風(fēng)電機(jī)組多并聯(lián)液冷系統(tǒng)計(jì)算軟件開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

歐陽(yáng)華，董紅云，湯騰蛟，盧 勇，陳少敏

(中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)研究所有限公司， 湖南 株洲 412001)

隨著風(fēng)電機(jī)組向大容量、高性能的趨勢(shì)發(fā)展，為了滿足風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件(電機(jī)、變流器、齒輪箱等)的冷卻要求，采用液體循環(huán)冷卻進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件的熱管理在工程實(shí)踐中得到大量應(yīng)用[1]。為了使風(fēng)電機(jī)組整機(jī)熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行可靠性高，且其系統(tǒng)費(fèi)用在機(jī)組系統(tǒng)初投資中占比少，通常將風(fēng)電機(jī)組各關(guān)鍵部件的冷卻都集中布置在機(jī)艙內(nèi)，采用一套公用的液冷系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)整機(jī)的高效熱管理。與此同時(shí)，為使關(guān)鍵部件間的冷卻效果相對(duì)獨(dú)立、各部件間的散熱耦合影響較小，這套公用的液冷散熱系統(tǒng)往往采用并聯(lián)方式進(jìn)行布置，在確保風(fēng)電機(jī)組各關(guān)鍵部件的冷卻得到充分保證的同時(shí)，有效保證各部件間的熱管理可靠性。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，在工程實(shí)踐中希望通過(guò)改變風(fēng)電機(jī)組各并聯(lián)支路的設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)(例如散熱板片面積、介質(zhì)流量、流體壓力損失、冷卻介質(zhì)溫度、設(shè)計(jì)環(huán)境溫度等)，快速獲得各支路散熱能力、各支路散熱結(jié)構(gòu)的流量、接口管徑以及風(fēng)電機(jī)組現(xiàn)有熱結(jié)構(gòu)下液冷系統(tǒng)總的散熱量等參數(shù)，并對(duì)整機(jī)液冷系統(tǒng)的實(shí)際流量需求進(jìn)行校核或修正所提供的參考數(shù)據(jù)，以獲取整機(jī)液冷系統(tǒng)管徑配置是否合理、液冷系統(tǒng)是否具備一定散熱余量等關(guān)鍵信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組整機(jī)液冷系統(tǒng)的高效、經(jīng)濟(jì)和精細(xì)化熱管理。

1 計(jì)算模型構(gòu)建

圖1給出了風(fēng)電機(jī)組多并聯(lián)支路液冷系統(tǒng)示意圖。從圖1可見(jiàn)：風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)、變流器、控制柜等需要散熱的關(guān)鍵設(shè)備通過(guò)并聯(lián)管路共享一套液冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)為各并聯(lián)支路提供冷卻介質(zhì)，在循環(huán)泵的驅(qū)動(dòng)下，使冷卻介質(zhì)在散熱設(shè)備的散熱器中流過(guò)，從而將設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的大量熱量及時(shí)帶走，最后通過(guò)系統(tǒng)的風(fēng)冷散熱器進(jìn)行集中冷卻，將從工作設(shè)備中收集到的熱量排放到周?chē)h(huán)境空氣中去，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的有效熱管理。

圖1 風(fēng)電機(jī)組多并聯(lián)支路液冷系統(tǒng)示意圖

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組多并聯(lián)支路液冷系統(tǒng)的精細(xì)化熱管理，不僅需要對(duì)整機(jī)系統(tǒng)散熱、各并聯(lián)支路的散熱進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核計(jì)算，還需要對(duì)各支路流量分配以及與流量分配密切相關(guān)的各并聯(lián)支路接頭管徑等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核計(jì)算，使系統(tǒng)最終滿足流動(dòng)與傳熱的相關(guān)要求，實(shí)現(xiàn)各并聯(lián)支路與整機(jī)液冷系統(tǒng)的性能相互匹配。

