東方風(fēng)電變流器水冷系統(tǒng)簡析

王佰川

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東方風(fēng)電變流器水冷系統(tǒng)簡析

王佰川

（成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川樂山 614000）

本文詳細(xì)介紹了北歐某項(xiàng)目變流器水冷系統(tǒng)的重要參數(shù)的計(jì)算過程，包括空氣散熱器的芯體散熱面積的計(jì)算、散熱電動(dòng)機(jī)選型、膨脹罐選型、冷卻液選型、風(fēng)機(jī)導(dǎo)風(fēng)筒選型、芯體集水盒內(nèi)的加熱器選型。通過闡述風(fēng)電變流器水冷系統(tǒng)的運(yùn)行原理，為大功率風(fēng)電變流器的水冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考。

變流器水冷系統(tǒng)；參數(shù)計(jì)算；防凍措施

2014年東方電氣2.5MW直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組批量化地打入歐洲市場(chǎng)。項(xiàng)目年結(jié)冰期5個(gè)月，低于零下20℃的時(shí)間300h，低于零下25℃的時(shí)間42h[1]。最好的風(fēng)力在冬季，為了有效利用結(jié)冰期的風(fēng)資源，東方電氣對(duì)變流器水冷系統(tǒng)做了特殊設(shè)計(jì)。

該地區(qū)高寒高濕，凡是機(jī)組和外界空氣能接觸的任何死角都有大量結(jié)冰。

1 變流器水冷系統(tǒng)的工作原理

從圖1可以看出工作原理：冷卻液流經(jīng)變流器帶走熱量，冷卻液由循環(huán)泵的進(jìn)口經(jīng)室外空氣散熱器與冷空氣進(jìn)行熱交換，散熱后再進(jìn)入變流器。在水冷系統(tǒng)室內(nèi)管路和室外管路之間設(shè)置電動(dòng)三通閥，由變流器控制系統(tǒng)檢測(cè)當(dāng)前冷卻液溫度自動(dòng)控制電動(dòng)三通閥，從而調(diào)節(jié)進(jìn)入空氣散熱器的流量來實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。

冷卻模式：當(dāng)變流器工作產(chǎn)生熱量時(shí)，冷卻液帶走熱量，根據(jù)設(shè)定的起停溫度依次起動(dòng)散熱電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)冷卻液的熱交換。

圖1 變流器水冷系統(tǒng)的工藝流程圖

加熱模式：當(dāng)環(huán)境溫度太低時(shí)，為防止變流器柜內(nèi)的凝露，根據(jù)設(shè)定的起停溫度起動(dòng)電加熱器對(duì)冷卻液加熱。電加熱器與散熱電動(dòng)機(jī)互鎖，不能且不會(huì)同時(shí)起動(dòng)。

2 重要參數(shù)計(jì)算

變流器水冷系統(tǒng)的重要參數(shù)見表1。

表1 系統(tǒng)重要參數(shù)表

2.1 空氣散熱器的芯體散熱面積

外冷系統(tǒng)為板翅式空氣散熱器，采用風(fēng)冷實(shí)現(xiàn)冷卻液的散熱，熱水被輸入空氣散熱器，流過鋁質(zhì)冷卻板腔，水的熱量傳給冷卻板翅，在空氣側(cè)，由冷卻風(fēng)機(jī)將空氣吸入，使之流過板翅間，熱量傳給空氣排出。冷水由空氣散熱器流出送至變流器，從而保證變流器在允許的溫度下運(yùn)行[2]。

1）穩(wěn)態(tài)傳熱方程

熱流體將熱量通過某固定壁面?zhèn)鹘o冷流體的過程稱為傳熱，其式為

式中，為熱負(fù)荷，W；為總傳熱系數(shù)，W/（m2·s·℃）；為換熱器總傳熱面積，m2；Dm為進(jìn)行換熱的兩個(gè)流體之間的平均溫度差，℃。

2）傳熱系數(shù)

普朗特?cái)?shù)是表征流體流動(dòng)中動(dòng)量交換與熱交換相對(duì)重要性的參數(shù)，反映流體物理性質(zhì)對(duì)對(duì)流傳熱過程的影響[3]。普朗特?cái)?shù)r的式為

式中，為粘度；p為等壓比熱容；為傳熱系數(shù)。空氣的物性數(shù)據(jù)：p=0.2410kcal/kg·℃，=2.0400× 10-6N·s/m2。

冷卻液的普朗特?cái)?shù)r1=2.0579745，當(dāng)?shù)乜諝獾钠绽侍財(cái)?shù)r2=0.70868401。以上參數(shù)代入式（2），傳熱系數(shù)為

1=91.5W/m2·h·℃

考慮污垢影響，取清潔系數(shù)為0.85，總傳熱系數(shù)計(jì)算：

=0.85×1=77.8W/(m2·h·℃)

=0.86125kcal/W×77.8W/(m2·h·℃)

