周濤，馬棟梁， 陳柏旭，齊實，宋振龍

(1.華北電力大學 核科學與工程學院，北京 102206； 2.華北電力大學 核熱工安全與標準化研究所，北京 102206；3.非能動核能安全技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102206； 4.內(nèi)蒙古華電蒙東能源有限公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

非能動自然循環(huán)風電機艙冷卻系統(tǒng)應用研究

周濤1,2,3，馬棟梁1,2,3， 陳柏旭1,2,3，齊實1,2,3，宋振龍4

(1.華北電力大學 核科學與工程學院，北京 102206； 2.華北電力大學 核熱工安全與標準化研究所，北京 102206；3.非能動核能安全技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102206； 4.內(nèi)蒙古華電蒙東能源有限公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

風電機艙的有效通風冷卻，可以保障風電機組在高溫天氣下安全、高效運行。通過建立風電機艙仿真模型，對加裝聚風罩前、后的風電機艙進行模擬計算，計算結(jié)果表明：隨著環(huán)境風速的增大，機艙內(nèi)部溫度明顯下降，風速大于8 m/s時，機艙與環(huán)境溫度差小于3℃；外部風速越大，機艙內(nèi)外的溫度差也越小。加裝聚風罩后，減少了風機因機艙內(nèi)部溫度過高而導致的被迫停運現(xiàn)象，提高了風電機組發(fā)電的經(jīng)濟性和安全性。

風電機組；非能動；自然循環(huán)；機艙；聚風罩；通風冷卻

0 引言

我國每年4—11月環(huán)境溫度為20～40 ℃,極端天氣時溫度將達到45 ℃。隨著環(huán)境溫度的升高，風電機組機艙內(nèi)溫度也升高，平均為35～60 ℃，比環(huán)境溫度高15～20 ℃。機艙溫度升高會導致齒輪箱油、發(fā)電機軸承、變頻相關(guān)設備溫度升高，進而導致風機限功率或停機。當環(huán)境溫度達到38 ℃時，某300 MW風電場198臺風機有123臺因以上問題限功率或停機，大大降低了風機的可利用率，每年因該問題導致的電量損失高達10 GW·h，折合人民幣521萬元左右，給風電場造成巨大的經(jīng)濟損失。如果將整機的溫度控制在合理范圍內(nèi)，風機可利用率可以提高2百分點，每年可為企業(yè)增效至少540萬元。統(tǒng)計資料顯示，夏季的備件損耗幾乎占全年的70%以上，風機故障率比冬季高1倍以上。根據(jù)以上分析可以得出，機艙溫度降低后，整機內(nèi)部所有設備的溫度都會降低，可改善各設備的運行工況，降低設備故障率，因此，機艙冷卻控制系統(tǒng)對降低風機故障率及減少備件損耗有著重要的意義。自然循環(huán)[1-2]系統(tǒng)是一種利用冷熱端所形成的密度差進行熱量交換的系統(tǒng)，具有非能動的自然特性，無需外部驅(qū)動機構(gòu)，冷卻效果安全可靠，在核反應堆的余熱排出及風力發(fā)電機艙冷卻等領域有著廣泛而深入的應用。為避免夏季高溫天氣下風電機艙內(nèi)部局部溫度過高而導致風機停運[3-13]，提出了一種非能動自然循環(huán)冷卻風電機艙系統(tǒng)：對風機加裝聚風罩和導流罩，使機艙內(nèi)部的熱空氣和機艙外部環(huán)境的冷空氣形成連續(xù)的自然循環(huán)冷卻通風系統(tǒng)，通過聚風罩將外部冷空氣引入風道，對變頻器柜進行通風降溫；改造齒輪箱散熱系統(tǒng)，加大齒輪箱油冷散熱容量；建立實時采集的數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件平臺，對風機所有溫控參數(shù)進行采集處理。數(shù)值模擬仿真計算表明，加裝聚風罩后，風電機艙內(nèi)部冷卻效果良好，內(nèi)部溫度明顯下降，減少了風機因內(nèi)部機艙溫度過高而導致的被迫停運現(xiàn)象，提高了風電機組發(fā)電的經(jīng)濟性和安全性，為聚風罩冷卻裝置的推廣提供了理論依據(jù)。

1 研究對象

1.1風電機艙結(jié)構(gòu)

研究對象為某風力發(fā)電公司的雙饋風力發(fā)電機組，其風電機艙內(nèi)部包括齒輪箱、發(fā)電機、制動連軸裝置、變頻器、降噪裝置、偏航系統(tǒng)及水冷裝置等，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風電機艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

