海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組水冷系統(tǒng)的研究

張斌

（國華（江蘇）風(fēng)電有限公司，江蘇 東臺(tái) 224200）

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組水冷系統(tǒng)的研究

張斌

（國華（江蘇）風(fēng)電有限公司，江蘇 東臺(tái) 224200）

近年來，全球范圍內(nèi)對(duì)于開發(fā)可再生能源項(xiàng)目的壓力增加，中國政府致力于確保在2020年之前，中國能源消費(fèi)的10%將由可再生能源供應(yīng)。其重點(diǎn)是開發(fā)風(fēng)力發(fā)電場，特別是在海上環(huán)境中，向陸地提供2MW（第一代）～5MW（第二代）的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，安裝在由多達(dá)50臺(tái)或更多風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成的大型船舶中，但功率增大后，水冷部分就需要得到更多的關(guān)注。本文通過對(duì)于風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與海上風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)進(jìn)行分析，對(duì)其水冷技術(shù)進(jìn)行了探究，力求為海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的水冷技術(shù)提出創(chuàng)新的思路。

海上風(fēng)力發(fā)電；水冷系統(tǒng)；創(chuàng)新

1 風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電力的裝置，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍較為廣泛，有垂直和水平軸類型。最小的發(fā)電機(jī)用于諸如用于船只輔助動(dòng)力的蓄電池充電，或?yàn)榻煌ň緲?biāo)志供電的應(yīng)用。較大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可用于為國內(nèi)電力供應(yīng)，同時(shí)通過電網(wǎng)向公用事業(yè)供應(yīng)商出售未使用的電力。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)陣列，被稱為風(fēng)力發(fā)電場，正在成為間歇性可再生能源的日益重要的來源，被許多國家用作減少對(duì)化石燃料依賴的戰(zhàn)略的一部分。任何地點(diǎn)可用的風(fēng)能定量測量稱為風(fēng)力發(fā)電密度（WPD），這是一個(gè)平均每平方米風(fēng)力發(fā)電機(jī)掃掠面積的年均功率的計(jì)算，并結(jié)合了在地面以上的不同高度的因素。風(fēng)力密度的計(jì)算包括風(fēng)速和空氣密度的影響，上述計(jì)算結(jié)果列入國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的指標(biāo)，WPD越大，此地區(qū)評(píng)分越高。變化范圍從1級(jí)（200W/m2）至7級(jí)（800～2000W/m2）。商業(yè)風(fēng)電場通常位于3級(jí)或更高級(jí)別的區(qū)域，盡管在其他區(qū)域也可用。風(fēng)力發(fā)電機(jī)按其設(shè)計(jì)的風(fēng)速分類，包括I～I(xiàn)V類。

2 海上風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)

