℃左右，基本沒(méi)有下降的趨勢(shì)。從圖5可以看出，環(huán)境溫度保持在10 ℃左右的較低水平，但機(jī)艙內(nèi)部溫度較高，大約為33 ℃，機(jī)艙內(nèi)部溫度過(guò)高，嚴(yán)重威脅風(fēng)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1.2 改造后溫度變化

加裝聚風(fēng)罩后，機(jī)艙與環(huán)境溫度差隨風(fēng)速的變化趨勢(shì)如圖6所示，機(jī)艙內(nèi)溫度與環(huán)境溫度的對(duì)比情況如圖7所示。

從圖6可以看出，加裝聚風(fēng)罩后，隨著外部環(huán)境風(fēng)速的增大，機(jī)艙與環(huán)境溫度差迅速下降，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到12 m/s時(shí)，該差值已趨近1 ℃，說(shuō)明此時(shí)機(jī)艙內(nèi)部的冷卻效果非常好。從圖7可以看出，環(huán)境溫度保持在25 ℃左右，但機(jī)艙內(nèi)部溫度已經(jīng)下降非常明顯，機(jī)艙內(nèi)部高效的通風(fēng)冷卻保障了風(fēng)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 改造后機(jī)艙與環(huán)境溫度差隨風(fēng)速的變化

圖7 改造后機(jī)艙溫度與環(huán)境溫度對(duì)比

3.2改造前、后機(jī)艙與環(huán)境溫度差隨入口風(fēng)速的變化

3.2.1 改造前、后不同風(fēng)速下的溫度差

對(duì)改造前、后的機(jī)艙進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得出了不同入口風(fēng)速下機(jī)艙與環(huán)境溫度差的變化趨勢(shì)，如圖8、圖9所示。

圖8 改造前不同風(fēng)速下的機(jī)艙與環(huán)境溫度差

圖9 改造后不同風(fēng)速下的機(jī)艙與環(huán)境溫度差

通過(guò)圖8可以看出，加裝聚風(fēng)罩前，隨著環(huán)境溫度的升高，機(jī)艙與環(huán)境溫度差增大，說(shuō)明此時(shí)機(jī)艙內(nèi)部冷卻效果非常不好，此現(xiàn)象與試驗(yàn)結(jié)果基本保持一致。隨著入口風(fēng)速的增大，機(jī)艙內(nèi)部溫度沒(méi)有降低的跡象。

通過(guò)圖9可以看出，加裝聚風(fēng)罩后，隨著環(huán)境溫度的升高，入口風(fēng)速較低時(shí)機(jī)艙與環(huán)境溫度差較大，但當(dāng)入口風(fēng)速增大到一定值之后，該差值迅速減小，說(shuō)明此時(shí)機(jī)艙內(nèi)部得到了有效冷卻，從理論上驗(yàn)證了加裝聚風(fēng)罩的合理性。

3.2.2 改造前、后溫度差的對(duì)比

在相同的環(huán)境溫度(25 ℃)、不同風(fēng)速條件下，改造前、后機(jī)艙與環(huán)境溫度差對(duì)比結(jié)果如圖10所示。

圖10 風(fēng)機(jī)改造前、后機(jī)艙與環(huán)境溫差對(duì)比

通過(guò)圖10可以看出：改造前、后的機(jī)艙與環(huán)境溫度差相差較大，且隨著風(fēng)速的增加，數(shù)值差距逐漸增大，改造前的溫度差與風(fēng)速正相關(guān)，而改造后的溫度差與風(fēng)速負(fù)相關(guān)；風(fēng)速大于8 m/s時(shí)，機(jī)艙與環(huán)境溫度差小于3 ℃，顯著降低了機(jī)艙溫度；外部風(fēng)速越大，機(jī)艙與環(huán)境溫度差也越小，即冷卻效果也越好，改善了設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境，明顯降低了風(fēng)機(jī)故障率。

3.3模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

將改造前、后的模擬軟件計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖11、圖12所示。從圖11、圖12可以看出，模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合良好，由于模擬計(jì)算取值點(diǎn)較少，因此未能模擬出溫度的波動(dòng)情況，但模擬值近似等于溫度變化的平均值，既可以證明模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)也可以看出加裝聚風(fēng)罩的確能夠有效降低機(jī)艙溫度。

4 改進(jìn)措施與對(duì)策

風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，可采取以下措施來(lái)保證風(fēng)電機(jī)組正常的通風(fēng)冷卻。

