2 MW級低風速區雙饋風電機組主發電機用高效空空冷卻裝置的研究

黃剛徐立（江蘇兆勝科技股份有限公司，江蘇泰州225400）

0 引言

當前全球能源危機日益加重，各國都在致力于新能源的開發與利用，風能以其清潔、可再生的優勢備受關注。我國已將風電產業列入能源發展規劃，其中低風速風電將成為未來風電產業發展的重點之一，我國有意提高低風速風電在整體風電開發布局中的比重，低速風電將迎來黃金發展期。

低風速區具有氣流不穩定、發電機散熱要求高、能耗高、對空間要求高等特點，因此，低風速區風力發電機及其散熱等關鍵部件的技術突破也就顯得尤為重要。

1 低風速區雙饋風電機組主發電機用空空冷卻器的現狀

1.1 雙饋式風力發電機的工作原理

雙饋式風力發電機組結構上包括風葉、齒輪箱、主發電機、各種控制部分等。低風速區風電機組工作區域風速低且不穩定，湍流大，使得機組存在發熱不穩定、所需能耗高、對空間要求高等問題。作為風電機組的核心部件，主發電機的冷卻顯得更加重要，故對冷卻技術的先進性、可靠性要求尤為突出。

1.2 雙饋式風力發電機的主要冷卻形式及其比較

低風速區的風電機組大多為2 MW以下的機組，較為常用的冷卻方式有自然風冷、強迫風冷、常規背包式空空冷卻、水套式機殼冷卻、背包式空水冷卻等。對風電機組冷卻技術等核心技術的突破，對于低風速區風電機組技術的完善和裝機容量的提高有非常重要的意義。

針對目前常用的幾種冷卻方式，若使用在低風速區2 MW以上較大功率機組上，我們分別做了如下分析對比：

1.2.1 自然風冷

自然風冷是利用環境空氣對發電機組進行冷卻的冷卻方式。自然風冷結構簡單，基本無需消耗額外的能耗；但因為它對外界環境的依賴性較大，不能滿足機組各種工況和連續工作的要求，且換熱功率不能做到很大。

1.2.2 強迫風冷

強迫風冷與自然風冷的結構、原理大致相同，只是將自然風冷改為強迫風機冷卻。強迫風冷可以持續保持冷卻效果，但受限于冷卻方式，只能通過冷卻電機外殼間接冷卻電機內部繞組等元器件。換熱功率受限于體積、能耗等的影響，很難滿足大功率風電機組的要求。

1.2.3 背包式空空冷卻

常規背包式空空冷卻裝置是風電機組常用的冷卻方式，結構簡單，冷卻可靠，技術成熟，在風資源較好的風場已有很成熟的應用。在低風速風場，因為風電機組本身轉速較低，電機轉子的自帶風扇不能提供足夠的主風路冷卻風量和壓力，則必須在空空冷卻裝置上使用較大功率的頂驅風機來加強主風路風量和壓力。常規背包式空空冷卻裝置的結構如圖1所示。

圖1 背包式空空冷卻裝置

1.2.4 背包式空水冷卻

背包式空水冷卻裝置是將冷卻裝置與電機的進出風口相對，形成一個密閉的循環系統。其功能是將電機產生的熱氣體送至冷卻裝置（換熱器），實現氣、水之間的熱量交換，將熱氣體冷卻后送入電機內部，冷卻水將熱量吸收后通過循環流動帶走電機產生的熱量。該方式需要外界水循環冷卻裝置，經濟性不好，可靠性也低于背包式空空冷卻裝置，一般用于功率更大的風電機組。

綜上所述，背包式空空冷卻器因其換熱效率較高、運行可靠、能耗較低、適應性強的綜合性能，成為我們目前2 MW平臺的主要選擇，但是進一步提升換熱性能、降低運行能耗、降低重量是市場對于產品的急迫需求。

2 2 MW級低風速區雙饋風電機組主發電機空空冷卻裝置的優化設計方向

研發適用于低風速區的2 MW級風電機組的高效空空冷卻裝置，解決低風速區風電機組的散熱問題，同時可適用于風資源優異場所的產品升級。其主要特點是：換熱效率高、運行可靠、能耗低、重量輕、適應性強。我們主要的優化設計方向如下：

2.1 冷卻裝置換熱性能提升

根據風電機組的通風形式合理布置風路、換熱管束，能起到提升換熱性能的效果。例如在傳統的空空冷卻裝置上，部分冷熱氣流的換熱路線為順流，通過結構的改進、風路的調整，使得冷熱流體整體為逆流換熱。同時，我們減小了換熱管直徑和長度，發揮了短管、小管的強化換熱作用。優化設計的風路示意圖如圖2所示。

2.2 結構輕量化、體積緊湊化

風電機組對重量和體積的要求很嚴格，輕量化和緊湊化設計不僅對于吊裝等有著積極意義，對于整機的成本也有著很大的影響。

箱體、風機（電機）、換熱管等占整個冷卻裝置的重量比例很大。我們減薄了鋼板厚度，同時采用榫槽結構搭焊，局部加強，減重的同時保證了整體強度。換熱管采用的是優質防銹鋁管，較之鋼管重量輕，并采用了鋁殼電機，重量減輕了25%。整體體積方面，將頂置風機改為側置，減小了體積。

圖2 優化設計后的風路示意圖

以相同功率的2 MW風電機組用空空冷卻裝置為例，本項目產品重量較之常規的產品，重量減輕了約200 kg，高度降低了200 mm。

2.3 節能降耗和延壽技術

優化設計中，利用各導流結構降低了風阻，減少了系統風路的能耗。同時利用變極技術，使風機在不同工況下運行于不同轉速中，既能滿足風電機組的不同工況，又較之普通機組的單一轉速起到了節能降耗的作用。

3 改進效果

結合風電行業現有情況，我們與在低風速區有裝機業績和裝機任務的主發電機廠家進行了充分溝通和樣機試裝，經實踐，改進取得了很好的效果，贏得了客戶好評。

4 結語

圍繞制約低風速區2 MW級別大功率風電機組的散熱共性關鍵技術，通過研發適用于低風速區2 MW級別大功率風電機組高效空空冷卻裝置的關鍵技術，解決目前低風速區2 MW級別大功率風電機組冷卻裝置普遍存在的性能不穩定、可靠性差、能耗高等問題。2 MW低風速區風電機組用高效空空冷卻裝置融合了變極節能、輕量化結構設計、高效換熱等技術，使風電機組少受外界溫度、濕度、風力等影響，處于合理的溫度范圍運行，風資源利用率高，提升了風電機組的裝備水平，對充分利用我國低風速區和超低風速區風資源有著重大的意義。