大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)研究

秦基偉

摘要：目前，風(fēng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)中的機(jī)組向著容量更大、性能更穩(wěn)定等方向快速發(fā)展，風(fēng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的各大主要部件的機(jī)組散熱問題逐漸發(fā)展成為業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。本文首先對目前風(fēng)力發(fā)電的散熱原理與機(jī)組結(jié)構(gòu)問題進(jìn)行了詳細(xì)簡述，分析了風(fēng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中的過程中機(jī)組熱量擴(kuò)散產(chǎn)生的主要部件，主要重點(diǎn)介紹和分析了目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)中幾種常見的散熱冷卻系統(tǒng)，并且介紹和分析了各種冷卻系統(tǒng)的利弊。

關(guān)鍵詞;風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;冷卻系統(tǒng)

1.前言

當(dāng)今的我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向著單機(jī)最大容量方向持續(xù)不斷發(fā)展，葉片更加長，塔筒更加高，機(jī)艙更大的方向發(fā)展。而由于風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的平均單機(jī)散熱容量的逐步不斷增大，會直接影響導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的齒輪箱，變頻器等各大類零部件平均散熱量的大幅度增加，如何有效率地降低這些主要的零部件的升溫散熱，已逐漸成為大型風(fēng)力發(fā)電器和機(jī)組最大的技術(shù)問題之一。針對目前的技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀，本文詳細(xì)性地介紹了幾種不同類型中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的冷卻系統(tǒng)。

2.冷卻系統(tǒng)的介紹

冷卻系統(tǒng)顧名思義，它的主要工作任務(wù)就是將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自身產(chǎn)生的多余熱量及時(shí)地釋放到外界的環(huán)境中排出去，確保整個(gè)大功率大型風(fēng)力發(fā)電站和機(jī)組的安全和高效，能夠正常的運(yùn)行。冷卻系統(tǒng)主要包括一般由空冷冷卻系統(tǒng)與液冷系統(tǒng)兩個(gè)大部分，這兩大冷卻系統(tǒng)相互交錯(cuò)、協(xié)同運(yùn)行。其中，空冷這一類冷卻系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和機(jī)組的快速冷卻，而水冷冷卻系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和變頻柜的快速冷卻，溫度稍微升高后啟動(dòng)冷卻系統(tǒng)開始運(yùn)行，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行快速冷卻，而后在溫度降低后停止冷卻系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束，等待著下一輪的冷卻循環(huán)。

3.大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組冷卻方式

由于大型風(fēng)力發(fā)電站在機(jī)組內(nèi)的散熱量主要來自發(fā)電機(jī)艙內(nèi)的各個(gè)散熱組件，因此，對發(fā)電機(jī)組內(nèi)部成員的整體冷卻散熱方式主要取決于發(fā)電機(jī)組所需要選用的散熱設(shè)備組件類型、散熱量值的大小和各個(gè)組件成員在發(fā)電機(jī)艙內(nèi)部的所在位置等多個(gè)因素。目前用于運(yùn)行大型風(fēng)力發(fā)電站的機(jī)組普遍需要采用低壓強(qiáng)制循環(huán)風(fēng)冷和液冷的兩種冷卻散熱方式，這就是我們所謂的空冷冷卻系統(tǒng)和液冷冷卻系統(tǒng);其中，對于中大型中等功率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組則通常需要分別采用低壓強(qiáng)制循環(huán)風(fēng)冷和高壓循環(huán)液冷兩種協(xié)同組合作用的冷卻方式，才能滿足機(jī)組冷卻量的要求。

3.1空冷方式

空冷冷卻方式通常是指通過使用壓縮空氣將整個(gè)風(fēng)力發(fā)電廠的機(jī)組通風(fēng)直接通風(fēng)進(jìn)行冷熱交換所能夠?qū)崿F(xiàn)的一種制冷效果，其大致分為二種制冷方法，一個(gè)方式是自然通風(fēng)制冷，另一種方法是強(qiáng)制風(fēng)冷。所謂自然通風(fēng)冷卻是指在風(fēng)力機(jī)組中不需設(shè)置一個(gè)強(qiáng)制冷卻的通氣裝置，機(jī)組內(nèi)部暴露于組內(nèi)空氣中，由空氣自然通風(fēng)流通將機(jī)組熱能直接帶走;所謂強(qiáng)制風(fēng)冷方式是指在沒有自然通風(fēng)無法充分滿足機(jī)組冷卻需求的特殊情況下，通過設(shè)置強(qiáng)制風(fēng)扇，使用強(qiáng)制風(fēng)扇對整個(gè)風(fēng)力發(fā)電廠的機(jī)組內(nèi)各個(gè)散熱部件設(shè)備進(jìn)行通風(fēng)強(qiáng)制冷卻，從而可以達(dá)到好的冷卻效果。

