沿海節(jié)能型集裝箱式電站的設計與研究

沈 俊，楊瀟逸

（中國船舶重工集團公司第七〇三研究所無錫分部，江蘇 無錫 214000）

0 引 言

近年來，國家堅強智能電網(wǎng)的建設對電站的要求越來越高。電站要滿足占地少、建設快、可移動等需求，集裝箱式電站應運而生。集裝箱式電站將電力設備、空調(diào)系統(tǒng)、輔助照明系統(tǒng)等集中放置在一個或多個標準集裝箱內(nèi)，多個產(chǎn)品以整體的形式交付給用戶，運輸方便且易于安裝[1,2]。

集裝箱式電站系統(tǒng)具有高集成性和可移動性的特點，其配置空調(diào)給內(nèi)部電力設備散熱導致耗能。傳統(tǒng)的集裝箱暖通設計較為粗獷，空調(diào)配置較高導致集裝箱電站自身能耗居高不下，影響整個電站的效率。同時，該集裝箱電站系統(tǒng)位于沿海地區(qū)，需要集裝箱建筑具有一定的抗腐蝕能力，對此開展針對性的研究與設計，更好地保證集裝箱電站系統(tǒng)運行的綠色高效和可靠性。

1 集裝箱電站的空調(diào)節(jié)能設計

集裝箱電站內(nèi)部布置電氣元件，元件熱量散發(fā)在集裝箱中。出于防護考慮，箱體一般封閉處理，加上戶外陽光輻射的能量和電氣設備耗散的熱量疊加，使得集裝箱內(nèi)部溫度容易超限，從而引發(fā)設備故障，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過加裝空調(diào)系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)集裝箱內(nèi)部溫度，保證系統(tǒng)的可靠性，但是空調(diào)耗能會影響成套電站的效率，需要從空調(diào)的合理配置和布局入手，降低能耗，提高電站的效率。

某新能源風電場電站集裝箱無功補償設備艙的三維模型如圖1 所示。箱體尺寸為13.5 m×2.4 m×2.6 m，內(nèi)部有120 個無功補償模塊，每個模塊的功耗為20 W，內(nèi)部控制柜功耗為200 W。在太陽輻射和內(nèi)部電氣設備發(fā)熱工況下，要求集裝箱內(nèi)部環(huán)境溫度不高于45 ℃[3]。

圖1 集裝箱電站三維模型

利用某仿真軟件進行集裝箱內(nèi)溫度場和流場的仿真分析[4-7]。通過對集裝箱和內(nèi)部電力電子模塊進行三維建模，然后簡化為一定的仿真模型，用于熱仿真和流場仿真，探索整個集裝箱內(nèi)部溫度分布，其中網(wǎng)格數(shù)目為5 316 879 個，為百萬網(wǎng)格量級，對重點發(fā)熱部件和重點流場部位進行網(wǎng)格加密處理，通過仿真發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格數(shù)量的進一步增加對結(jié)果的影響很小，可以證明該網(wǎng)格劃分的正確性，也證明了仿真結(jié)果的有效性。通過對空調(diào)，電力電子模塊，環(huán)境溫度，太陽輻射的合理設置，盡可能真實模擬實際工況，提升仿真結(jié)果的準確性。

其中電力電子模組用仿真模塊中的塊代替，不計算模組內(nèi)部溫度，只對其對箱內(nèi)環(huán)境溫度的影響進行分析。每個模組按照35 W 進行設置，空調(diào)設定流量為1 250 m3/h，進回風口溫差為10 ℃，環(huán)境溫度設定為35 ℃。同時為了模擬集裝箱各面的太陽輻射程度，根據(jù)工程經(jīng)驗，設定集裝箱壁面溫度為75 ℃，向箱體內(nèi)部傳導熱量。2個空調(diào)對角布置，采用上回風、下吹風的形式。