=67kcal/(m2·h·℃) （3）

3）邊界條件計(jì)算

錯(cuò)流對(duì)數(shù)平均溫差[4-6]為

變流器的散熱需求為100kW，水冷系統(tǒng)的散熱能力也就是100kW，單位換算如下：

=100kW=86040kcal/h

傳熱面積：

換熱面積裕度取10%。

實(shí)際面積2=(1+)×1=146m2

該項(xiàng)目的換熱面積為150m2，即使多年不遇的極端惡劣環(huán)境散熱器也滿足需求。

2.2 散熱電動(dòng)機(jī)選型

電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算式為

式中，e為電動(dòng)機(jī)功率；0為風(fēng)機(jī)輸出功率；1為風(fēng)機(jī)的葉片效率，為0.48；2為傳動(dòng)效率，非皮帶式，為1；3為電動(dòng)機(jī)效率，為0.9。

風(fēng)機(jī)輸出功率式為

0=2D1D（7）

2以風(fēng)筒空氣溫度為基準(zhǔn)的溫度修正系數(shù)，對(duì)于普通的鼓風(fēng)式水冷空冷器2=1.1；對(duì)于普通的引風(fēng)式水冷空冷器2=1.2～1.5；本文為引風(fēng)式，取值1.2。

D1為風(fēng)壓，取值160Pa。

D為空氣穿過風(fēng)筒時(shí)的體積風(fēng)量，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的空氣密度=1.396kg/m3單個(gè)風(fēng)機(jī)的體積風(fēng)量取值5m3/s。

計(jì)算過程：

因此，散熱電動(dòng)機(jī)選型為2.2kW。

2.3 膨脹罐選型

在主循環(huán)管路上串聯(lián)有壓縮空氣穩(wěn)壓單元，由膨脹罐、手動(dòng)排氣閥、自動(dòng)排氣閥等組成。膨脹罐充有穩(wěn)定壓力的壓縮空氣，當(dāng)系統(tǒng)壓力損失時(shí)，壓縮空氣自動(dòng)擴(kuò)張，把冷卻水壓入循環(huán)管路，以保持管路的壓力恒定和冷卻水的充滿。

整個(gè)系統(tǒng)冷卻液總?cè)萘繛?00L，冷卻液的熱膨脹系數(shù)經(jīng)查表為0.0735，2為冷卻液進(jìn)變流器最大壓力4bar，1為膨脹罐預(yù)充空氣壓力1.2bar，膨脹罐的容積的計(jì)算：

按選大不選小原則，該品牌系列產(chǎn)品中最接近的是24L，所以選24L的膨脹罐。

3 防凍設(shè)計(jì)

嚴(yán)酷的冰雪環(huán)境對(duì)變流器水冷系統(tǒng)影響很大，空氣散熱器需要防凍設(shè)計(jì)；另外，考慮到風(fēng)電機(jī)組的起動(dòng)時(shí)間限制需要對(duì)水冷的加熱系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)。

3.1 冷卻液選型

防凍液的作用：防腐保護(hù)、防止水垢、帶走熱量。

冷卻液中丙二醇的濃度越高則冷卻液的比熱容越小會(huì)導(dǎo)致散熱效果越差，濃度越低則冷卻液的冰點(diǎn)越高。用試驗(yàn)得出該項(xiàng)目冷卻液各成份比例（體積比）：53%的蒸餾水、46.5%的丙二醇、0.5%的防腐劑。

乙二醇和丙二醇都是工業(yè)冷凍行業(yè)中常用的低溫載冷劑。丙二醇雖然昂貴，但卻具有無毒、冰點(diǎn)低等優(yōu)點(diǎn)。介于極寒天氣和苛刻的歐盟環(huán)保要求，該項(xiàng)目選擇了丙二醇。兩者物性對(duì)比見表2。

表2 乙二醇與丙二醇物性對(duì)比表

注：均為20℃的數(shù)據(jù)。

3.2 風(fēng)機(jī)導(dǎo)風(fēng)筒

水冷本體及相關(guān)部分安裝在塔筒內(nèi)平臺(tái)上，水冷本體與空氣散熱器通過不銹鋼管道和軟管連接。塔筒外壁安裝了懸空支架平臺(tái)，空氣散熱器水平安裝在該支架上，即空氣散熱器的進(jìn)風(fēng)與地平面垂直。如圖2所示，在空氣散熱器出風(fēng)口增加導(dǎo)風(fēng)筒，防止雨雪進(jìn)入散熱器而結(jié)冰。另外，為防止電動(dòng)機(jī)葉片表面結(jié)冰和電動(dòng)機(jī)潤滑油冰凍，在3個(gè)風(fēng)筒上增加3個(gè)空氣加熱帶，加熱帶與散熱電動(dòng)機(jī)互鎖，電動(dòng)機(jī)停止時(shí)加熱帶同時(shí)起動(dòng)。

圖2 空氣散熱器

90°風(fēng)道會(huì)增加空氣散熱器通風(fēng)風(fēng)阻，從而在選型風(fēng)機(jī)時(shí)提高風(fēng)壓或選型芯體時(shí)降低風(fēng)阻。風(fēng)管內(nèi)空氣流動(dòng)的阻力有兩種：①由于空氣本身的粘滯性及其與管壁間的摩擦而產(chǎn)生的沿程能量損失，為摩擦阻力；②空氣流經(jīng)風(fēng)管中的管件及設(shè)備時(shí)，由于流速的大小和方向變化以及產(chǎn)生渦流造成比較集中的能量損失，為局部阻力。局部阻力的式：=2/2。