(1)加裝聚風(fēng)罩可以實(shí)現(xiàn)機(jī)艙內(nèi)部的自然通風(fēng)冷卻，且隨著自然風(fēng)速的增大，冷卻效果更佳。

(2)當(dāng)夏季溫度超過(guò)40 ℃時(shí)，在機(jī)艙頂部天窗加裝導(dǎo)流罩，導(dǎo)流罩下方機(jī)艙頂部天窗位置加裝一個(gè)渦流風(fēng)機(jī)向外排風(fēng)，同時(shí)在渦流風(fēng)機(jī)上方加裝防雨罩。

圖11 改造前模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖12 改造后模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

(3)在變頻器柜體外側(cè)加裝2套溫控通風(fēng)換氣設(shè)備，通風(fēng)換氣設(shè)備從聚風(fēng)罩進(jìn)風(fēng)口引風(fēng)，在進(jìn)風(fēng)口加裝氣柵，在通風(fēng)設(shè)備上加裝除塵濾網(wǎng)，整個(gè)換氣設(shè)備加裝溫控裝置，冬季自動(dòng)關(guān)閉換氣設(shè)備，夏季外界環(huán)境溫度升高到一定值時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟換氣設(shè)備。

5 結(jié)論

運(yùn)用ANSYS 數(shù)值模擬軟件，對(duì)加裝聚風(fēng)罩之后的風(fēng)電機(jī)艙進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析。將數(shù)值計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，兩者對(duì)比符合良好。

(1)風(fēng)電機(jī)艙加裝聚風(fēng)罩后，機(jī)艙與環(huán)境溫度差迅速下降，風(fēng)速在10 m/s以上時(shí)，該差值小于3 ℃且會(huì)隨著外部環(huán)境風(fēng)速的增大而減小。

(2)加裝聚風(fēng)罩前，機(jī)艙與環(huán)境溫度差較大，機(jī)艙內(nèi)部溫度沒(méi)有下降趨勢(shì)。加裝聚風(fēng)罩后，機(jī)艙與環(huán)境溫度差已經(jīng)趨于一致，有效地對(duì)機(jī)艙內(nèi)部進(jìn)行了冷卻，在環(huán)境溫度40 ℃以內(nèi)，風(fēng)機(jī)不會(huì)發(fā)生高溫限功率故障。

(3)非能動(dòng)聚風(fēng)罩的使用，可以保障機(jī)組運(yùn)行平均故障率低于其他未安裝聚風(fēng)罩的風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)可利用率達(dá)到99%以上，有力地保障了風(fēng)電機(jī)組安全、高效、可靠運(yùn)行。

(4)夏季高溫天氣時(shí)，可在機(jī)艙頂部天窗加裝導(dǎo)流罩，同時(shí)配合渦流風(fēng)機(jī)加強(qiáng)排風(fēng)冷卻。

(5)在變頻器柜體外側(cè)加裝通風(fēng)換氣設(shè)備，配合溫度控制裝置，可以實(shí)現(xiàn)冬季自動(dòng)關(guān)閉換氣設(shè)備，夏季高溫環(huán)境自動(dòng)開(kāi)啟換氣設(shè)備進(jìn)行通風(fēng)冷卻。

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(本文責(zé)編：劉芳)

2017-03-31；

:2017-05-19

TM 614

：A

：1674-1951(2017)06-0001-05

周濤(1965—)，男，陜西西安人，華北電力大學(xué)國(guó)際教育學(xué)院副院長(zhǎng)，博士生導(dǎo)師，教授，從事核熱工水力與安全方面的研究及教學(xué)工作(E-mail:zhoutao@ncepu.edu.cn)。

馬棟梁(1982—)，男，河北保定人，在讀博士研究生，從事反應(yīng)堆熱工水力方面的研究(E-mail:madongliang168@163.com)。

陳柏旭(1992—)，男，甘肅蘭州人，在讀碩士研究生，從事反應(yīng)堆熱工水力方面的研究(E-mail:623054362@qq.com)。

齊實(shí)(1994—)，男，吉林長(zhǎng)春人，在讀碩士研究生，從事反應(yīng)堆熱工水力方面的研究(E-mail:1093798898@qq.com)。

宋振龍(1966—)，男，山東棗莊人，副總經(jīng)理，工程師，從事電廠生產(chǎn)管理等方面的工作。