直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)過濾散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用*

鄧智春，王其君

(東方電氣風(fēng)電有限公司，四川 德陽 618000)

0 引 言

風(fēng)能作為清潔可再生能源，在當(dāng)今環(huán)境保護(hù)壓力日益嚴(yán)峻的時(shí)代，其在全球能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)越來越重要的地位[1]。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是廣泛使用的風(fēng)能利用技術(shù)之一，即利用風(fēng)輪捕獲風(fēng)能轉(zhuǎn)換為傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械能，由傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生電能，直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組就是眾多風(fēng)力發(fā)電設(shè)備類型之一，其具有結(jié)構(gòu)簡單，故障率低等特點(diǎn)。發(fā)電機(jī)在產(chǎn)生電能的同時(shí)必然會(huì)因損耗產(chǎn)生一定量的熱能，這些熱能必須由合適的散熱系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到機(jī)組外，將發(fā)電機(jī)各部件的溫升控制在允許范圍內(nèi)，否則發(fā)電機(jī)將因過熱而無法正常運(yùn)行。

發(fā)電機(jī)的散熱冷卻方式按冷卻介質(zhì)的形態(tài)區(qū)分，常見的有氣冷、氣液冷和液冷三種類型[2]。中小功率發(fā)電機(jī)通常采用氣冷進(jìn)行冷卻，有些大功率和超大功率發(fā)電機(jī)采用氣液冷和液冷，其具有更高散熱效率，但其技術(shù)太過復(fù)雜，成本高昂。現(xiàn)已安裝運(yùn)行的直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)均采用氣冷方式進(jìn)行冷卻，根據(jù)熱傳遞過程不同，直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣冷散熱又可細(xì)分為強(qiáng)制通風(fēng)冷卻系統(tǒng)、空空冷卻器系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)。強(qiáng)制通風(fēng)冷卻系統(tǒng)即是強(qiáng)制迫使外界空氣與發(fā)電機(jī)發(fā)熱部件進(jìn)行對(duì)流換熱實(shí)現(xiàn)散熱過程，筆者針對(duì)強(qiáng)制通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用，重點(diǎn)對(duì)空氣凈化、送風(fēng)結(jié)構(gòu)和空氣驅(qū)動(dòng)部件進(jìn)行了分析討論，并為某型陸上直驅(qū)發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)了強(qiáng)制通風(fēng)過濾散熱系統(tǒng)。

1 強(qiáng)制通風(fēng)散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

強(qiáng)制通風(fēng)散熱系統(tǒng)即是直接利用外界空氣去冷卻電機(jī)發(fā)熱部件，不同于空空冷卻器系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)是利用被冷卻的空氣去冷卻，根據(jù)熱力學(xué)第二定律知道前者相對(duì)其它兩種散熱系統(tǒng)具有更高的散熱效率，工作原理示意圖見圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)強(qiáng)制空氣冷卻示意圖

強(qiáng)制通風(fēng)散熱系統(tǒng)中進(jìn)入電機(jī)內(nèi)的空氣直接吸收發(fā)熱部件的熱量，然后排除到機(jī)組外，因散熱效率相對(duì)更高，發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)可允許產(chǎn)生更高損耗熱，可實(shí)現(xiàn)降低發(fā)電機(jī)成本。此文設(shè)計(jì)的強(qiáng)制散熱系統(tǒng)主要由空氣過濾結(jié)構(gòu)、風(fēng)道和風(fēng)機(jī)構(gòu)成，如圖2所示，有空氣過濾結(jié)構(gòu)可為發(fā)電機(jī)提供潔凈的散熱空氣；風(fēng)道用于輸送空氣，確保潔凈空氣能集中高效利用；風(fēng)力作為輸送空氣的動(dòng)力源，保證滿足發(fā)電機(jī)的散熱風(fēng)量和風(fēng)速。