1.1 液冷系統(tǒng)總散熱能力計(jì)算

系統(tǒng)總散熱能力的校核計(jì)算主要是通過(guò)計(jì)算與發(fā)電機(jī)、變流器、控制柜等并聯(lián)支路連接的液冷系統(tǒng)水/氣散熱器的散熱功率來(lái)校核所選散熱器是否滿足系統(tǒng)中各并聯(lián)部件的散熱需求。總傳熱量可以通過(guò)液冷系統(tǒng)循環(huán)介質(zhì)與冷卻空氣間傳熱過(guò)程按照如下公式進(jìn)行計(jì)算[2]：

Q=KFΔTm

(1)

其中：K為傳熱系數(shù)(W/(m2·K))；F為有效傳熱面積(m2)；ΔTm為傳熱流體介質(zhì)間的對(duì)數(shù)平均溫差(℃)[3]。

1.1.1傳熱系數(shù)的確定

在式(1)中，其傳熱系數(shù)K表示在空冷散熱器中從液冷循環(huán)工質(zhì)側(cè)到冷卻空氣側(cè)的總傳熱系數(shù)。由于該傳熱系數(shù)與空氣的密度、導(dǎo)熱系數(shù)等物性參數(shù)相關(guān)，且空氣的密度與所處的海拔高度密切相關(guān)，因此該傳熱系數(shù)K應(yīng)該是設(shè)備所處海拔高度的函數(shù)。通過(guò)對(duì)大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和統(tǒng)計(jì)，可以獲得如下傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗(yàn)取值范圍：

1.1.2有效傳熱面積計(jì)算

在風(fēng)電機(jī)組整機(jī)液冷系統(tǒng)的水/氣散熱器傳熱功率的計(jì)算過(guò)程中，由于液冷系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)在管內(nèi)強(qiáng)迫流動(dòng)，管外空氣側(cè)是環(huán)境空氣的自然對(duì)流換熱，因此式(1)中的有效傳熱面積可以按照下式進(jìn)行計(jì)算：

F=61Fb

(2)

其中:Fb為空冷散熱器的板片面積(m2);系數(shù)61為根據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)獲得的傳熱面積修正系數(shù)。

1.1.3傳熱溫差的計(jì)算

在式(1)中，傳熱溫差可根據(jù)液冷循環(huán)工質(zhì)和環(huán)境空氣間的對(duì)數(shù)平均溫度進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

(3)

其中，ΔT1為液冷循環(huán)工質(zhì)出口溫度減去冷卻空氣出口溫度(℃)；ΔT2為液冷循環(huán)工質(zhì)進(jìn)口溫度減去冷卻空氣進(jìn)口溫度(℃)。

在液冷循環(huán)工質(zhì)側(cè)，為了保證各并聯(lián)支路中關(guān)鍵設(shè)備的散熱冷卻效果，確保關(guān)鍵元器件工作在合適的溫度范圍內(nèi)，各并聯(lián)支路的液冷循環(huán)工質(zhì)進(jìn)口溫度(即液冷系統(tǒng)中風(fēng)冷散熱器的液冷循環(huán)工質(zhì)出口溫度)不超過(guò)45 ℃，并且為了滿足各并聯(lián)支路上散熱冷板上的溫度均勻性要求，通常其液冷循環(huán)工質(zhì)在各并聯(lián)支路上的溫升不超過(guò)10 ℃。在風(fēng)電機(jī)組液冷系統(tǒng)散熱器的空氣側(cè)，其空氣的進(jìn)口溫度按照風(fēng)電機(jī)組的最高設(shè)計(jì)環(huán)境溫度進(jìn)行設(shè)定(通常情況下為40 ℃)，冷卻空氣經(jīng)自然對(duì)流散熱后的溫升通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得，通常取值為8 ℃。

1.2 并聯(lián)支路實(shí)際散熱能力的計(jì)算

以變流器機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)并聯(lián)支路為例(在風(fēng)電機(jī)組中，該支路比較典型，對(duì)支路熱效應(yīng)最為敏感)，對(duì)各并聯(lián)支路實(shí)際散熱能力的計(jì)算過(guò)程作如下分析：