由圖1可以看出，在逃生口部位加裝聚風罩，風從聚風罩進入機艙尾部，冷空氣經(jīng)過發(fā)電機、變頻柜、齒輪箱后端對各設備降溫，空氣溫度逐漸升高，熱空氣由于密度較小而積聚到機艙上方，從機艙殼上端開口排出。在圖中機艙的左下部加裝聚風罩后，機艙內(nèi)外空氣形成一定高度差的自然循環(huán)，冷風從下部聚風罩進入機艙內(nèi)部，水平流過發(fā)電機和齒輪箱變頻器等裝置后，由上部出風口流出，可以將機艙內(nèi)部熱量帶出。聚風罩的開口面向輪轂迎風面，合理地利用了風機的迎風特性和風能的運動特性，不需要外加電源，不消耗能源就可以達到降低機艙溫度的目的；同時，在逃生口加裝除塵氣柵和濾網(wǎng)，避免外界空氣所帶灰塵和雜質(zhì)進入機艙，造成油冷散熱器的污染。在風機機艙殼上端面開口設置導流罩，開口背對輪轂迎風面，一方面能更好地形成風道，另一方面可以避免雨水對設備造成損壞。通過拉繩將聚風罩底部與機艙內(nèi)主機架相連，保證遭受較大順風時聚風罩安全穩(wěn)定。

1.2幾何模型

使用ANSYS數(shù)值模擬軟件，對圖1的研究對象建立模型，如圖2所示。

圖2 幾何模型

1.3主要技術(shù)參數(shù)

所選風電機組為SL1500系列典型風力發(fā)電機，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 SL1500型典型風力發(fā)電機技術(shù)參數(shù)

1.4風機保護定值

機艙內(nèi)任一散熱部件達到溫度上限之后，就會觸發(fā)保護動作而使風機保護停運，保護項目和定值見表2。

通過表2可以看出，影響風機高溫限功率的主要因素為齒輪箱油溫，影響風機停機的主要因素為機艙溫度。而機艙內(nèi)部平均溫度的高低，直接影響齒輪箱散熱程度。

2 計算方法

2.1網(wǎng)格劃分

以SL1500典型風機為設計模型，采用三維立體建模數(shù)值模擬方法[14-16]，對圖2所示的幾何模型建立三維數(shù)值分析模型，并進行合理的網(wǎng)格劃分，如圖3所示。合理地設置計算邊界條件及湍流計算模型之后，可以對加裝聚風罩前、后的機艙溫度數(shù)據(jù)進行比對分析。

圖3 幾何模型網(wǎng)格劃分

從圖3可以看出，劃分網(wǎng)格時幾何模型中已經(jīng)包含了改造后的聚風罩，在計算改造前的機艙溫度時，可將該部分的入口風速設置為0。

2.2計算模型

ANSYS CFX內(nèi)部自帶了進行熱工水力計算的程序，計算中所用到的公式如下。

(1)連續(xù)性方程。

(1)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；u，υ，w為流體速度在x，y，z方向的分量，m/s。計算過程中考慮了重力加速度g=9.81 m/s2。

(2)動量方程。

(2)

(3)

(4)

式中：p為作用在微元體上的壓力，MPa；τxx，τxy，τxz為作用在黏性微元體表面上的黏性力τ的分量，N；Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z為作用在微元體上的力，N。

(3)能量方程。

式中：cp為流體的比定壓熱容，kJ/(kg·K)；T為流體的溫度，K；λ為流體的熱導率，W/(m·K)；ST為黏性耗散，kg/(m2·s2)。

(4)剪切壓力傳輸(SST)湍流模型方程。

Gk-Yk+Sk，

(6)

Yω+Dω+Sω，

(7)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；k為湍動能，J/kg；Gk為湍流的動能，J/kg；Gω為ω方程；Γk和Γω分別為k和ω的有效擴散項；Yk和Yω分別為k和ω的發(fā)散項；Dω為正交發(fā)散項；Sk和Sω由用戶自定義；i，j代表x，y，z3個方向。

2.3邊界條件設置

根據(jù)SL1500型典型風力發(fā)電機技術(shù)參數(shù)以及風機各設備高溫保護定值，設定風機正常運行時的邊界條件，見表3。

表3 風機正常運行時的邊界條件

在CFX前處理軟件中設置好相應的邊界條件參數(shù)，當軟件計算達到相應的精度條件后，計算過程結(jié)束，在計算結(jié)果文件中對機艙內(nèi)部各種參數(shù)進行分析處理。

3 計算結(jié)果

3.1改造前、后機艙與環(huán)境溫度差變化情況

3.1.1 改造前溫度變化

對改造前的機艙進行數(shù)值模擬計算，得到了機艙與環(huán)境溫度差隨風速的變化趨勢(如圖4所示)，機艙內(nèi)溫度和環(huán)境溫度的對比情況如圖5所示。

