非能動自然循環風電機艙冷卻系統應用研究

周濤，馬棟梁， 陳柏旭，齊實，宋振龍

(1.華北電力大學 核科學與工程學院，北京 102206； 2.華北電力大學 核熱工安全與標準化研究所，北京 102206；3.非能動核能安全技術北京市重點實驗室，北京 102206； 4.內蒙古華電蒙東能源有限公司，內蒙古 通遼 028000)

非能動自然循環風電機艙冷卻系統應用研究

周濤1,2,3，馬棟梁1,2,3， 陳柏旭1,2,3，齊實1,2,3，宋振龍4

(1.華北電力大學 核科學與工程學院，北京 102206； 2.華北電力大學 核熱工安全與標準化研究所，北京 102206；3.非能動核能安全技術北京市重點實驗室，北京 102206； 4.內蒙古華電蒙東能源有限公司，內蒙古 通遼 028000)

風電機艙的有效通風冷卻，可以保障風電機組在高溫天氣下安全、高效運行。通過建立風電機艙仿真模型，對加裝聚風罩前、后的風電機艙進行模擬計算，計算結果表明：隨著環境風速的增大，機艙內部溫度明顯下降，風速大于8 m/s時，機艙與環境溫度差小于3℃；外部風速越大，機艙內外的溫度差也越小。加裝聚風罩后，減少了風機因機艙內部溫度過高而導致的被迫停運現象，提高了風電機組發電的經濟性和安全性。

風電機組；非能動；自然循環；機艙；聚風罩；通風冷卻

0 引言

我國每年4—11月環境溫度為20～40 ℃,極端天氣時溫度將達到45 ℃。隨著環境溫度的升高，風電機組機艙內溫度也升高，平均為35～60 ℃，比環境溫度高15～20 ℃。機艙溫度升高會導致齒輪箱油、發電機軸承、變頻相關設備溫度升高，進而導致風機限功率或停機。當環境溫度達到38 ℃時，某300 MW風電場198臺風機有123臺因以上問題限功率或停機，大大降低了風機的可利用率，每年因該問題導致的電量損失高達10 GW·h，折合人民幣521萬元左右，給風電場造成巨大的經濟損失。如果將整機的溫度控制在合理范圍內，風機可利用率可以提高2百分點，每年可為企業增效至少540萬元。統計資料顯示，夏季的備件損耗幾乎占全年的70%以上，風機故障率比冬季高1倍以上。根據以上分析可以得出，機艙溫度降低后，整機內部所有設備的溫度都會降低，可改善各設備的運行工況，降低設備故障率，因此，機艙冷卻控制系統對降低風機故障率及減少備件損耗有著重要的意義。自然循環[1-2]系統是一種利用冷熱端所形成的密度差進行熱量交換的系統，具有非能動的自然特性，無需外部驅動機構，冷卻效果安全可靠，在核反應堆的余熱排出及風力發電機艙冷卻等領域有著廣泛而深入的應用。為避免夏季高溫天氣下風電機艙內部局部溫度過高而導致風機停運[3-13]，提出了一種非能動自然循環冷卻風電機艙系統：對風機加裝聚風罩和導流罩，使機艙內部的熱空氣和機艙外部環境的冷空氣形成連續的自然循環冷卻通風系統，通過聚風罩將外部冷空氣引入風道，對變頻器柜進行通風降溫；改造齒輪箱散熱系統，加大齒輪箱油冷散熱容量；建立實時采集的數據監控軟件平臺，對風機所有溫控參數進行采集處理。數值模擬仿真計算表明，加裝聚風罩后，風電機艙內部冷卻效果良好，內部溫度明顯下降，減少了風機因內部機艙溫度過高而導致的被迫停運現象，提高了風電機組發電的經濟性和安全性，為聚風罩冷卻裝置的推廣提供了理論依據。

1 研究對象

1.1風電機艙結構

研究對象為某風力發電公司的雙饋風力發電機組，其風電機艙內部包括齒輪箱、發電機、制動連軸裝置、變頻器、降噪裝置、偏航系統及水冷裝置等，具體結構如圖1所示。

圖1 風電機艙內部結構示意

由圖1可以看出，在逃生口部位加裝聚風罩，風從聚風罩進入機艙尾部，冷空氣經過發電機、變頻柜、齒輪箱后端對各設備降溫，空氣溫度逐漸升高，熱空氣由于密度較小而積聚到機艙上方，從機艙殼上端開口排出。在圖中機艙的左下部加裝聚風罩后，機艙內外空氣形成一定高度差的自然循環，冷風從下部聚風罩進入機艙內部，水平流過發電機和齒輪箱變頻器等裝置后，由上部出風口流出，可以將機艙內部熱量帶出。聚風罩的開口面向輪轂迎風面，合理地利用了風機的迎風特性和風能的運動特性，不需要外加電源，不消耗能源就可以達到降低機艙溫度的目的；同時，在逃生口加裝除塵氣柵和濾網，避免外界空氣所帶灰塵和雜質進入機艙，造成油冷散熱器的污染。在風機機艙殼上端面開口設置導流罩，開口背對輪轂迎風面，一方面能更好地形成風道，另一方面可以避免雨水對設備造成損壞。通過拉繩將聚風罩底部與機艙內主機架相連，保證遭受較大順風時聚風罩安全穩定。