作為可再生能源和清潔能源之一，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能力較強(qiáng)的發(fā)電能力引起了人們的關(guān)注，中國成為開發(fā)可再生能源發(fā)展最快的國家。然而，在中國的一些地區(qū)，有一些地理位置以及土地風(fēng)力發(fā)電的電氣限制。由于幾乎沒有合適的施工現(xiàn)場，風(fēng)力發(fā)電場附近的電力系統(tǒng)太弱，無法維持風(fēng)力發(fā)電引起的動(dòng)力波動(dòng)，引入大量的陸地風(fēng)電往往極其困難，甚至不可能。在這種情況下，海上風(fēng)電場是增加風(fēng)力發(fā)電的好辦法。對(duì)離岸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，需要進(jìn)行海上數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作、施工基礎(chǔ)研究、輸電方式和海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)水冷設(shè)備的控制。與典型的石油和天然氣發(fā)電技術(shù)相反，風(fēng)力發(fā)電的基礎(chǔ)部分可能占預(yù)計(jì)安裝成本的40%。每個(gè)結(jié)構(gòu)的重量都非常低，所以施加的基礎(chǔ)上的垂直載荷與風(fēng)和波浪的力矩相比會(huì)很小。此外，需要有一個(gè)單一的設(shè)計(jì)，可以在每個(gè)站點(diǎn)上批量生產(chǎn)，而不是每個(gè)基礎(chǔ)單獨(dú)設(shè)計(jì)。結(jié)合起來，這些點(diǎn)導(dǎo)致了一個(gè)非常重要的工程問題。在某些地點(diǎn)，使用淺層地基可能會(huì)更加經(jīng)濟(jì)，特別是吸入安裝的踢腳地基。有必要在相關(guān)的負(fù)載組合下，為這些無葉基礎(chǔ)開發(fā)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)框架，從而實(shí)現(xiàn)最佳結(jié)構(gòu)配置。海上風(fēng)電發(fā)電技術(shù)在水冷部件上有著技術(shù)挑戰(zhàn)，需要考慮風(fēng)電場水冷部分設(shè)計(jì)中的基本因素，包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、接地選項(xiàng)和離岸變電站的開支和與海上風(fēng)電基礎(chǔ)相關(guān)的問題和離岸變電站平臺(tái)的典型尺寸。該平臺(tái)設(shè)計(jì)用于容納主變壓器、接地變壓器、開關(guān)裝置和其它各種配件。接下來，需要探究從海上工廠到陸上電網(wǎng)的傳輸鏈路的選項(xiàng)，對(duì)電網(wǎng)一體化相關(guān)的問題以及當(dāng)前適用的特殊電網(wǎng)規(guī)范要求加以進(jìn)一步分析。

3 水冷技術(shù)的研發(fā)與管理

3.1 水冷技術(shù)研發(fā)

在兆瓦級(jí)的風(fēng)電機(jī)組中，發(fā)電機(jī)和變頻單元是散熱的主體，冷卻系統(tǒng)的作用是把熱量以較快的形式釋放到外界，力求風(fēng)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行。在湘電公司的5MW風(fēng)力電機(jī)組的冷卻系統(tǒng)中，采用了風(fēng)冷與水冷兩種方式，但是這兩種方式各有其適用范圍，水冷系統(tǒng)主要為保持變頻單元的散熱，風(fēng)冷系統(tǒng)主要是讓發(fā)電機(jī)較快地降溫。在風(fēng)冷系統(tǒng)模塊中，干冷的空氣可以在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻，同時(shí)，在冷卻完成后，冷空氣溫度升高，被送入上方排氣口，再重新壓縮后繼續(xù)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻工作。水冷系統(tǒng)的冷卻液為乙二醇，可以在空氣換熱器、水泵間高效流轉(zhuǎn)，在整個(gè)回路之中，冷卻液通過變頻單元，把熱量帶走，再進(jìn)入散熱器進(jìn)行自身的冷卻，然后再送入變頻器中，形成一個(gè)完整的冷卻循環(huán)。

風(fēng)的自由流動(dòng)，風(fēng)—轉(zhuǎn)子效率（包括轉(zhuǎn)子葉片的摩擦和阻力）是影響風(fēng)力發(fā)電的最終價(jià)效率的許多方面之一。齒輪箱損失，發(fā)電機(jī)和轉(zhuǎn)換器損耗可能降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率。為了保護(hù)組件免受不適當(dāng)?shù)哪p，需要提高功率保持恒定在額定工作速度以上，理論功率在風(fēng)速的立方上增加，這進(jìn)一步降低了理論效率。在2011年，商業(yè)公用事業(yè)連接的風(fēng)力發(fā)電機(jī)以額定的運(yùn)行速度，從風(fēng)中提取75～80%的功率。目前液冷系統(tǒng)中常用的冷卻介質(zhì)有水和乙二醇水溶液。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，可使其換熱性能與水相當(dāng)。根據(jù)技術(shù)要求，冬季環(huán)境的最低溫度為-35℃，50%的乙二醇水溶液能夠滿足使用要求。在實(shí)際運(yùn)行過程中，散熱器安裝在塔筒底段外部，要求散熱器具有良好的散熱性；同時(shí)，散熱器處于濕度較高的沿海地區(qū)，應(yīng)有一定的耐腐蝕性。綜合上述要求，選用了具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧而牢固等特點(diǎn)的鋁制錯(cuò)流板翅式換熱器。