3.2液冷方式

液冷方式是指利用液體與機(jī)組零件之間的熱傳遞，不同的液體冷卻介質(zhì)可用來對不同的液體熱量傳遞情況從而進(jìn)行冷卻，目前，液冷冷卻系統(tǒng)中常用的冷卻液體介質(zhì)主要有醇化水和乙二醇水溶液，而乙二醇的水溶液與其他水和醇相比，具有更好的化學(xué)防凍性和防冷卻的特性，且通過其中添加特殊的化學(xué)穩(wěn)定性和化學(xué)防腐劑等可使其熱量的傳遞性能與醇水相當(dāng)?？傊?，液冷就是通過液體與部件之間的接觸發(fā)生熱傳遞使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)各個(gè)零件降溫從而達(dá)到冷卻效果。

4.大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)

4.1空—空冷卻系統(tǒng)

空—空冷卻方式一般是一種指通過利用風(fēng)中空氣產(chǎn)生風(fēng)力而使發(fā)電機(jī)組的設(shè)備可以進(jìn)行直接的氣體熱量空氣交換而可以達(dá)到冷卻，其效果一般，分為以下兩類：一類是空氣自然通風(fēng)冷卻，一類的則是空氣強(qiáng)制風(fēng)冷?？铡绽鋮s系統(tǒng)應(yīng)用在小型的風(fēng)力機(jī)組的冷卻系統(tǒng)中。它具有其構(gòu)造簡易、操作費(fèi)用低廉，有利于能源管理和日常保養(yǎng)等一系列優(yōu)勢。但是，該種方法冷卻效果通常受溫度變化影響相當(dāng)大，質(zhì)量效率低。同時(shí)，因?yàn)槭鹿蕶C(jī)房內(nèi)必須長期保持通風(fēng)，造成過多風(fēng)沙和大量降雨容易腐蝕內(nèi)部機(jī)房的零部件，所以正在逐漸被替代。

4.2液—空冷卻系統(tǒng)

液—空冷卻系統(tǒng)原理方式主要用途是一種廣泛用于設(shè)備自身產(chǎn)生的熱量快速冷卻。目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要大型動(dòng)力發(fā)電齒輪箱均已采取液—空冷卻的主要方法。液—空的主冷卻系統(tǒng)原理與空—空制冷系統(tǒng)原理及介質(zhì)相同，液—空制冷系統(tǒng)的主冷介質(zhì)和換熱器與空—空制冷系統(tǒng)有所不同，液—空冷卻系統(tǒng)的冷介質(zhì)是液態(tài)，主要為潤滑油和防凍液。目前防凍液主要是乙二醇水溶液，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、防腐劑等方式還可使其換熱性能與水相當(dāng)，能夠滿足低溫機(jī)組的使用要求。

4.3空—液—空冷卻方式

目前，隨著我國風(fēng)力發(fā)電中的機(jī)組散熱設(shè)備中的單機(jī)發(fā)熱容量的不斷增加，散熱量也在不斷隨之而上升，如果想要繼續(xù)選取采用空—空冷卻系統(tǒng)的這種方式進(jìn)行冷卻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，那么就要額外增加一個(gè)空氣式制冷器的最大排風(fēng)量，此時(shí)也就會大大程度增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)器體積和設(shè)備重量。所以又重新研究開發(fā)出了另一種空氣冷卻系統(tǒng)方式，那就是更為緊湊和更加高效的空—液—空蒸氣冷卻系統(tǒng)，這個(gè)冷卻系統(tǒng)無疑可說是目前進(jìn)行整個(gè)發(fā)電機(jī)組熱冰凍冷卻的最佳選擇方式之一，空—液—空冷卻系統(tǒng)主要目的是由相對獨(dú)立的兩套的冷卻系統(tǒng)共同設(shè)計(jì)組成的。目前，大部分小型機(jī)和大功率空葉系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組都普遍選擇采用的冷卻系統(tǒng)方式是空—液—空冷卻方式。

5.結(jié)語

目前，常用的大型風(fēng)力散熱發(fā)電機(jī)組按其冷卻技術(shù)可分為空冷散熱冷卻和液傳熱熱冷卻。一般對于功率比較小的小型風(fēng)力發(fā)電廠的機(jī)組都會采用自然通風(fēng)，中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組會采用強(qiáng)制冷風(fēng)，大型的機(jī)組多半會采用液冷散熱冷卻，各種制冷技術(shù)通過具體機(jī)組使用的區(qū)域范圍所限而采用不同的機(jī)組散熱冷卻技術(shù)，但不同的冷卻方式散熱量還是有所不同的。但總體而言，空冷冷卻技術(shù)已經(jīng)基本無法完全滿足未來大中功率重型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的高效冷卻系統(tǒng)需求，液冷冷卻技術(shù)及其他高效率的冷卻技術(shù)仍將是目前大中功率重型風(fēng)力發(fā)電機(jī)高效冷卻系統(tǒng)技術(shù)的主要研究發(fā)展方向。

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