通過(guò)輸入各并聯(lián)支路電氣部件的設(shè)計(jì)發(fā)熱功率，并按照部件現(xiàn)有的散熱結(jié)構(gòu)計(jì)算出相應(yīng)的熱阻，得出在現(xiàn)有散熱結(jié)構(gòu)條件下電氣部件的實(shí)際溫升值，再與電氣部件的設(shè)計(jì)溫升值相比較，校核該熱結(jié)構(gòu)是否滿足電氣部件的散熱需求。然后,再通過(guò)計(jì)算各并聯(lián)支路中現(xiàn)有散熱結(jié)構(gòu)的綜合換熱系數(shù)，測(cè)量其實(shí)際散熱面積，輸入電氣部件的設(shè)計(jì)溫升和熱損耗值，可以計(jì)算獲得現(xiàn)有散熱結(jié)構(gòu)條件下的實(shí)際散熱量，再與電氣部件所要求的散熱量進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣部件散熱能力的校核。

上述過(guò)程的計(jì)算流程見(jiàn)圖2。

圖2 電氣元器件的傳熱計(jì)算拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2.1電氣部件溫升的計(jì)算

根據(jù)各電氣部件的設(shè)計(jì)發(fā)熱功率，以及散熱材質(zhì)的特性，按照串聯(lián)熱路分析，可以計(jì)算得到電氣部件在額定工況下的溫升[4]；

(4)

在式(4)中，各熱阻的定義及計(jì)算方式分別如下：

1)Rj為電氣部件的結(jié)殼熱阻(K/W)，該值由電氣部件供應(yīng)商提供；

2)Rd為導(dǎo)熱硅脂熱阻(K/W)，可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

(5)

其中：λ為導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m·K))；A為接觸面積(m2);L為導(dǎo)熱硅脂的厚度(m)。

3)Rv為循環(huán)冷卻工質(zhì)的對(duì)流換熱熱阻(K/W)，可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算[5]：

(6)

其中:As為電氣元件通過(guò)散熱器臺(tái)面與循環(huán)液冷工質(zhì)的有效對(duì)流換熱面積(m2)，該值為輸入?yún)?shù)；h為對(duì)流換熱系數(shù)(W/(m2·K))，可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

(7)

(8)

(9)

式中:λf為循環(huán)液冷工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m·K))；Py為循環(huán)液冷工質(zhì)在平均溫度下的普朗特?cái)?shù)；ρ為循環(huán)液冷工質(zhì)的密度(kg/m3)；μ為循環(huán)液冷工質(zhì)的動(dòng)力黏度(kg/(s·m2))；Dh為工質(zhì)在散熱器中流動(dòng)時(shí)的當(dāng)量直徑(m)；u為循環(huán)液冷工質(zhì)在散熱器中的流動(dòng)速度(m/s)。

1.2.2電氣部件實(shí)際散熱量的計(jì)算

電氣部件的實(shí)際散熱量可根據(jù)如下公式進(jìn)行計(jì)算：

Q2=KFpΔT

(10)

其中：Fp為發(fā)熱元器件與散熱器的接觸面積(m2);K為電氣部件散熱器的綜合換熱系數(shù)(W/(m2·K))。

其計(jì)算公式如下：

(11)

式中:h為散熱器流道內(nèi)壁面換熱系數(shù)(W/(m·K))；L1為銅管厚度(m)；L為導(dǎo)熱硅脂厚度(m)；λcu和λ分別為金屬銅和導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m·K));ΔT為發(fā)熱元器件表面與循環(huán)液冷工質(zhì)間的最大允許溫差(℃)。

可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

(12)

通過(guò)上述計(jì)算過(guò)程，可以獲得電氣元器件在現(xiàn)有熱結(jié)構(gòu)條件下的實(shí)際散熱量Q2，并將此值與電氣元器件的要求散熱量(該值為設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù))進(jìn)行比較，可以對(duì)元器件的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下評(píng)論：