圖4 改造前機艙與環(huán)境溫度差隨風速的變化

圖5 改造前機艙內(nèi)溫度與環(huán)境溫度對比

從圖4可以看出，加裝聚風罩前，隨著外部環(huán)境風速的增大，機艙與環(huán)境溫度差始終保持在22 ℃左右，基本沒有下降的趨勢。從圖5可以看出，環(huán)境溫度保持在10 ℃左右的較低水平，但機艙內(nèi)部溫度較高，大約為33 ℃，機艙內(nèi)部溫度過高，嚴重威脅風電機組的安全穩(wěn)定運行。

3.1.2 改造后溫度變化

加裝聚風罩后，機艙與環(huán)境溫度差隨風速的變化趨勢如圖6所示，機艙內(nèi)溫度與環(huán)境溫度的對比情況如圖7所示。

從圖6可以看出，加裝聚風罩后，隨著外部環(huán)境風速的增大，機艙與環(huán)境溫度差迅速下降，當風速達到12 m/s時，該差值已趨近1 ℃，說明此時機艙內(nèi)部的冷卻效果非常好。從圖7可以看出，環(huán)境溫度保持在25 ℃左右，但機艙內(nèi)部溫度已經(jīng)下降非常明顯，機艙內(nèi)部高效的通風冷卻保障了風電機組的安全穩(wěn)定運行。

圖6 改造后機艙與環(huán)境溫度差隨風速的變化

圖7 改造后機艙溫度與環(huán)境溫度對比

3.2改造前、后機艙與環(huán)境溫度差隨入口風速的變化

3.2.1 改造前、后不同風速下的溫度差

對改造前、后的機艙進行數(shù)值模擬計算，得出了不同入口風速下機艙與環(huán)境溫度差的變化趨勢，如圖8、圖9所示。

圖8 改造前不同風速下的機艙與環(huán)境溫度差

圖9 改造后不同風速下的機艙與環(huán)境溫度差

通過圖8可以看出，加裝聚風罩前，隨著環(huán)境溫度的升高，機艙與環(huán)境溫度差增大，說明此時機艙內(nèi)部冷卻效果非常不好，此現(xiàn)象與試驗結(jié)果基本保持一致。隨著入口風速的增大，機艙內(nèi)部溫度沒有降低的跡象。

通過圖9可以看出，加裝聚風罩后，隨著環(huán)境溫度的升高，入口風速較低時機艙與環(huán)境溫度差較大，但當入口風速增大到一定值之后，該差值迅速減小，說明此時機艙內(nèi)部得到了有效冷卻，從理論上驗證了加裝聚風罩的合理性。

3.2.2 改造前、后溫度差的對比

在相同的環(huán)境溫度(25 ℃)、不同風速條件下，改造前、后機艙與環(huán)境溫度差對比結(jié)果如圖10所示。

圖10 風機改造前、后機艙與環(huán)境溫差對比

通過圖10可以看出：改造前、后的機艙與環(huán)境溫度差相差較大，且隨著風速的增加，數(shù)值差距逐漸增大，改造前的溫度差與風速正相關(guān)，而改造后的溫度差與風速負相關(guān)；風速大于8 m/s時，機艙與環(huán)境溫度差小于3 ℃，顯著降低了機艙溫度；外部風速越大，機艙與環(huán)境溫度差也越小，即冷卻效果也越好，改善了設備的運行環(huán)境，明顯降低了風機故障率。

3.3模擬計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比

將改造前、后的模擬軟件計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進行對比，如圖11、圖12所示。從圖11、圖12可以看出，模擬計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)符合良好，由于模擬計算取值點較少，因此未能模擬出溫度的波動情況，但模擬值近似等于溫度變化的平均值，既可以證明模擬結(jié)果的準確性，同時也可以看出加裝聚風罩的確能夠有效降低機艙溫度。

4 改進措施與對策

風電機組實際運行過程中，可采取以下措施來保證風電機組正常的通風冷卻。

(1)加裝聚風罩可以實現(xiàn)機艙內(nèi)部的自然通風冷卻，且隨著自然風速的增大，冷卻效果更佳。

(2)當夏季溫度超過40 ℃時，在機艙頂部天窗加裝導流罩，導流罩下方機艙頂部天窗位置加裝一個渦流風機向外排風，同時在渦流風機上方加裝防雨罩。

圖11 改造前模擬計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比

圖12 改造后模擬計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比

(3)在變頻器柜體外側(cè)加裝2套溫控通風換氣設備，通風換氣設備從聚風罩進風口引風，在進風口加裝氣柵，在通風設備上加裝除塵濾網(wǎng)，整個換氣設備加裝溫控裝置，冬季自動關(guān)閉換氣設備，夏季外界環(huán)境溫度升高到一定值時自動開啟換氣設備。

5 結(jié)論

運用ANSYS 數(shù)值模擬軟件，對加裝聚風罩之后的風電機艙進行了數(shù)值計算分析。將數(shù)值計算結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)進行了對比，兩者對比符合良好。