1.2幾何模型

使用ANSYS數值模擬軟件，對圖1的研究對象建立模型，如圖2所示。

圖2 幾何模型

1.3主要技術參數

所選風電機組為SL1500系列典型風力發電機，其主要技術參數見表1。

表1 SL1500型典型風力發電機技術參數

1.4風機保護定值

機艙內任一散熱部件達到溫度上限之后，就會觸發保護動作而使風機保護停運，保護項目和定值見表2。

通過表2可以看出，影響風機高溫限功率的主要因素為齒輪箱油溫，影響風機停機的主要因素為機艙溫度。而機艙內部平均溫度的高低，直接影響齒輪箱散熱程度。

2 計算方法

2.1網格劃分

以SL1500典型風機為設計模型，采用三維立體建模數值模擬方法[14-16]，對圖2所示的幾何模型建立三維數值分析模型，并進行合理的網格劃分，如圖3所示。合理地設置計算邊界條件及湍流計算模型之后，可以對加裝聚風罩前、后的機艙溫度數據進行比對分析。

圖3 幾何模型網格劃分

從圖3可以看出，劃分網格時幾何模型中已經包含了改造后的聚風罩，在計算改造前的機艙溫度時，可將該部分的入口風速設置為0。

2.2計算模型

ANSYS CFX內部自帶了進行熱工水力計算的程序，計算中所用到的公式如下。

(1)連續性方程。

(1)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；u，υ，w為流體速度在x，y，z方向的分量，m/s。計算過程中考慮了重力加速度g=9.81 m/s2。

(2)動量方程。

(2)

(3)

(4)

式中：p為作用在微元體上的壓力，MPa；τxx，τxy，τxz為作用在黏性微元體表面上的黏性力τ的分量，N；Fx，Fy，Fz為作用在微元體上的力，N。

(3)能量方程。

式中：cp為流體的比定壓熱容，kJ/(kg·K)；T為流體的溫度，K；λ為流體的熱導率，W/(m·K)；ST為黏性耗散，kg/(m2·s2)。

(4)剪切壓力傳輸(SST)湍流模型方程。

Gk-Yk+Sk，

(6)

Yω+Dω+Sω，

(7)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；k為湍動能，J/kg；Gk為湍流的動能，J/kg；Gω為ω方程；Γk和Γω分別為k和ω的有效擴散項；Yk和Yω分別為k和ω的發散項；Dω為正交發散項；Sk和Sω由用戶自定義；i，j代表x，y，z3個方向。

2.3邊界條件設置

根據SL1500型典型風力發電機技術參數以及風機各設備高溫保護定值，設定風機正常運行時的邊界條件，見表3。

表3 風機正常運行時的邊界條件

在CFX前處理軟件中設置好相應的邊界條件參數，當軟件計算達到相應的精度條件后，計算過程結束，在計算結果文件中對機艙內部各種參數進行分析處理。

3 計算結果

3.1改造前、后機艙與環境溫度差變化情況

3.1.1 改造前溫度變化

對改造前的機艙進行數值模擬計算，得到了機艙與環境溫度差隨風速的變化趨勢(如圖4所示)，機艙內溫度和環境溫度的對比情況如圖5所示。

圖4 改造前機艙與環境溫度差隨風速的變化

圖5 改造前機艙內溫度與環境溫度對比

從圖4可以看出，加裝聚風罩前，隨著外部環境風速的增大，機艙與環境溫度差始終保持在22 ℃左右，基本沒有下降的趨勢。從圖5可以看出，環境溫度保持在10 ℃左右的較低水平，但機艙內部溫度較高，大約為33 ℃，機艙內部溫度過高，嚴重威脅風電機組的安全穩定運行。

3.1.2 改造后溫度變化

加裝聚風罩后，機艙與環境溫度差隨風速的變化趨勢如圖6所示，機艙內溫度與環境溫度的對比情況如圖7所示。

從圖6可以看出，加裝聚風罩后，隨著外部環境風速的增大，機艙與環境溫度差迅速下降，當風速達到12 m/s時，該差值已趨近1 ℃，說明此時機艙內部的冷卻效果非常好。從圖7可以看出，環境溫度保持在25 ℃左右，但機艙內部溫度已經下降非常明顯，機艙內部高效的通風冷卻保障了風電機組的安全穩定運行。

