風(fēng)力發(fā)電變流器水冷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

林錦華

摘 要：兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器的散熱一般采用空氣冷卻和水冷卻兩種方式。水冷有體積小、散熱效率高和各器件易更換等優(yōu)勢(shì)，一般大兆瓦變流器都采用水冷方式。文章以某1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例，根據(jù)水冷系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并闡述了設(shè)備的優(yōu)化選型思路，最后對(duì)關(guān)鍵問(wèn)題的驗(yàn)證手段進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：變流器；水冷系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

前言

目前，在1.5MW和2MW機(jī)型上，約有65%的風(fēng)機(jī)變流器使用水冷。在大兆瓦機(jī)型上，幾乎全部采用水冷。從2005年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)大多數(shù)風(fēng)電整機(jī)廠家開(kāi)始引進(jìn)國(guó)外兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，而國(guó)內(nèi)廠家直接采用進(jìn)口水冷產(chǎn)品與進(jìn)口變流器進(jìn)行配套使用。由于國(guó)內(nèi)風(fēng)電整機(jī)廠家并未對(duì)水冷給予足夠的關(guān)注，同時(shí)進(jìn)口水冷產(chǎn)品廠家沒(méi)有充分考慮國(guó)內(nèi)、外使用環(huán)境的差異性，直接套用國(guó)外經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品，以致運(yùn)行期間出現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)功能失效、溫度壓力突變等問(wèn)題，基于此對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化和選型優(yōu)化。

1 水冷系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

1.1 針對(duì)溫度調(diào)節(jié)功能失效問(wèn)題的優(yōu)化設(shè)計(jì)

國(guó)外主流產(chǎn)品通常在水泵進(jìn)口處設(shè)置溫控閥，該溫控閥是機(jī)械式自勵(lì)調(diào)節(jié)。隨著溫度的逐步上升開(kāi)始逐步導(dǎo)通水-風(fēng)冷卻器循環(huán)回路，使得其中一部分水直接回水泵，另一部分水則進(jìn)入水-風(fēng)冷卻器進(jìn)行循環(huán)；隨著溫度的升高，通過(guò)水-風(fēng)冷卻器的流量逐漸增加，直接回水泵的流量減少，直至最后冷卻介質(zhì)全部通過(guò)水-風(fēng)冷卻器循環(huán)。由于系統(tǒng)溫升（降）波動(dòng)大，機(jī)械式的溫度調(diào)節(jié)速度無(wú)法與電動(dòng)調(diào)節(jié)的方式配比，而且由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的限制，機(jī)械式溫控閥往往容易出現(xiàn)受異物堵塞的問(wèn)題。

針對(duì)上述現(xiàn)象，優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路是在與空氣換熱器的進(jìn)口管路連接的循環(huán)管路上設(shè)置一電動(dòng)三通閥，且該電動(dòng)三通閥的一支路與和空氣換熱器出口管路連接的循環(huán)管路連通，從而控制流經(jīng)空氣換熱器回路的流量。根據(jù)水溫的變化，三通閥在一定溫度范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)工作角度從而控制流經(jīng)換熱器的流量比列，當(dāng)水溫過(guò)低時(shí)，使一部分從被冷卻器件中過(guò)來(lái)的熱水不經(jīng)過(guò)空氣換熱器降溫，直接回到主循環(huán)泵的入口，從而使循環(huán)水溫回升。優(yōu)化后的工藝流程圖詳見(jiàn)圖1。

1.2 針對(duì)溫度、壓力突變問(wèn)題的優(yōu)化設(shè)計(jì)

國(guó)外主流產(chǎn)品通過(guò)隔膜式膨脹罐、安全閥的組合作為緩沖單元，罐內(nèi)預(yù)充一定氣體壓力，通過(guò)膨脹罐把液壓能轉(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)泵出口壓力出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，膨脹罐釋放或儲(chǔ)存能量參與系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)壓力過(guò)高時(shí)安全閥動(dòng)作排出部分冷卻水來(lái)維持系統(tǒng)的正常壓力。由于內(nèi)部冷卻介質(zhì)的不斷排出，此設(shè)計(jì)會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)補(bǔ)水維護(hù)周期過(guò)短的問(wèn)題。隔膜式膨脹罐的選用，由于罐身與冷卻介質(zhì)直接接觸從而會(huì)造成冷卻液污染的問(wèn)題。

