風力發(fā)電機組空-水-空冷卻系統影響因素分析

文 | 王丁會，李錦輝，夏靜

風力發(fā)電機組空-水-空冷卻系統影響因素分析

文 | 王丁會，李錦輝，夏靜

冷卻系統作為風力發(fā)電的重要組成部分，其優(yōu)劣直接關乎風力發(fā)電機組能否長期安全、高效地運行，同時影響著風電機組單機容量的增加。

風力發(fā)電機冷卻形式通常包括直接空冷、空－空冷卻、空－水冷卻、空－水－空冷卻及蒸發(fā)冷卻等形式。對于海上機組，考慮防腐、絕緣等要求，不適宜采用直接空冷；隨著機組單機容量的不斷增加，空－空冷卻結構占用機艙空間過大，使用逐漸受限；空－水冷卻水路在大容量機組上布置結構復雜、困難，存在定子散熱易出現溫度分布不均等問題，因而大容量海上機組不宜采用該冷卻形式；空－水－空冷卻形式可實現緊湊式布局，減小機艙占用空間，同時減小機艙為冷卻系統設置的開孔，確保機艙的相對密封性。本文以空－水－空冷卻系統為研究對象，建立兩級冷卻系統計算程序，分析各個影響因素參數對系統散熱量及系統阻力的影響情況。

風電機組空－水－空冷卻系統原理

空－水－空冷卻系統由兩級空－水板翅散熱器構成，系統原理如圖1所示，一級空－水散熱器布置于發(fā)電機支架結構上 （本文以布置于支架形式為例，實際工程應用中根據機艙和發(fā)電機整體布局進行設計），發(fā)電機內部循環(huán)空氣為初級冷卻介質，與發(fā)電機定子及轉子完成熱交換后在循環(huán)風扇作用下與熱端空－水散熱器中的冷卻液進行熱交換，冷卻液為次級冷卻介質，完成熱交換后，初級冷卻介質再次回到發(fā)電機內，次級冷卻介質在泵組作用下，進入機艙外（或機艙尾部）的冷端空－水散熱器中，與作為最終冷卻介質的環(huán)境空氣進行熱交換，之后在泵組作用下次級冷卻介質再次進入機艙內熱端空－水散熱器中，由此初級冷卻介質在發(fā)電機內形成閉路冷卻循環(huán)，次級冷卻介質在管路系統中形成閉路冷卻循環(huán)，最終冷卻介質與機艙外（機艙尾部)的空－水散熱器內形成開路冷卻循環(huán)，因該系統采用兩級循環(huán)，所以換熱效果受到環(huán)境溫度、發(fā)電機回風溫度、散熱器入口流速、冷卻液流量等因素影響。

圖1 風電機組空-水-空冷卻系統圖

數學模型推導

板翅換熱器關鍵在于計算散熱量及系統阻力，其直接關系到系統能否滿足散熱要求及泵、循環(huán)風扇的選型，其中傳熱因子和阻力因子直接影響著換熱效果及系統阻力的大小，下文給出了相關因子及參數的計算式：

一、散熱量計算式

對于散熱量的計算，采用經典的牛頓冷卻公式為基本計算式：

式中：Q－熱流量，W；α－換熱系數，W/（m2·K）；F0－傳熱面積（包括一次、二次傳熱面積），m2；tl－流體溫度，℃；tw－壁面溫度，℃；

二、流動阻力計算式

板－翅式散熱器流通通道阻力主要由進散熱器的阻力、散熱器芯體的中心阻力、出散熱器的阻力等組成，其中中心阻力是流動阻力的主要組成部分，通過該值進行系數修正，其計算式如下：

式中：ΔP－流動阻力，Pa；f－摩擦因子；L－流道長度，m；De－當量直徑，m；gf－單位面積質量流量，kg/（m2·s）；ρm－密度，kg/m3；

三、關鍵因子及計算式

對于傳熱因子j及摩擦因子f都為雷諾數Re的函數，有國內學者給出了平直翅片、鋸齒翅片、多孔翅片等翅片的傳熱因子j、摩擦因子f隨雷諾數Re變化的曲線，并根據圖中曲線嚙合了相關函數，國外學者給出傳熱因子j、摩擦因子f相關計算關聯式，如下式所示：

其中可推導得到（5）和（6）式：

式中：l－翅片長度，m；s－翅片間距，m；H－翅片高度，m；t－翅片厚度，m；Nu－努塞爾數；Re－雷諾數；St－斯坦頓數；Cp－定壓比熱，kJ/（kg·K）；De－當量直徑，m。