圖2 強(qiáng)制通風(fēng)散熱系統(tǒng)工作流程

1.1 空氣過濾

環(huán)境空氣中通常含有沙塵、柳絮等雜質(zhì)，局部地區(qū)還可能含有鹽霧，這些雜質(zhì)進(jìn)入發(fā)電機(jī)后必然會(huì)堵塞散熱通風(fēng)溝等狹窄氣隙，引發(fā)散熱不良等問題，甚至可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)損壞后下架等嚴(yán)重問題。例如國內(nèi)某風(fēng)力發(fā)電機(jī)廠家生產(chǎn)的1.5 MW直驅(qū)發(fā)電機(jī)，采用直接空冷技術(shù)，在風(fēng)場運(yùn)行時(shí)含磁性的沙塵進(jìn)入了發(fā)電機(jī)，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)出現(xiàn)大量下架的嚴(yán)重問題。且當(dāng)空氣中含有鹽霧顆粒，若不過濾直接進(jìn)入發(fā)電內(nèi)，必然會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)造成銹蝕等問題，嚴(yán)重可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)無法正常運(yùn)行。

根據(jù)空氣過濾標(biāo)準(zhǔn)要求[3]，可采用粗效過濾器對(duì)尺度相對(duì)較大的沙塵和柳絮等雜志進(jìn)行過濾。粗效過濾器采用沖撞過濾原理，對(duì)于大于10 mm的雜質(zhì)有95%的過濾效果。對(duì)于含鹽霧等腐蝕物質(zhì)空氣，采用高效過濾濾芯，過濾原理為攔截分離，能有效過濾大部分鹽粒，能很好避免發(fā)電機(jī)出現(xiàn)鹽霧腐蝕問題[4]。每種濾芯有對(duì)應(yīng)的過濾對(duì)象和風(fēng)量要求，設(shè)計(jì)選型時(shí)不因超過最高允許通風(fēng)量Cr，濾芯數(shù)量確定按下式(1)進(jìn)行。

(1)

式中:n為濾芯組數(shù)量；V為系統(tǒng)散熱總風(fēng)量。

且不同濾芯有其對(duì)應(yīng)的風(fēng)量關(guān)系曲線，不同通風(fēng)風(fēng)量下壓損不同，散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要確定選用濾芯類型，以及其P-C曲線，見圖3。

圖3 不同濾芯通風(fēng)風(fēng)量與壓損關(guān)系曲線圖

1.2 風(fēng)道設(shè)計(jì)

風(fēng)道用于輸送空氣，把經(jīng)過過濾的空氣送入發(fā)電機(jī)內(nèi)，然后排除到電機(jī)外，在風(fēng)道設(shè)計(jì)時(shí)需同時(shí)考慮安裝結(jié)構(gòu)和風(fēng)道通風(fēng)壓損。風(fēng)道構(gòu)成了散熱系統(tǒng)的管網(wǎng)系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時(shí)盡量確保管網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單、風(fēng)道壓損小。風(fēng)道設(shè)計(jì)時(shí)盡量保證管道截面形狀統(tǒng)一，管路路線變化少或沒有，變化時(shí)曲率半徑越大越好，也看確保風(fēng)道系統(tǒng)通風(fēng)壓損小。管網(wǎng)系統(tǒng)壓損確定需準(zhǔn)確計(jì)算每段風(fēng)道壓損，然后累加得到管網(wǎng)所有的風(fēng)道通風(fēng)壓力損失。公式(2)可計(jì)算每段風(fēng)道的通風(fēng)壓損值，公式(3)中∑pi為管道網(wǎng)系統(tǒng)總壓損值。

(2)

∑pi=p1+p2+p3+p4+…

(3)

式中：βi為風(fēng)阻系數(shù)；vi為風(fēng)道風(fēng)速。

風(fēng)道系統(tǒng)的壓力損失計(jì)算對(duì)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的選型十分重要，必須盡量準(zhǔn)確計(jì)算出完整風(fēng)道的壓力損失值。

1.3 風(fēng)機(jī)選型

機(jī)組外空氣經(jīng)過過濾后進(jìn)入管網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)直驅(qū)發(fā)電機(jī)進(jìn)行散熱冷卻，需要由風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力，必須合理選擇匹配的風(fēng)機(jī)才能保證散熱系統(tǒng)高效可靠運(yùn)行。風(fēng)機(jī)選型主要輸入?yún)?shù)為發(fā)電機(jī)散熱需求風(fēng)量C和系統(tǒng)風(fēng)路風(fēng)阻P，理論上通風(fēng)風(fēng)機(jī)在提供散熱需求風(fēng)量的同時(shí)靜壓值應(yīng)與通風(fēng)管網(wǎng)內(nèi)空氣流動(dòng)壓損值相等。風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的全壓pt包括動(dòng)壓pd和靜壓ps，靜壓用于克服風(fēng)路系統(tǒng)的通風(fēng)風(fēng)阻，動(dòng)壓對(duì)應(yīng)空氣從系統(tǒng)出口時(shí)具有的動(dòng)能，即：