針對(duì)此問(wèn)題，優(yōu)化設(shè)計(jì)措施是采用氣泵、電磁閥和氣囊式膨脹罐組合成為系統(tǒng)的緩沖單元，吸收和釋放密閉系統(tǒng)內(nèi)冷卻水隨溫度變化時(shí)產(chǎn)生的體積變化引起的壓力波動(dòng)。壓力高時(shí)電磁閥動(dòng)作排氣釋放壓力，壓力低時(shí)氣泵啟動(dòng)提升系統(tǒng)壓力，系統(tǒng)能滿(mǎn)足隨風(fēng)速變化、風(fēng)機(jī)負(fù)載和波動(dòng)幅度大對(duì)系統(tǒng)壓力產(chǎn)生的波動(dòng)性。

此設(shè)計(jì)能有效防止水冷系統(tǒng)失壓所造成的補(bǔ)壓維護(hù)周期過(guò)短的問(wèn)題；氣囊式膨脹罐能很好的實(shí)現(xiàn)水汽分離，水儲(chǔ)存在氣囊內(nèi)部不與罐體有接觸。

2 空氣散熱器翅片的優(yōu)化選型

空氣散熱器翅片形狀根據(jù)流體性能和設(shè)計(jì)使用條件等選定，考慮風(fēng)力發(fā)電風(fēng)場(chǎng)所在地區(qū)空氣中含有固體懸浮物，為避免流道堵塞而影響散熱能力，空氣流道應(yīng)選用平直型翅片，而不是鋸齒形翅片。雖然在同等面積下鋸齒形翅片相對(duì)于平直型翅片換熱性能略?xún)?yōu)，但由于其為交錯(cuò)排列，極容易受風(fēng)沙、柳絮等異物堵塞通道，因此寧可增大換熱面積而選用不易堵塞的平直型散熱器翅片。

3 關(guān)鍵問(wèn)題驗(yàn)證

3.1 散熱能力驗(yàn)證

為避免水冷系統(tǒng)出現(xiàn)換熱能力不足的問(wèn)題，水-風(fēng)換熱設(shè)備需進(jìn)行熱負(fù)荷測(cè)試驗(yàn)證。熱負(fù)荷系統(tǒng)工藝流程圖如圖2所示。

系統(tǒng)內(nèi)為要求的冷卻介質(zhì)，在對(duì)應(yīng)流量及投入功率下，待其相對(duì)穩(wěn)定后，記錄各進(jìn)、出水溫度值，進(jìn)、出風(fēng)溫度值，從而可以計(jì)算出對(duì)數(shù)平均溫差、傳熱系數(shù)及冷卻容量等參數(shù)。當(dāng)冷卻容量大于等于額定冷卻容量時(shí)，可以確定散熱器符合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)還可以測(cè)量散熱器的噪音、風(fēng)量等數(shù)據(jù)。

3.2 軟管高低溫耐水壓驗(yàn)證

風(fēng)力發(fā)電水冷系統(tǒng)設(shè)備間的連接多數(shù)選用橡膠軟管連接，因此軟管的密封性能尤為重要。國(guó)內(nèi)很多水冷廠家未能有效的解決軟管低溫滲漏的問(wèn)題，因此對(duì)軟管高低溫耐水壓進(jìn)行驗(yàn)證十分重要，驗(yàn)證條件和內(nèi)容主要包括：（1）軟管必須在常壓0.8MPa下，通過(guò)-40℃～55℃，72小時(shí)高、低溫交變?cè)囼?yàn)驗(yàn)證。（2）軟管必須通過(guò)2倍工作壓力的耐壓試驗(yàn)驗(yàn)證。（3）軟管必須通過(guò)70%爆破試驗(yàn)壓力的滲漏試驗(yàn)驗(yàn)證。（4）軟管必須通過(guò)4倍工作壓力的爆破試驗(yàn)驗(yàn)證。（5）高低溫、耐壓和滲漏試驗(yàn)中不應(yīng)出現(xiàn)滲漏或其它密封失效，爆破試驗(yàn)壓力值不低于最小爆破壓力。

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)國(guó)內(nèi)兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)已躍居國(guó)際風(fēng)力發(fā)電的先進(jìn)水平，本文對(duì)目前主流兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電水冷系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，并對(duì)關(guān)鍵問(wèn)題的驗(yàn)證手段進(jìn)行了分析，對(duì)今后進(jìn)一步開(kāi)展大功率風(fēng)力發(fā)電水冷系統(tǒng)的研究具有一定的借鑒意義。