水冷系統(tǒng)熱交換器戶外電源盒可靠性提升及優(yōu)化

蒙元楷,洪春鳳,劉建偉,武雙兵,符夏穎,羅毅強(qiáng)

(廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司，廣東 廣州 510663)

在兆瓦級(jí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，越來越多的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組核心部件--變流(頻)器的散熱選擇采用水冷卻。水冷卻系統(tǒng)通過冷卻介質(zhì)，將被冷器件的熱量輸送到熱交換器并由熱交換器將熱量帶走。板翅式散熱器作為一種換熱效率高，經(jīng)濟(jì)效益好的熱交換器，現(xiàn)已在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變流(頻)器的冷卻系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。

板翅式熱交換器，通常依靠單個(gè)或多個(gè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)制對(duì)流加大換熱效率。為了現(xiàn)場施工便利，客戶通常要求在熱交換器上設(shè)置一個(gè)戶外電源盒作為設(shè)備電氣接口。由于熱交換器常置于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒外部，且常規(guī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所在環(huán)境通常情況較為惡劣，這要求熱交換器上的電源盒需要要適用于嚴(yán)酷的戶外環(huán)境[2-3]。

1 熱交換器戶外電源盒的使用需求

戶外電源盒、機(jī)柜有許多成熟的產(chǎn)品，比如德國RITTAL公司的戶外機(jī)柜系列，已經(jīng)得到了廣泛的采用。但是對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變流(頻)器水冷系統(tǒng)的外部熱交換器來說，這類戶外電源盒、機(jī)柜尺寸過大，經(jīng)濟(jì)效益低下。

對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變流(頻)器水冷系統(tǒng)的外部熱交換器，其戶外電源盒應(yīng)能滿足以下要求：

⑴性能可靠，具有較好的防護(hù)性能；

⑵尺寸小巧、緊湊；

⑶結(jié)構(gòu)簡單、易加工、經(jīng)濟(jì)效益好；

⑷使用、維護(hù)方便。

2 熱交換器戶外電源盒的設(shè)計(jì)

按照電源盒的實(shí)際使用需求，電源盒可分為外部的盒體與內(nèi)部的電氣元件安裝板，本裝置的電氣元件尺寸需求不大，200mm×120mm的電氣安裝板尺寸就足以滿足使用需求。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就在于外部盒體的設(shè)計(jì)。

2.1 盒體和盒蓋的設(shè)計(jì)

常規(guī)的戶外電源盒盒蓋通常選用鉸鏈與盒體連接，使用機(jī)柜鎖關(guān)閉盒蓋。這種結(jié)構(gòu)雖然可靠，但是鉸鏈、機(jī)柜鎖的的尺寸限制使其不能做小(本實(shí)例中要求電源盒長度不大于280mm，高度不大于200mm，深度不大于100mm)。故不選擇鉸鏈形式，盒體與盒蓋作為兩個(gè)單獨(dú)的零件，使用自攻螺栓連接。

2.1 入組患者基線資料 結(jié)果(表1)表明：57例前循環(huán)顱內(nèi)動(dòng)脈瘤破裂患者32～81歲，平均年齡為(58.3±11.3)歲，女性居多(59.90%)，動(dòng)脈瘤部位以大腦中動(dòng)脈及前交通動(dòng)脈為主(64.9%)。術(shù)前Fisher分級(jí)以2級(jí)、3級(jí)者為主(89.5%)。術(shù)前CT提示存在腦萎縮者較多，以輕至中度腦萎縮為主(94.7%)。

電源盒盒體采用折彎設(shè)計(jì)，可由一塊鋼板鈑金折彎而成，這樣不僅保證了加工效率，而且能很好的降低成本。

2.2 防護(hù)性能的保證

由于是戶外電源盒，對(duì)防護(hù)等級(jí)有較高的要求，通過以下細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了電源盒防護(hù)性：

Ⅰ 電源盒與設(shè)備安裝時(shí)，在安裝孔處墊有密封墊，并在安裝孔處沖壓出一個(gè)小凸臺(tái)，可以很好的避免雨水的滲入；

Ⅱ 盒蓋與盒體之間采用發(fā)泡膠密封，盒體上有專門的折邊壓住盒蓋上的發(fā)泡膠。連接盒體與盒蓋的自攻螺栓，與盒蓋之間也墊有密封墊。

2.3 滿足認(rèn)證的特殊要求

隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)落地、中國風(fēng)力發(fā)電裝備制造企業(yè)實(shí)力的不斷增強(qiáng)。越來越多的國產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組“走出去”。作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組核心部件變流(頻)器配套水冷系統(tǒng)的熱交換器，也需要滿足各個(gè)進(jìn)口國的強(qiáng)制認(rèn)證需求。電源盒作為熱交換器上的一個(gè)部件，設(shè)計(jì)也需要滿足各種認(rèn)證需求。