程序計算邏輯流程說明

空－水－空冷卻系統采用兩級冷卻，其中環(huán)境空氣參與熱交換的板－翅換熱器稱為冷端散熱單元，發(fā)電機內熱空氣參與熱交換的板－翅式散熱器稱為熱端散熱單元。通過編制程序實現冷端散熱單元與熱端散熱單元協同作用下系統散熱量與系統阻力的計算，其邏輯如圖2所示，其具體計算思路如下所述：

首先，環(huán)境溫度Twkr及發(fā)電機回風溫度Tnkr為初始值，根據板－翅式散熱器既定的結構及尺寸，得到散熱器當量直徑De、有效散熱面積A及通道截面積S等，并假設系統散熱量為Q（冷端散熱單元為Qw及熱端散熱單元為Qn），根據假設散熱量及假定散熱器出口溫度Tkc,進行迭代可得到假設散熱量所對應理論的散熱器出口溫度Tkc；

其次，冷端散熱單元及熱端散熱單元分別根據初始條件及假設條件計算得到理論散熱量Qw及Qn，理論上二者最終計算值相等，且外端散熱單元冷卻液入口溫度值Twyr與熱端散熱單元冷卻液出口溫度值Tnyc相等，以此三項為迭代對象進行計算，直至滿足殘差要求停止計算；

最后，根據計算收斂結果，計算最終系統阻力ΔP，并輸出系統實際散熱量。

需要說明的是，所假設的散熱量Q及輸入的空氣流速V在初始計算時，如設置值偏差過大，會使得對數平均溫差出現不滿足傳熱理論的情況，因而需要判斷其合理性以確定是否需要重新賦值。

板-翅式散熱器物理尺寸及基準參數

鑒于風電機組往往處于風沙及顆粒物較多的惡劣環(huán)境中，為防止柳絮、顆粒物等造成翅片堵塞，引起散熱效果惡化等情況，設置板－翅式散熱器為平板式結構。為便于分析各因素對散熱量及系統阻力造成的影響，本文選用散熱器的翅片物理結構尺寸參數如表1所示，通過改變其他影響因素來計算系統散熱量及系統阻力的變化情況。

在進行各因素對比過程中需設置基準參數，通過改變其他影響因素來分析其變化對散熱量的影響，其基準參數如表2所示，其中所述冷卻液為含50%體積容量的乙二醇溶液，程序編制其物理屬性隨特征溫度呈函數關系，不同影響因素參數的取值如表3所示，在分析各影響參數變化時，基準參數不變。

圖2 計算邏輯流程圖

表1 翅片物理尺寸

表2 基準參數

表3 變工況參數值

根據等效熱路建立簡化傳熱過程熱阻分析圖，如圖3所示，在傳熱過程熱阻分析圖中，空－水－空冷卻系統中不考慮散熱器導熱熱阻（因翅片薄，且鋁具有良好的導熱性能，其熱阻數量級相對于兩側流體對流換熱熱阻數量級?。?，其主要熱阻由冷端散熱單元環(huán)境空氣與散熱器翅片的對流換熱熱阻R1、冷端散熱單元換熱翅片與冷卻液的對流換熱熱阻R2、熱端散熱單元發(fā)電機回風與散熱器翅片的對流換熱熱阻R3、熱端散熱單元換熱翅片與冷卻液的對流換熱熱阻R4構成，其中h為所對應的對流換熱系數，由此易知散熱量Q＝（Tnkr－Twkr）/（R1＋R2＋R3＋R4）。

影響因素分析

一、環(huán)境溫度及發(fā)電機回風溫度影響分析

由圖4可知系統散熱量與環(huán)境溫度大致表現為線性關系，隨環(huán)境溫度升高系統散熱量下降，可見環(huán)境溫度對系統散熱量影響較為明顯。結合圖3進行分析，在發(fā)電機回風溫度Tnkr不變情況下，隨環(huán)境溫度Twkr的不斷提高，熱阻兩側溫差（Tnkr－Twkr）減小，因而散熱量出現線性下降趨勢，同時由圖4知，冷端散熱單元入口流速未變，但空氣側阻力隨環(huán)境溫度升高略有下降趨勢，其主要原因為隨著環(huán)境溫度升高，空氣密度下降及粘度升高，但密度下降趨勢明顯于粘度升高趨勢，導致空氣側阻力出現降低趨勢；同理如圖5所示，系統散熱量隨著發(fā)電機回風溫度升高而近似線性增加，根據上述分析，不難得知，在環(huán)境溫度不變情況下，隨著發(fā)電機回風溫度升高，熱阻兩側溫差增加，因而出現系統散熱量隨回風溫度升高出現線性增加情況，同樣，隨著回風溫度的升高，熱端散熱單元空氣側阻力也出現略微下降趨勢，其原因與上述相同。需要注意的是，考慮到繞組溫度限制要求及冷卻風扇工作溫度，應嚴格控制回風溫度過高。