（1）方案1。布置2 個5 kW 的空調(diào)，對整個13.5 m 長的集裝箱降溫。溫度呈現(xiàn)明顯的分界，溫度最低處僅有28.3 ℃，溫度最高點達到48.45 ℃。處于高溫區(qū)的電氣模組容易出現(xiàn)超溫故障，引發(fā)整個系統(tǒng)的停機，嚴重影響電站的安全運行，但是額外增加空調(diào)又會造成系統(tǒng)自身的能耗增加，不利于節(jié)能。

（2）方案2。在布置2 個5 kW 空調(diào)的情況下，額外布置風機，用于對整個集裝箱內(nèi)空氣進行擾動，使其內(nèi)部溫度均勻。截面溫度云圖如圖2 和圖3 所示。

圖2 集裝箱中間截面溫度云圖（擾流風機開）

圖3 集裝箱中間截面溫度云圖（擾流風機關(guān)）

設置風機有利于提升左、中、右3 相閥組和不同高度處模組的溫度均衡性，防止某些位置模組溫度超限[8-10]。額外設置擾流風機，可以更好地發(fā)揮空調(diào)的功能，滿足系統(tǒng)的散熱需求。仿真結(jié)果說明：在大容量的集裝箱電站中，僅靠空調(diào)無法實現(xiàn)整個集裝箱大空間的溫度均衡，仍需設置擾流風機來加強整個集裝箱內(nèi)空氣的流動，實現(xiàn)整體熱平衡，否則會出現(xiàn)局部過熱的情況，引起設備故障，影響可靠性。

對實際集裝箱電站進行工作狀態(tài)下的內(nèi)部溫度監(jiān)測，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)和仿真結(jié)果吻合，方案2 的整個集裝箱內(nèi)部溫度更加均勻。其中共布置10 個測點用于監(jiān)測整個集裝箱的內(nèi)部空氣溫度，試驗發(fā)現(xiàn)，10個測點溫度在45 ℃左右偏差0.5 ℃，與仿真測試結(jié)果相差5%以內(nèi)，在可以接受范圍內(nèi)，分析結(jié)果可能是：仿真模型的精度稍微有些低，仿真湍流設置實際氣流有差別，但是總體誤差可控，仿真結(jié)果可以反映真實溫度場的數(shù)據(jù)，該方法可以用來指導實際的工程設計，有助于提高設計效率，降低企業(yè)實驗成本。

2 集裝箱電站的防腐蝕設計

集裝箱電站處在沿海地區(qū)，主要是高溫、高濕、高鹽霧環(huán)境，空氣中含有大量氯離子，會破壞金屬氧化膜保護層，在金屬表面形成點蝕或坑蝕，因此必須對箱體金屬結(jié)構(gòu)制定針對性的防腐措施，保證集裝箱電站在生命周期內(nèi)正常運轉(zhuǎn)。參考相關(guān)標準和規(guī)范，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境具體的溫度、濕度、鹽霧狀況，將箱體防腐定為C4 H 的防腐級別。

參考相關(guān)標準，集裝箱表面額定干膜厚度不小于240 μm。集裝箱電站箱體全部骨架無方管，采用開口的槽鋼或C 型鋼，避免方管內(nèi)局部無鍍鋅層的問題，符合鍍鋅防腐要求。集裝箱鎖桿焊接完畢后進行整體熱鍍鋅處理，不允許焊后噴鋅處理。艙頂蓋板采用304 不銹鋼。集裝箱電站用螺栓采用不銹鋼或表面熱鍍鋅處理，熱鍍鋅厚度要求最小為45 μm。集裝箱防腐實物如圖4 所示。

圖4 集裝箱防腐實物

3 結(jié) 論

對于沿海地區(qū)節(jié)能型集裝箱電站，集裝箱內(nèi)的空調(diào)是電站自身電能消耗較多的設備。通過對整個集裝箱建模仿真，模擬集裝箱內(nèi)的溫度分布情況，優(yōu)化空調(diào)的合理配置和布局，顯著降低了集裝箱電站的自身耗能，起到節(jié)能的作用。同時對于沿海地區(qū)的高溫、高濕、高鹽霧環(huán)境，提出了設備防腐方法，能夠保證設備長期可靠運行。