若Q2≥Q1，則輸出：元器件散熱結(jié)構(gòu)滿足要求；

若Q2

1.3 并聯(lián)支路流量及接口管徑校核

輸入部件現(xiàn)有散熱結(jié)構(gòu)的實(shí)際散熱量、部件設(shè)計(jì)溫度報(bào)警值、部件設(shè)計(jì)要求入口水溫，并結(jié)合散熱結(jié)構(gòu)計(jì)算得出熱阻，可以計(jì)算出部件冷卻散熱的實(shí)際所需冷卻液流量M1，與部件要求冷卻液流量M(已知條件，直接輸入)相比，可以得出部件要求的冷卻液流量是否合適。在已經(jīng)得出實(shí)際所需冷卻液流量的基礎(chǔ)上，結(jié)合管道結(jié)構(gòu)計(jì)算流阻，進(jìn)行接口管徑校核。其流程原理如圖3所示。

圖3 管徑校核計(jì)算拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.3.1電子器件實(shí)際所需冷卻液流量計(jì)算

為滿足電子元器件的散熱需求，其實(shí)際所需循環(huán)液冷工質(zhì)的流量可按下式計(jì)算：

(13)

其中:C為循環(huán)冷卻工質(zhì)在定性溫度Tf下的比熱容(J/(kg·K))；ΔTw為循環(huán)液冷工質(zhì)流經(jīng)散熱器的溫差，其值為循環(huán)液冷出口溫度To與其進(jìn)口溫度Ti之差(℃)。

定性溫度的計(jì)算：

(14)

其中:To循環(huán)液冷工質(zhì)出口溫度;Ti為循環(huán)液冷工質(zhì)進(jìn)口溫度。循環(huán)液冷工質(zhì)出口溫度To可按下式進(jìn)行計(jì)算：

To=2(T-QpRj-QpRd-Q1Rv)-Ti

(15)

其中，T′為電氣元件的實(shí)際最高結(jié)溫，該溫度可通過(guò)電氣元件的預(yù)設(shè)報(bào)警溫度和循環(huán)液冷的設(shè)計(jì)最高進(jìn)口溫度來(lái)確定。

1.3.2接口管徑的校核計(jì)算

在獲得并聯(lián)支路的實(shí)際流量條件下，可根據(jù)電氣元器件冷卻所需循環(huán)液冷工質(zhì)流量M與并聯(lián)支路實(shí)際冷卻流量M1的比值，對(duì)電氣元器件的要求循環(huán)液冷工質(zhì)流量做出如下判斷：

1) 若M≥M1，則輸出：部件要求冷卻液流量滿足要求；

2) 若M

3) 若0.8≤M/M1≤1.2，則輸出：部件冷卻系統(tǒng)接口管徑滿足要求；

4) 若M/M1>1.2或者M(jìn)/M1<0.8，則按照式(16)進(jìn)行接口管徑的計(jì)算：如果標(biāo)準(zhǔn)冷卻液流量小于實(shí)際冷卻液流量，則所述標(biāo)準(zhǔn)孔徑按式(16)進(jìn)行選取[6]。

(16)

其中:dnew為標(biāo)準(zhǔn)孔徑;M為標(biāo)準(zhǔn)冷卻液流量；M1為實(shí)際冷卻液流量；dold為原有接頭的孔徑。

計(jì)算各管徑的接頭在不同流量下的壓力損失(局部損失) ΔP1以及不同流量下冷卻液管道的壓力損失(沿程損失)ΔP2,則對(duì)應(yīng)單支軟管的壓力損失(來(lái)回2個(gè)流程總損失)ΔP3為：

(17)

(18)

ΔP3=2(ΔP1+ΔP2)

(19)

其中:M為冷卻液流量(kg/s)；ξ為接頭的阻力系數(shù)；v為冷卻液黏度(kg/(s·m2))；ρ為冷卻液密度(kg/m3)；L為單支軟管的長(zhǎng)度(m)；dold為管道的通徑(m)。

在只更換接頭而不更換管道且ΔP2忽略不計(jì)的情況下，要求更換后的接頭壓力滿足下式：

ΔPnew>ΔP3

(20)