二、冷端散熱單元空氣側入口流速影響分析

由圖6知，隨著冷端散熱單元環(huán)境空氣入口流速的增加，系統散熱量起初受到較大影響，而隨著流速的進一步增加，系統散熱量增加幅度不斷減小，其主要原因為隨著入口流速的增加，空氣側與翅片間對流換熱系數h1不斷提高，導致該側熱阻R1下降，當流速增加到一定程度，R1對于熱路的影響處于非關鍵控制因素，因而進一步提高入口流速，散熱量并未線性提高，但從圖6中可知，隨著環(huán)境入口流速的增加，冷端散熱單元空氣側阻力呈快速增加趨勢，其主要原因為空氣側翅片結構及尺寸未改變，其阻力系數可近似不變，由式（2）知阻力增加與入口流速成平方關系，因而冷端散熱單元空氣側阻力隨著入口流速的增加出現快速增加趨勢，其對冷卻風扇選型及冷卻系統能耗影響較大。

圖3 傳熱過程熱阻分析圖

圖4 環(huán)境溫度與系統散熱量及冷端散熱器空氣側阻力關系圖

圖5 回風溫度與系統散熱量及熱端散熱器空氣側阻力關系圖

三、熱端散熱單元發(fā)電機回風流速影響分析

由圖7知，隨著熱端散熱單元回風，散熱器入口流速增加，其出現與圖6相似的變化規(guī)律，表明隨熱端散熱單元回風流速增加，熱端散熱單元風側對流換熱系數h4不斷提高，其熱阻R4下降，達到一定值后，成為熱路非關鍵控制因素，對系統散熱量影響不斷減小，而該側阻力變化規(guī)律與圖6中所述一致。設計過程中，循環(huán)風量的增加可有效增加系統散熱量，但散熱量與流量增加非線性關系，在考慮風量增加引起散熱量增加同時，還應考慮風側阻力的快速增加，相應的風量對應過高的壓頭會超出合適結構風扇的性能范圍之外。

圖7 熱端散熱單元空氣側入口流速與散熱量及空氣側阻力關系圖

圖8 冷卻液流量變化對系統散熱量及系統阻力影響圖

四、冷卻液流量影響因素分析

由圖8知，隨著冷卻液流量的增加，起初系統散熱量顯著變化，隨著冷卻液流量增加到一定程度，系統散熱量幾乎不再變化。同樣結合熱阻分析圖，相對空氣與翅片間的對流換熱系數，冷卻液與翅片間的對流換熱系數通常是前者的10－100倍，冷卻液流量較低時，對流換熱系數h3及h4相對不高，因而R2、R3仍然在整個熱阻中占有一定比例，而隨著流速增加，冷卻液側對流換熱系數增加要顯著高于空氣側，因而熱阻R2、R3快速降低，顯著低于R1及R4，因而其對散熱量影響出現圖8中所示趨勢情況；由圖8知，冷卻液在冷端散熱單元內及熱端散熱單元內的阻力急劇增加，其主要原因類似于空氣側阻力隨流量的變化，散熱器翅片結構未變，近似阻力系數恒定，阻力與流量成平方關系，因而出現圖中變化趨勢，其直接影響著泵組的優(yōu)化選型。

結論

空－水－空冷卻系統更加適用于大容量機組的散熱，而通過分析其影響因素，可優(yōu)化散熱系統的選型，避免系統選型匹配不合理，造成風扇及泵組的選型過大或過小，造成系統能耗過高或不能滿足系統散熱要求，通過上述分析可得知：

（1）環(huán)境溫度對空－水－空冷卻系統散熱量影響十分明顯，應根據環(huán)境溫度對風電場所處地域進行等級劃分，所設計冷卻系統滿足當地最高溫度工況并保留一定富余量即可，無需選取過高的環(huán)境溫度作為輸入參數進行冷卻系統設計，可優(yōu)化散熱器結構選型及布局；

（2）隨冷端散熱單元及熱端散熱單元空氣流速的增加，系統散熱量逐漸趨緩，而空氣側阻力出現快速攀升，考慮到冷卻系統循環(huán)風扇選型冷卻系統整體功耗及系統噪音，曲線上散熱量趨緩拐點處應作為冷卻風扇選型參考依據；

（3）與風量影響趨勢相似，隨著冷卻系統冷卻液流量的增加，散熱量在某一點處不再隨著流量的增加而進一步提高，泵組作為冷卻系統重要的動力組件，該拐點為確定系統流量的重要依據，進而可根據流量得出系統阻力，進一步可結合流量及系統阻力進行泵組的選型。

（作者單位：北京金風科創(chuàng)風電設備有限公司）