3.2 水冷系統(tǒng)選定

由于磨損，效率可能隨時(shí)間略有下降。對(duì)中國3128多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分析顯示，一半的風(fēng)力發(fā)電機(jī)沒有減少，另一半則是每年減產(chǎn)1．2%。垂直風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的效率遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)水平設(shè)計(jì)。因此，翅片形狀根據(jù)流體性能和設(shè)計(jì)使用條件等選定，考慮到風(fēng)場所在沿海地區(qū)空氣中含有固體懸浮物，為避免流道堵塞，空氣流道選用平直型翅片，而乙二醇水溶液流道則選用高性能的鋸齒形翅片。為了保證一定的承壓能力，翅片與隔板選用高防銹性的LF21鋁合金材料，并根據(jù)已知工作條件取隔板厚度為0．813mm。同時(shí)，為了獲得均勻的物流分配效果和使流動(dòng)阻力損失得到較好抑制，封頭選用錯(cuò)排孔板型形式。水冷系統(tǒng)管道包括鋼管和抗壓軟管兩部分，綜合考慮各種因素，選擇系統(tǒng)主干管路鋼管與抗壓軟管內(nèi)徑D1=48mm，支管鋼管與抗壓軟管管內(nèi)徑D2=42mm，并根據(jù)選定管徑計(jì)算出的沿程阻力與局部阻力，選擇合適的循環(huán)泵。并不是所有的風(fēng)能都可以使用，一些小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)被設(shè)計(jì)為在低風(fēng)速下工作。為安全考慮，需要進(jìn)入和離開風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空氣量必須相等。因此，貝茨定律給出風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大可實(shí)現(xiàn)的風(fēng)力發(fā)電提取量，這是通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空氣總動(dòng)能的16/27（59．3%）。因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大理論功率輸出是通過機(jī)器有效區(qū)域的空氣動(dòng)能的16/27倍。

3.3 水冷系統(tǒng)管理

水冷系統(tǒng)的管理，應(yīng)當(dāng)采用系統(tǒng)軟件進(jìn)行調(diào)度，通過水冷系統(tǒng)管道自動(dòng)控制系統(tǒng)，水冷系統(tǒng)可以在更高負(fù)荷的情況下進(jìn)行工作并且避免故障，在完整的運(yùn)行流程中，數(shù)據(jù)的同步性與穩(wěn)定性有著極為重要的作用。自動(dòng)的調(diào)度系統(tǒng)會(huì)重新制定水冷系統(tǒng)管道運(yùn)行過程中的方案，對(duì)災(zāi)害的擴(kuò)大化進(jìn)行擴(kuò)散。水冷系統(tǒng)管道自動(dòng)控制系統(tǒng)決定著水冷系統(tǒng)系統(tǒng)的高效運(yùn)行，將發(fā)電線路的運(yùn)行與維護(hù)結(jié)合起來，這貫穿于水冷系統(tǒng)管道管理的維護(hù)處理過程中。對(duì)于線路的調(diào)整需要特別留意，水冷系統(tǒng)管道系統(tǒng)控制效率與具體線路相關(guān)。國外的EPRI公司正在開發(fā)一種線路檢測機(jī)器人，該機(jī)器人可以永久安裝，每年至少兩次橫穿80km的線路，這個(gè)被稱為Ti的機(jī)器人可以沿傳輸線爬行，并使用各種實(shí)時(shí)檢測技術(shù)來評(píng)估線路組件條件和管道破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語

本文探討了可能用于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用的各種水冷裝置，這些不同的選擇導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電設(shè)備上的不同載荷條件，根據(jù)這些不同負(fù)載條件下的實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)介紹了制定海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)水冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

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