即

因此，可以得到最新的標(biāo)準(zhǔn)孔徑dnew。

2 軟件的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用實(shí)例

圖4給出了風(fēng)電機(jī)組多并聯(lián)液冷系統(tǒng)的計(jì)算流程。根據(jù)該流程可以將前述各并聯(lián)支路及系統(tǒng)的換熱過(guò)程進(jìn)行集成，形成一個(gè)整體，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組多并聯(lián)支路液冷系統(tǒng)的整機(jī)熱管理。

圖4 風(fēng)電機(jī)組液冷系統(tǒng)計(jì)算流程

本文在Matlab平臺(tái)基礎(chǔ)上，將上述的計(jì)算流程及計(jì)算公式整合在該平臺(tái)上，在Matlab命名規(guī)則基礎(chǔ)上利用nicontrol、uimenu、uicontextmenu等[7]用戶(hù)界面對(duì)象設(shè)計(jì)出直觀易懂的操作界面[8-10]。在該操作界面上，其輸入計(jì)算條件有海拔高度、系統(tǒng)設(shè)計(jì)散熱功率、設(shè)計(jì)環(huán)境溫度、部件要求進(jìn)水溫度、機(jī)側(cè)模塊設(shè)計(jì)損耗、網(wǎng)側(cè)模塊設(shè)計(jì)損耗、機(jī)側(cè)要求冷卻液流量、網(wǎng)側(cè)要求冷卻液流量、機(jī)側(cè)接口管徑、網(wǎng)側(cè)接口管徑、模塊散熱面積匹配及導(dǎo)熱硅脂厚度等參數(shù)，計(jì)算界面及結(jié)果見(jiàn)圖5、6。

圖5 軟件主界面

圖6 計(jì)算結(jié)果輸出

當(dāng)調(diào)整散熱功率后再次計(jì)算，可以獲得如圖7的界面。

從圖7中的提示可見(jiàn)：計(jì)算并聯(lián)支路的管徑過(guò)小，可將管徑適當(dāng)加大后得到如圖8的計(jì)算輸出。

再次調(diào)整管徑后，可以獲得如圖9所示的計(jì)算結(jié)果輸出。

圖7 調(diào)整功率后計(jì)算結(jié)果輸出

圖8 調(diào)整管徑后計(jì)算結(jié)果輸出

圖9 再次調(diào)整管徑后計(jì)算結(jié)果輸出

3 結(jié)束語(yǔ)

通常情況下，風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件的冷卻結(jié)構(gòu)都是各供應(yīng)商獨(dú)立設(shè)計(jì)并提供，供應(yīng)商不會(huì)從風(fēng)電整機(jī)的角度出發(fā)來(lái)考慮是否系統(tǒng)整體匹配，通過(guò)本文開(kāi)發(fā)的計(jì)算軟件，能快速計(jì)算出各關(guān)鍵部件熱結(jié)構(gòu)是否合理、總散熱系統(tǒng)與部件子散熱系統(tǒng)間的關(guān)鍵參數(shù)等是否匹配，并能給出在不匹配條件下的修正措施及相關(guān)參數(shù)。例如：如果計(jì)算出來(lái)接口管徑不合適，可以通過(guò)加裝合適管徑的過(guò)渡接頭進(jìn)行改進(jìn)；如果部件熱結(jié)構(gòu)不滿足要求，可以通過(guò)增加冷卻液流量等措施來(lái)彌補(bǔ)。

因此，通過(guò)該計(jì)算模型及程序可以大幅度縮短風(fēng)電機(jī)組熱管理開(kāi)發(fā)周期并提升其設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度，還能有效判斷部件過(guò)溫故障原因及提出整改措施。雖然目前該軟件的散熱器空氣側(cè)只能采用自然對(duì)流形式的散熱器進(jìn)行校核，使得軟件的應(yīng)用范圍比較局限，但是會(huì)在此基礎(chǔ)上對(duì)計(jì)算軟件作進(jìn)一步完善，將強(qiáng)迫對(duì)流散熱器的校核計(jì)算輸入軟件中，進(jìn)一步擴(kuò)大該軟件的應(yīng)用范圍。