Ⅰ為滿足強(qiáng)調(diào)安全合格的CE認(rèn)證要求，電源盒所有的尖銳部分需要全部倒鈍處理。

Ⅱ 為滿足北美市場安裝準(zhǔn)入的ETL認(rèn)證需求，在電源盒頂部有專門設(shè)計(jì)的擋雪板。

按照上述要求，設(shè)計(jì)出來的電源盒形式如下。

圖1 戶外電源盒的模型爆炸圖

圖2 現(xiàn)場投運(yùn)的裝有戶外電源盒的熱交換器

3 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)電源盒的不足

如上所述的戶外電源盒，由于其結(jié)構(gòu)緊湊、方便易用，經(jīng)濟(jì)效益好，已經(jīng)在多個(gè)地區(qū)的多個(gè)風(fēng)電場得到了廣泛應(yīng)用。但是，統(tǒng)計(jì)多年的現(xiàn)場反饋問題，還是發(fā)現(xiàn)了此結(jié)構(gòu)的戶外電源盒的一些不足。

3.1 盒蓋與盒體的連接不夠可靠

盒蓋與盒體間采用自攻螺絲連接，現(xiàn)場設(shè)備投運(yùn)時(shí)至少經(jīng)歷了4次拆裝(電源盒制造商出廠、熱交換器生產(chǎn)廠來料檢驗(yàn)、熱交換器生產(chǎn)廠組裝接線、現(xiàn)場施工單位接線)。所用自攻螺絲(規(guī)格為M4)容易失效。由于電源盒為薄板鈑金件(鈑金壁厚一般不大于1.5mm)，無法使用大規(guī)格的自攻螺絲替換安裝。無法正常安裝的盒蓋，是導(dǎo)致設(shè)備失效的一個(gè)誘因。

3.2 盒蓋與盒體連接螺栓容易被破壞

盒蓋與盒體間連接采用十字自攻螺絲(規(guī)格為M4)。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所在地較為偏僻，現(xiàn)場維護(hù)人員巡檢盲區(qū)較大。位于風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒外的散熱器部件會(huì)有被破壞、盜取的情況出現(xiàn)。盒蓋與盒體間使用的十字自攻螺絲，拆裝工具易得，規(guī)格較小容易被外力破壞。極端情況下會(huì)影響發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行。

4 電源盒的可靠性提升優(yōu)化

從實(shí)際使用的反饋情況來看，此結(jié)構(gòu)的電源盒的痛點(diǎn)集中在盒蓋與盒體的連接上。可靠性提升的主要思路是改變盒體盒蓋連接處的結(jié)構(gòu)。

圖3 優(yōu)化后的電源盒模型爆炸圖

具體的改變有：

(1)在盒體上焊接螺母，不再采用自攻螺絲連接；盒體與盒蓋連接處置于電源盒外，能保證極端條件下盒體螺母破壞也能外裝額外螺母保證可靠性。

同時(shí)盒體最外側(cè)邊增加“死邊”工序，降低盒體邊緣的銳度，增加對(duì)于人的防護(hù)：

圖4 優(yōu)化后的電源盒盒體局部圖

(2) 連接螺栓選用M6規(guī)格的內(nèi)六角螺母，選用M6規(guī)格的原因在于M6較M4強(qiáng)度大。選用內(nèi)六角螺栓的原因是內(nèi)六角作為工業(yè)裝備常用螺栓，內(nèi)六角扳手工具較為易得；由于內(nèi)六角螺栓在民用領(lǐng)域應(yīng)用不夠普遍，普通人員不會(huì)專門采購一套使用率不高的工具。使用內(nèi)六角螺栓，可以在滿足方便拆裝的前提下，降低電源盒非正常破壞的可能。

5 新舊電源盒的使用成本比較

優(yōu)化過后的電源盒，由于增加材料、工序等原因，在同等材料、同等表面處理的前提下，新電源盒比舊電源盒成本增加了約10.3%。

電源盒作為熱交換器的一個(gè)組成部分，對(duì)整個(gè)熱交換器來說，新舊電源盒的成本變化使得散熱器成本增加了0.12%。

如果一個(gè)電源盒最終導(dǎo)致了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的因故停機(jī)，熱交換器供貨商不僅需要支出售后人員現(xiàn)場更換維護(hù)的費(fèi)用，還要承擔(dān)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組停發(fā)造成的損失。綜合考慮，采用新結(jié)構(gòu)的電源盒，以一點(diǎn)點(diǎn)的成本增加，來大幅降低一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的發(fā)生概率，是十分經(jīng)濟(jì)的。

圖5 優(yōu)化后的電源盒盒已開始應(yīng)用

6 小結(jié)

對(duì)于一臺(tái)需要連續(xù)運(yùn)行工業(yè)設(shè)備來說，在保證使用性能的前提下，設(shè)備的可靠性無疑是最為重要的屬性。對(duì)于一個(gè)完整的系統(tǒng)來說，任何一個(gè)細(xì)微部件的失效，都有可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的停擺。高可靠性往往意味著高投入，可靠性與經(jīng)濟(jì)性常常作為一對(duì)矛盾貫穿整個(gè)系統(tǒng)的始終。在這兩個(gè)矛盾中如何取舍，需要系統(tǒng)管理者在更高的層次上統(tǒng)籌決策。

本實(shí)例通過實(shí)例介紹了小型戶外電源盒的設(shè)計(jì)及可靠性提升方案，綜合成本比較后決策，使高可靠性的電源盒開始投入使用。