海上風力發電機組水冷系統的研究

張斌

（國華（江蘇）風電有限公司，江蘇 東臺 224200）

海上風力發電機組水冷系統的研究

張斌

（國華（江蘇）風電有限公司，江蘇 東臺 224200）

近年來，全球范圍內對于開發可再生能源項目的壓力增加，中國政府致力于確保在2020年之前，中國能源消費的10%將由可再生能源供應。其重點是開發風力發電場，特別是在海上環境中，向陸地提供2MW（第一代）～5MW（第二代）的風力發電機組，安裝在由多達50臺或更多風力發電機組成的大型船舶中，但功率增大后，水冷部分就需要得到更多的關注。本文通過對于風力發電現狀與海上風力發電的技術進行分析，對其水冷技術進行了探究，力求為海上風力發電機組的水冷技術提出創新的思路。

海上風力發電；水冷系統；創新

1 風力發電現狀分析

風力發電機是將風的動能轉換成電力的裝置，風力發電機的應用范圍較為廣泛，有垂直和水平軸類型。最小的發電機用于諸如用于船只輔助動力的蓄電池充電，或為交通警示標志供電的應用。較大的風力發電機可用于為國內電力供應，同時通過電網向公用事業供應商出售未使用的電力。大型風力發電機陣列，被稱為風力發電場，正在成為間歇性可再生能源的日益重要的來源，被許多國家用作減少對化石燃料依賴的戰略的一部分。任何地點可用的風能定量測量稱為風力發電密度（WPD），這是一個平均每平方米風力發電機掃掠面積的年均功率的計算，并結合了在地面以上的不同高度的因素。風力密度的計算包括風速和空氣密度的影響，上述計算結果列入國家可再生能源實驗室開發的指標，WPD越大，此地區評分越高。變化范圍從1級（200W/m2）至7級（800～2000W/m2）。商業風電場通常位于3級或更高級別的區域，盡管在其他區域也可用。風力發電機按其設計的風速分類，包括I～IV類。

2 海上風力發電的關鍵技術

作為可再生能源和清潔能源之一，風力發電機組能力較強的發電能力引起了人們的關注，中國成為開發可再生能源發展最快的國家。然而，在中國的一些地區，有一些地理位置以及土地風力發電的電氣限制。由于幾乎沒有合適的施工現場，風力發電場附近的電力系統太弱，無法維持風力發電引起的動力波動，引入大量的陸地風電往往極其困難，甚至不可能。在這種情況下，海上風電場是增加風力發電的好辦法。對離岸風力發電系統，需要進行海上數據準備工作、施工基礎研究、輸電方式和海上風力發電系統水冷設備的控制。與典型的石油和天然氣發電技術相反，風力發電的基礎部分可能占預計安裝成本的40%。每個結構的重量都非常低，所以施加的基礎上的垂直載荷與風和波浪的力矩相比會很小。此外，需要有一個單一的設計，可以在每個站點上批量生產，而不是每個基礎單獨設計。結合起來，這些點導致了一個非常重要的工程問題。在某些地點，使用淺層地基可能會更加經濟，特別是吸入安裝的踢腳地基。有必要在相關的負載組合下，為這些無葉基礎開發適當的設計框架，從而實現最佳結構配置。海上風電發電技術在水冷部件上有著技術挑戰，需要考慮風電場水冷部分設計中的基本因素，包括拓撲結構、接地選項和離岸變電站的開支和與海上風電基礎相關的問題和離岸變電站平臺的典型尺寸。該平臺設計用于容納主變壓器、接地變壓器、開關裝置和其它各種配件。接下來，需要探究從海上工廠到陸上電網的傳輸鏈路的選項，對電網一體化相關的問題以及當前適用的特殊電網規范要求加以進一步分析。

3 水冷技術的研發與管理

3.1 水冷技術研發

在兆瓦級的風電機組中，發電機和變頻單元是散熱的主體，冷卻系統的作用是把熱量以較快的形式釋放到外界，力求風電機組的安全可靠運行。在湘電公司的5MW風力電機組的冷卻系統中，采用了風冷與水冷兩種方式，但是這兩種方式各有其適用范圍，水冷系統主要為保持變頻單元的散熱，風冷系統主要是讓發電機較快地降溫。在風冷系統模塊中，干冷的空氣可以在較短的時間內實現發動機的冷卻，同時，在冷卻完成后，冷空氣溫度升高，被送入上方排氣口，再重新壓縮后繼續進行發動機的冷卻工作。水冷系統的冷卻液為乙二醇，可以在空氣換熱器、水泵間高效流轉，在整個回路之中，冷卻液通過變頻單元，把熱量帶走，再進入散熱器進行自身的冷卻，然后再送入變頻器中，形成一個完整的冷卻循環。