圖6 改造后機艙與環境溫度差隨風速的變化

圖7 改造后機艙溫度與環境溫度對比

3.2改造前、后機艙與環境溫度差隨入口風速的變化

3.2.1 改造前、后不同風速下的溫度差

對改造前、后的機艙進行數值模擬計算，得出了不同入口風速下機艙與環境溫度差的變化趨勢，如圖8、圖9所示。

圖8 改造前不同風速下的機艙與環境溫度差

圖9 改造后不同風速下的機艙與環境溫度差

通過圖8可以看出，加裝聚風罩前，隨著環境溫度的升高，機艙與環境溫度差增大，說明此時機艙內部冷卻效果非常不好，此現象與試驗結果基本保持一致。隨著入口風速的增大，機艙內部溫度沒有降低的跡象。

通過圖9可以看出，加裝聚風罩后，隨著環境溫度的升高，入口風速較低時機艙與環境溫度差較大，但當入口風速增大到一定值之后，該差值迅速減小，說明此時機艙內部得到了有效冷卻，從理論上驗證了加裝聚風罩的合理性。

3.2.2 改造前、后溫度差的對比

在相同的環境溫度(25 ℃)、不同風速條件下，改造前、后機艙與環境溫度差對比結果如圖10所示。

圖10 風機改造前、后機艙與環境溫差對比

通過圖10可以看出：改造前、后的機艙與環境溫度差相差較大，且隨著風速的增加，數值差距逐漸增大，改造前的溫度差與風速正相關，而改造后的溫度差與風速負相關；風速大于8 m/s時，機艙與環境溫度差小于3 ℃，顯著降低了機艙溫度；外部風速越大，機艙與環境溫度差也越小，即冷卻效果也越好，改善了設備的運行環境，明顯降低了風機故障率。

3.3模擬計算結果與試驗數據對比

將改造前、后的模擬軟件計算結果與試驗數據進行對比，如圖11、圖12所示。從圖11、圖12可以看出，模擬計算結果與試驗數據符合良好，由于模擬計算取值點較少，因此未能模擬出溫度的波動情況，但模擬值近似等于溫度變化的平均值，既可以證明模擬結果的準確性，同時也可以看出加裝聚風罩的確能夠有效降低機艙溫度。

4 改進措施與對策

風電機組實際運行過程中，可采取以下措施來保證風電機組正常的通風冷卻。

(1)加裝聚風罩可以實現機艙內部的自然通風冷卻，且隨著自然風速的增大，冷卻效果更佳。

(2)當夏季溫度超過40 ℃時，在機艙頂部天窗加裝導流罩，導流罩下方機艙頂部天窗位置加裝一個渦流風機向外排風，同時在渦流風機上方加裝防雨罩。

圖11 改造前模擬計算結果與試驗數據對比

圖12 改造后模擬計算結果與試驗數據對比

(3)在變頻器柜體外側加裝2套溫控通風換氣設備，通風換氣設備從聚風罩進風口引風，在進風口加裝氣柵，在通風設備上加裝除塵濾網，整個換氣設備加裝溫控裝置，冬季自動關閉換氣設備，夏季外界環境溫度升高到一定值時自動開啟換氣設備。

5 結論

運用ANSYS 數值模擬軟件，對加裝聚風罩之后的風電機艙進行了數值計算分析。將數值計算結果和試驗數據進行了對比，兩者對比符合良好。

(1)風電機艙加裝聚風罩后，機艙與環境溫度差迅速下降，風速在10 m/s以上時，該差值小于3 ℃且會隨著外部環境風速的增大而減小。

(2)加裝聚風罩前，機艙與環境溫度差較大，機艙內部溫度沒有下降趨勢。加裝聚風罩后，機艙與環境溫度差已經趨于一致，有效地對機艙內部進行了冷卻，在環境溫度40 ℃以內，風機不會發生高溫限功率故障。

(3)非能動聚風罩的使用，可以保障機組運行平均故障率低于其他未安裝聚風罩的風機，風機可利用率達到99%以上，有力地保障了風電機組安全、高效、可靠運行。

(4)夏季高溫天氣時，可在機艙頂部天窗加裝導流罩，同時配合渦流風機加強排風冷卻。

(5)在變頻器柜體外側加裝通風換氣設備，配合溫度控制裝置，可以實現冬季自動關閉換氣設備，夏季高溫環境自動開啟換氣設備進行通風冷卻。

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(本文責編：劉芳)

2017-03-31；

:2017-05-19

TM 614

：A

：1674-1951(2017)06-0001-05

周濤(1965—)，男，陜西西安人，華北電力大學國際教育學院副院長，博士生導師，教授，從事核熱工水力與安全方面的研究及教學工作(E-mail:zhoutao@ncepu.edu.cn)。

馬棟梁(1982—)，男，河北保定人，在讀博士研究生，從事反應堆熱工水力方面的研究(E-mail:madongliang168@163.com)。

陳柏旭(1992—)，男，甘肅蘭州人，在讀碩士研究生，從事反應堆熱工水力方面的研究(E-mail:623054362@qq.com)。

齊實(1994—)，男，吉林長春人，在讀碩士研究生，從事反應堆熱工水力方面的研究(E-mail:1093798898@qq.com)。

宋振龍(1966—)，男，山東棗莊人，副總經理，工程師，從事電廠生產管理等方面的工作。