(4)

式中：pG為發(fā)電機(jī)內(nèi)的通風(fēng)壓損；pL為過濾器的通風(fēng)壓損；v為系統(tǒng)出風(fēng)口空氣速度。

圖4為風(fēng)機(jī)流量靜壓曲線與散熱系統(tǒng)流量壓損曲線關(guān)系，要保持風(fēng)機(jī)正常與合理的運(yùn)轉(zhuǎn)，必須準(zhǔn)確計(jì)算散熱系統(tǒng)的散熱風(fēng)量和壓損值。

圖4 流量與壓力曲線關(guān)系1.散熱系統(tǒng)風(fēng)量壓力曲線 2.風(fēng)機(jī)靜壓-流量曲線

風(fēng)機(jī)選型時(shí)除考慮壓損和風(fēng)量外，還應(yīng)該考慮輸出速度、空氣密度、海拔高度、噪音要求、風(fēng)機(jī)類型和布置、以及驅(qū)動(dòng)方式等。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

某型陸上大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用直驅(qū)發(fā)電機(jī)技術(shù)，其發(fā)電機(jī)的熱損耗功率約310 kW，設(shè)計(jì)采用強(qiáng)制過濾通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行散熱冷卻。經(jīng)理論測算發(fā)電機(jī)內(nèi)部的通風(fēng)壓損值約1 000 Pa，需求通風(fēng)風(fēng)量約11.0 m3/s，機(jī)組安裝在低海拔內(nèi)陸地區(qū)，據(jù)此設(shè)計(jì)了強(qiáng)制散熱通風(fēng)系統(tǒng)，見圖5所示。風(fēng)機(jī)采用能產(chǎn)生高壓頭的離心風(fēng)機(jī)，離心風(fēng)機(jī)強(qiáng)制空氣吹進(jìn)發(fā)電機(jī)內(nèi)，確保發(fā)電機(jī)內(nèi)處于正壓狀態(tài)；為增加過濾效果，采用兩層粗效濾芯方案，單個(gè)濾芯的最大允許通風(fēng)量為3 800 m3/h，所以設(shè)計(jì)采用了12組濾芯。風(fēng)管基本采用圓截面管道。按式(3)、(4)計(jì)算系統(tǒng)的總壓損值，見式(5)。根據(jù)風(fēng)量和散熱系統(tǒng)壓損對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行選型，用兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，單臺(tái)風(fēng)量19 500 m3/h，見圖6、7中可以看出該系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足發(fā)電機(jī)散熱風(fēng)量需求。

圖5 某強(qiáng)制通風(fēng)散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)布局

圖6 選型風(fēng)機(jī)參數(shù)

p總=∑pi+pG+pL=1 000+300+280

=1 580 (Pa)

(5)

圖7 風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與靜壓曲線圖1.風(fēng)機(jī)靜壓-流量曲線 2.風(fēng)路系統(tǒng)風(fēng)量壓力曲線

3 結(jié) 語

針對(duì)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的散熱需求，設(shè)計(jì)了帶過濾功能的強(qiáng)制通風(fēng)過濾散熱系統(tǒng)，重點(diǎn)討論了空氣過濾濾芯選型、風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和壓損計(jì)算、以及風(fēng)機(jī)選型等，對(duì)整個(gè)散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了完整清晰闡述，并以某型直驅(qū)發(fā)電機(jī)散熱需求為例設(shè)計(jì)了強(qiáng)制散熱系統(tǒng)。試驗(yàn)明確了設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)之前必須準(zhǔn)確掌握的關(guān)鍵參數(shù)、設(shè)計(jì)重點(diǎn)，最終能快速準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)出散熱系統(tǒng)。