風的自由流動，風—轉子效率（包括轉子葉片的摩擦和阻力）是影響風力發電的最終價效率的許多方面之一。齒輪箱損失，發電機和轉換器損耗可能降低風力發電機的功率。為了保護組件免受不適當的磨損，需要提高功率保持恒定在額定工作速度以上，理論功率在風速的立方上增加，這進一步降低了理論效率。在2011年，商業公用事業連接的風力發電機以額定的運行速度，從風中提取75～80%的功率。目前液冷系統中常用的冷卻介質有水和乙二醇水溶液。與水相比，乙二醇水溶液具有更好的防凍特性，且通過添加穩定劑、防腐劑等方式，可使其換熱性能與水相當。根據技術要求，冬季環境的最低溫度為-35℃，50%的乙二醇水溶液能夠滿足使用要求。在實際運行過程中，散熱器安裝在塔筒底段外部，要求散熱器具有良好的散熱性；同時，散熱器處于濕度較高的沿海地區，應有一定的耐腐蝕性。綜合上述要求，選用了具有傳熱效率高、結構緊湊、輕巧而牢固等特點的鋁制錯流板翅式換熱器。

3.2 水冷系統選定

由于磨損，效率可能隨時間略有下降。對中國3128多臺風力發電機組的分析顯示，一半的風力發電機沒有減少，另一半則是每年減產1．2%。垂直風力發電機設計的效率遠低于標準水平設計。因此，翅片形狀根據流體性能和設計使用條件等選定，考慮到風場所在沿海地區空氣中含有固體懸浮物，為避免流道堵塞，空氣流道選用平直型翅片，而乙二醇水溶液流道則選用高性能的鋸齒形翅片。為了保證一定的承壓能力，翅片與隔板選用高防銹性的LF21鋁合金材料，并根據已知工作條件取隔板厚度為0．813mm。同時，為了獲得均勻的物流分配效果和使流動阻力損失得到較好抑制，封頭選用錯排孔板型形式。水冷系統管道包括鋼管和抗壓軟管兩部分，綜合考慮各種因素，選擇系統主干管路鋼管與抗壓軟管內徑D1=48mm，支管鋼管與抗壓軟管管內徑D2=42mm，并根據選定管徑計算出的沿程阻力與局部阻力，選擇合適的循環泵。并不是所有的風能都可以使用，一些小型風力發電機被設計為在低風速下工作。為安全考慮，需要進入和離開風力發電機的空氣量必須相等。因此，貝茨定律給出風力發電機的最大可實現的風力發電提取量，這是通過風力發電機的空氣總動能的16/27（59．3%）。因此，風力發電機的最大理論功率輸出是通過機器有效區域的空氣動能的16/27倍。

3.3 水冷系統管理

水冷系統的管理，應當采用系統軟件進行調度，通過水冷系統管道自動控制系統，水冷系統可以在更高負荷的情況下進行工作并且避免故障，在完整的運行流程中，數據的同步性與穩定性有著極為重要的作用。自動的調度系統會重新制定水冷系統管道運行過程中的方案，對災害的擴大化進行擴散。水冷系統管道自動控制系統決定著水冷系統系統的高效運行，將發電線路的運行與維護結合起來，這貫穿于水冷系統管道管理的維護處理過程中。對于線路的調整需要特別留意，水冷系統管道系統控制效率與具體線路相關。國外的EPRI公司正在開發一種線路檢測機器人，該機器人可以永久安裝，每年至少兩次橫穿80km的線路，這個被稱為Ti的機器人可以沿傳輸線爬行，并使用各種實時檢測技術來評估線路組件條件和管道破壞的風險。

4 結語

本文探討了可能用于海上風力發電機應用的各種水冷裝置，這些不同的選擇導致風力發電設備上的不同載荷條件，根據這些不同負載條件下的實驗，詳細介紹了制定海上風力發電機水冷系統的設計方案。

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