文 | 王丁會，李錦輝，夏靜

風力發(fā)電機組空-水-空冷卻系統(tǒng)影響因素分析

文 | 王丁會，李錦輝，夏靜

冷卻系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)緊湊式布局，減小機艙占用空間，同時減小機艙為冷卻系統(tǒng)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(tǒng)為研究對象，建立兩級冷卻系統(tǒng)計算程序，分析各個影響因素參數(shù)對系統(tǒng)散熱量及系統(tǒng)阻力的影響情況。

風電機組空－水－空冷卻系統(tǒng)原理

空－水－空冷卻系統(tǒng)由兩級空－水板翅散熱器構成，系統(tǒng)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(jù)機艙和發(fā)電機整體布局進行設計），發(fā)電機內(nèi)部循環(huán)空氣為初級冷卻介質(zhì)，與發(fā)電機定子及轉(zhuǎn)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(zhì)，完成熱交換后，初級冷卻介質(zhì)再次回到發(fā)電機內(nèi)，次級冷卻介質(zhì)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(zhì)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(zhì)再次進入機艙內(nèi)熱端空－水散熱器中，由此初級冷卻介質(zhì)在發(fā)電機內(nèi)形成閉路冷卻循環(huán)，次級冷卻介質(zhì)在管路系統(tǒng)中形成閉路冷卻循環(huán)，最終冷卻介質(zhì)與機艙外（機艙尾部)的空－水散熱器內(nèi)形成開路冷卻循環(huán)，因該系統(tǒng)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(tǒng)圖

數(shù)學模型推導

板翅換熱器關鍵在于計算散熱量及系統(tǒng)阻力，其直接關系到系統(tǒng)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(tǒng)阻力的大小，下文給出了相關因子及參數(shù)的計算式：

一、散熱量計算式

對于散熱量的計算，采用經(jīng)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(shù)，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(shù)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(zhì)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(shù)Re的函數(shù)，有國內(nèi)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(shù)Re變化的曲線，并根據(jù)圖中曲線嚙合了相關函數(shù)，國外學者給出傳熱因子j、摩擦因子f相關計算關聯(lián)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(shù)；Re－雷諾數(shù)；St－斯坦頓數(shù)；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(tǒng)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(nèi)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?qū)崿F(xiàn)冷端散熱單元與熱端散熱單元協(xié)同作用下系統(tǒng)散熱量與系統(tǒng)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(jù)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(tǒng)散熱量為Q（冷端散熱單元為Qw及熱端散熱單元為Qn），根據(jù)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(jù)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(jù)計算收斂結果，計算最終系統(tǒng)阻力ΔP，并輸出系統(tǒng)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(shù)平均溫差出現(xiàn)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(shù)

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(tǒng)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(shù)如表1所示，通過改變其他影響因素來計算系統(tǒng)散熱量及系統(tǒng)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(shù)，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(shù)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(shù)關系，不同影響因素參數(shù)的取值如表3所示，在分析各影響參數(shù)變化時，基準參數(shù)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(shù)

表3 變工況參數(shù)值

根據(jù)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(tǒng)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(shù)量級相對于兩側流體對流換熱熱阻數(shù)量級小），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(shù)，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(tǒng)散熱量與環(huán)境溫度大致表現(xiàn)為線性關系，隨環(huán)境溫度升高系統(tǒng)散熱量下降，可見環(huán)境溫度對系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)降低趨勢；同理如圖5所示，系統(tǒng)散熱量隨著發(fā)電機回風溫度升高而近似線性增加，根據(jù)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(xiàn)系統(tǒng)散熱量隨回風溫度升高出現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)散熱量起初受到較大影響，而隨著流速的進一步增加，系統(tǒng)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(shù)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(shù)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(xiàn)快速增加趨勢，其對冷卻風扇選型及冷卻系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)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(shù)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)散熱量及系統(tǒng)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(tǒng)散熱量顯著變化，隨著冷卻液流量增加到一定程度，系統(tǒng)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(shù)，冷卻液與翅片間的對流換熱系數(shù)通常是前者的10－100倍，冷卻液流量較低時，對流換熱系數(shù)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(shù)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(xiàn)圖8中所示趨勢情況；由圖8知，冷卻液在冷端散熱單元內(nèi)及熱端散熱單元內(nèi)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(shù)恒定，阻力與流量成平方關系，因而出現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)的選型，避免系統(tǒng)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(tǒng)能耗過高或不能滿足系統(tǒng)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(tǒng)散熱量影響十分明顯，應根據(jù)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(tǒng)滿足當?shù)刈罡邷囟裙r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?yún)?shù)進行冷卻系統(tǒng)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(tǒng)散熱量逐漸趨緩，而空氣側阻力出現(xiàn)快速攀升，考慮到冷卻系統(tǒng)循環(huán)風扇選型冷卻系統(tǒng)整體功耗及系統(tǒng)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(jù)；

（3）與風量影響趨勢相似，隨著冷卻系統(tǒng)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(tǒng)重要的動力組件，該拐點為確定系統(tǒng)流量的重要依據(jù)，進而可根據(jù)流量得出系統(tǒng)阻力，進一步可結合流量及系統(tǒng)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）