(1)風電機艙加裝聚風罩后，機艙與環(huán)境溫度差迅速下降，風速在10 m/s以上時，該差值小于3 ℃且會隨著外部環(huán)境風速的增大而減小。

(2)加裝聚風罩前，機艙與環(huán)境溫度差較大，機艙內(nèi)部溫度沒有下降趨勢。加裝聚風罩后，機艙與環(huán)境溫度差已經(jīng)趨于一致，有效地對機艙內(nèi)部進行了冷卻，在環(huán)境溫度40 ℃以內(nèi)，風機不會發(fā)生高溫限功率故障。

(3)非能動聚風罩的使用，可以保障機組運行平均故障率低于其他未安裝聚風罩的風機，風機可利用率達到99%以上，有力地保障了風電機組安全、高效、可靠運行。

(4)夏季高溫天氣時，可在機艙頂部天窗加裝導流罩，同時配合渦流風機加強排風冷卻。

(5)在變頻器柜體外側(cè)加裝通風換氣設備，配合溫度控制裝置，可以實現(xiàn)冬季自動關(guān)閉換氣設備，夏季高溫環(huán)境自動開啟換氣設備進行通風冷卻。

[1]周濤，李精精，琚忠云，等.非能動自然循環(huán)技術(shù)的發(fā)展與研究[J].核安全，2013，12(3)：32-36.

[2]周濤，李精精，汝小龍，等.核電機組非能動技術(shù)的應用及其發(fā)展[J].中國電機工程學報，2013，33(8)：81-89.

[3]王家華，劉豪，劉敏.1.5 MW風電機組變流柜溫升問題解決方案[J].風能產(chǎn)業(yè)，2015(5)：60-63.

[4]王東升.基于故障統(tǒng)計的風力發(fā)電機組維護管理研究[D].北京:華北電力大學，2011.

[5]張文秀.雙饋風力發(fā)電機運行特性及其熱性能分析研究[D].南京：南京理工大學，2015.

[6]劉敏，劉豪，董紅云，等.兆瓦級風電機組高溫氣候應對技術(shù)及應用[J].風能，2014(10)：88-91.

[7]徐婷.風電機組能效評價與診斷研究[D].北京：華北電力大學，2016.

[8]董紅云，高首聰，宋建秀，等.風電機組塔筒內(nèi)大功率風冷變流器的散熱研究[J].大功率變流技術(shù)，2017(1)：50-54.

[9]王明軍，邵勤豐.系列風電機組事故分析及防范措施(七)：提高機組的整機性能與機組安全[J].風能，2017(1)：46-49.

[10]LU B, LI Y, WU X, et al. A review of recent advances in wind turbine condition monitoring and fault diagnosis[C]//Power Electronics and Machines in Wind Applications, 2009:1-7.

[11]POLINDER H, PIJL F , VILDER G J D, et al.Comparison of direct-drive and geared generator concepts for wind turbines[J].IEEE transactions on energy conversion,2006,21(3):725-733.

[12]ARNALTE S，BURGOS J C, RODRGUEZ-AMENEDO J L.Direct torque control of a doubly-fed induction generator for variable speed wind turbines[J].Electric power components and systems,2002,30(2):199-216.

[13]SONG D, YANG J, DONG M, et al.Model predictive control with finite control set for variable-speed wind turbines[J].Energy, 2017(126): 564-572.

[14]CORTINA G, CALAF M. Turbulence upstream of wind turbines: A large-eddy simulation approach to investigate the use of wind lidars[J].Renewable energy, 2017(105):354-365.

[15]羅慧強.風力發(fā)電機的流體場和溫度場數(shù)值分析[D].成都：西南交通大學，2012.

[16]成丹鳳.風力發(fā)電機冷卻系統(tǒng)實驗研究及數(shù)值模擬[D].南京：南京航空航天大學，2013.

(本文責編：劉芳)

2017-03-31；

:2017-05-19

TM 614

：A

：1674-1951(2017)06-0001-05

周濤(1965—)，男，陜西西安人，華北電力大學國際教育學院副院長，博士生導師，教授，從事核熱工水力與安全方面的研究及教學工作(E-mail:zhoutao@ncepu.edu.cn)。

馬棟梁(1982—)，男，河北保定人，在讀博士研究生，從事反應堆熱工水力方面的研究(E-mail:madongliang168@163.com)。

陳柏旭(1992—)，男，甘肅蘭州人，在讀碩士研究生，從事反應堆熱工水力方面的研究(E-mail:623054362@qq.com)。

齊實(1994—)，男，吉林長春人，在讀碩士研究生，從事反應堆熱工水力方面的研究(E-mail:1093798898@qq.com)。

宋振龍(1966—)，男，山東棗莊人，副總經(jīng)理，工程師，從事電廠生產(chǎn)管理等方面的工作。