風力發電機組外部散熱器加裝噴淋系統的應用研究

劉喬

（湖南湘電風能有限公司，湖南 湘潭 411100）

0 引言

隨著機組的容量功率的不斷增大，散熱問題也日益突出。散熱系統的研究已成為電機設計研究的熱點[1]，同時，雙饋型機組的增速齒輪箱，直驅型機組的全功率變流器等部件運行時發熱量大問題也日益突出。通常這些部件的大部分或完全容納在塔架或機艙內的封閉空間中，并且與周圍空間的熱交換是受限的，為了滿足散熱要求一般采用以冷卻液或齒輪油或空氣等冷卻介質在部件和熱交換器之間流動[2]。散熱系統考慮到風場所在地區空氣中含有沙塵，為避免流道堵塞，外部散熱器的空氣流道選用波紋翅片[3]，自然風是直接流經外部散熱器，一段時間后，表面灰塵異物的不斷積壓，造成散熱能力持續降低[4]。夏季極端高溫天氣散熱器與外界溫差低，溫度升高導致空氣密度的減少，外部散熱器和各發熱部件的散熱情況逐漸惡化，機組滿負荷運行發熱量增大，熱量不能通過散熱器散出導致部件出現過溫情況。為了保證部件安全不得不降低機組負荷出力，甚至停機[5]。

機組原熱管理系統（液冷）在設計之初已考慮裕量，且即便出現過熱現象也一般只出現于夏季最炎熱的幾天內的幾小時中[6]。為了降低解決散熱系統的一系列問題，論文提出了通過為散熱系統增加外部散熱器噴淋系統，快速帶走外部散熱器表面熱量來提升換熱效率。

1 故障事件經過

某風場地處戈壁，高溫及陽光輻射導致地表溫度偏高，多臺機組滿負荷運行出現變流器功率模塊過溫情況。

2 故障原因及處理

2.1 外部散熱器運行原理

冷卻液溫度較低時，冷卻液的熱量通過外部散熱器擴散到空氣中，當冷卻液溫度較高時，散熱風扇啟動加速外部散熱器熱量擴散速度[7]。

2.2 故障原因分析

夏季午后溫度高、陽光輻射明顯，外部散熱器與環境溫差小。同時，高溫天氣空氣密度較低等因素導致散熱能力明顯下降。機組滿功率發電時變流器等部件運行時產生的大量熱量，由于外部散熱器散熱能力下降，導致溫升加劇，最終出現冷卻液溫度升高、變流器功率模塊溫度過高。

2.3 外部散熱器的改進措施

2.3.1 外部散熱器噴淋系統改進方案

在外部散熱器安裝噴淋系統，并設置兩種功能模式：①散熱器噴淋散熱模式。噴頭將水噴淋在外部散熱器的后側的表面上，噴淋水附著在散熱器上，通過流動和蒸發作用帶走散熱器表面的熱量，提升散熱器的散熱效率，見圖1（a）。②散熱器噴淋清洗模式。噴頭將水噴淋在外部散熱器的后側的表面上，在散熱風扇（反轉）的風力作用下，將外部散熱器的噴淋水及其攜帶的灰塵吹離散熱器，起到清潔散熱器表面恢復散熱器本身的散熱能力的作用，見圖1（b）。

圖1 外部散熱器噴淋系統運行狀態示意圖

2.3.2 噴淋系統運行效果

采用冷卻液等介質進行散熱的部件，其熱量主要通過冷卻液帶走而實現降溫，因此僅通過監測目標冷卻部件進出口冷卻液溫度就能判斷散熱效率是否提高[8]。

“噴淋降溫模式”啟動時間為19：08：22～19：08：41，共計20s，機組外部的環境溫度為32.7℃左右，變流器功率從842kW上升到1001kW，外部散熱器出口（變流器入口）冷卻液溫度從39.9℃降到35.5℃，溫度下降平均速率為0.22℃/s；外部散熱器入口（變流器出口）冷卻液溫度從42℃降到40.2℃，溫度下降平均速率為0.09℃/s。

“噴淋清洗模式”啟動時間為19：08：42～19：08：56，共計15秒，機組外部的環境溫度為32.6℃左右，變流器功率維持在1000kW左右，外部散熱器出口（變流器入口）冷卻液溫度從35.5℃到36.9℃，外部散熱器入口（變流器出口）冷卻液溫度從40.3℃下降到38.4℃。

圖2 噴淋系統運行時冷卻液溫度變化

噴淋清洗模式下噴淋水攜帶大量灰塵從外部散熱器風道間隙內被吹出，徹底有效對散熱器表面進行了清洗。

3 結論

本文提出的外部散熱器在設計時考慮了裕量，但仍必需考慮使用過程中不可避免的會出現的灰塵等污穢帶來的影響，此外，還需考慮極端高溫天氣的影響。本文提出了一類能夠解決因灰塵等污穢造成外部散熱器效率下降，且能夠在短時間內提升外部散熱器散熱效率的方法。針對外表污穢和極端高溫天氣等因素對外部散熱器的影響，提出了在外部散熱器新增噴淋系統用以清洗外表面，通過噴淋降低外表面溫度，恢復和提升散熱器效率。

圖3 噴淋系統清洗模式運行外部散熱器外觀圖