1）矩形風(fēng)道

空氣散熱器總風(fēng)量54000m3/h（即單個(gè)風(fēng)筒風(fēng)量為18000m3/h），矩形風(fēng)道截面為2.8m、寬度為0.8m。為局部阻力系數(shù)，查表3得到：=0.2；為風(fēng)管內(nèi)空氣的平均流速，m/s；為空氣的密度，1.396kg/m3。矩形風(fēng)道截面如圖3所示。

風(fēng)管內(nèi)平均風(fēng)速為

局部阻力為

Pa=0.695Pa （11）

圖3 矩形風(fēng)道截面示意圖

表3 90°矩形彎道局部阻力系數(shù)表

增加矩形通風(fēng)管道后增加局部阻力0.695Pa。風(fēng)量54000m3/h條件下，空氣散熱器芯體風(fēng)阻130Pa。

風(fēng)機(jī)風(fēng)壓=160Pa＞130+0.695=130.695Pa，滿足要求，且裕量非常大。

2）圓形風(fēng)道

圓形風(fēng)道截面示意圖如圖4所示。

圖4 圓形風(fēng)道截面示意圖

圓形彎道局部阻力系數(shù)的計(jì)算如下。

=/，=90°，因本次=，所以有

計(jì)算每一個(gè)風(fēng)筒的局部風(fēng)阻為

空氣散熱器風(fēng)筒直徑700mm，風(fēng)道內(nèi)平均風(fēng)速為

Pa=27.1Pa（14）

總風(fēng)阻=27.1+130Pa=157.1Pa＜160Pa

滿足要求，但是裕量非常小，散熱效果肯定不如矩形風(fēng)筒。

綜合以上得出增加矩形導(dǎo)風(fēng)筒是合理的。

3.3 芯體2集水盒內(nèi)的加熱器

風(fēng)雪可以不留任何死角的粘在空氣散熱器的四周，即使是進(jìn)風(fēng)的空氣散熱器底部。為了避免冰凍引發(fā)堵塞，將細(xì)長型加熱棒安裝到散熱器芯體集水盒內(nèi)，開起加熱棒和水冷自帶加熱器，能快速將散熱器表面的冰雪融化。

整個(gè)系統(tǒng)總水量200L，冷卻介質(zhì)的密度為1030kg/m3，冷卻介質(zhì)在-30℃的比熱約為3.5kJ/（kg·K），需要30min內(nèi)將冷卻液由-30℃加熱至5℃，加熱功率為

水冷系統(tǒng)自帶4kW電加熱器，因此加熱棒為10kW。

4 風(fēng)場(chǎng)冷卻效果驗(yàn)證

在最熱的7月和最冷的3月對(duì)變流器的冷卻效果進(jìn)行分析?，F(xiàn)場(chǎng)使用風(fēng)電機(jī)組的SCADA系統(tǒng)記錄每天60min數(shù)據(jù)，然后在辦公軟件office Excel中將數(shù)據(jù)合成為整月的圖形，詳情分別如圖5、圖6所示。

從圖5看出變流器的冷卻效果良好，各項(xiàng)指標(biāo)均在正常范圍內(nèi)，具體情況：入變流器冷卻水溫度最大值基本穩(wěn)定在30℃，網(wǎng)側(cè)/機(jī)側(cè)模塊溫度最大值基本穩(wěn)定在70℃，入變流器冷卻水壓力最小值大約是3.8bar，出變流器冷卻水壓力最小值基本穩(wěn)定在1.1bar。

從圖6看出，變流器冷卻系統(tǒng)的防凍措施足以保障機(jī)組在嚴(yán)酷的極寒天氣中穩(wěn)健運(yùn)行。

5 結(jié)論

該項(xiàng)目變流器水冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)嚴(yán)格依據(jù)選型計(jì)算書且滿足CE認(rèn)證和歐盟環(huán)保要求。通過風(fēng)場(chǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)得知冷卻效果良好，希望本文能給同行以借鑒。

圖5 7月冷卻系統(tǒng)與變流器溫度曲線

圖6 3月冷卻系統(tǒng)與變流器溫度曲線

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The Introduction of Water Cooling System for Converter of Dongfang Electrical Wind Power Turbine Co

Wang Baichuan

(The Engineering & Technical College of Chengdu University, Leshan, Sichuan 614000)

The design of water cooling system for converter for the project of Northern Europe is introduced detailed in this paper, including parameters’ calculation of the area of air cooler, cooling motor, expansion cylinder, water distribution, air duct and heater in cooler fin core body. This paper describes the operation principle of wind power converter cooling system, which may be used for reference of design of large capacity of water cooling system for converter.

water cooling system for converter; parameters’ calculation; antifreezing measures

王佰川（1985-），男，碩士研究生，工程師，從事風(fēng)電設(shè)計(jì)工作。