文 | 王丁會(huì)，李錦輝，夏靜

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組空-水-空冷卻系統(tǒng)影響因素分析

文 | 王丁會(huì)，李錦輝，夏靜

冷卻系統(tǒng)作為風(fēng)力發(fā)電的重要組成部分，其優(yōu)劣直接關(guān)乎風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能否長(zhǎng)期安全、高效地運(yùn)行，同時(shí)影響著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的增加。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(duì)于海上機(jī)組，考慮防腐、絕緣等要求，不適宜采用直接空冷；隨著機(jī)組單機(jī)容量的不斷增加，空－空冷卻結(jié)構(gòu)占用機(jī)艙空間過(guò)大，使用逐漸受限；空－水冷卻水路在大容量機(jī)組上布置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、困難，存在定子散熱易出現(xiàn)溫度分布不均等問(wèn)題，因而大容量海上機(jī)組不宜采用該冷卻形式；空－水－空冷卻形式可實(shí)現(xiàn)緊湊式布局，減小機(jī)艙占用空間，同時(shí)減小機(jī)艙為冷卻系統(tǒng)設(shè)置的開孔，確保機(jī)艙的相對(duì)密封性。本文以空－水－空冷卻系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立兩級(jí)冷卻系統(tǒng)計(jì)算程序，分析各個(gè)影響因素參數(shù)對(duì)系統(tǒng)散熱量及系統(tǒng)阻力的影響情況。

風(fēng)電機(jī)組空－水－空冷卻系統(tǒng)原理

空－水－空冷卻系統(tǒng)由兩級(jí)空－水板翅散熱器構(gòu)成，系統(tǒng)原理如圖1所示，一級(jí)空－水散熱器布置于發(fā)電機(jī)支架結(jié)構(gòu)上 （本文以布置于支架形式為例，實(shí)際工程應(yīng)用中根據(jù)機(jī)艙和發(fā)電機(jī)整體布局進(jìn)行設(shè)計(jì)），發(fā)電機(jī)內(nèi)部循環(huán)空氣為初級(jí)冷卻介質(zhì)，與發(fā)電機(jī)定子及轉(zhuǎn)子完成熱交換后在循環(huán)風(fēng)扇作用下與熱端空－水散熱器中的冷卻液進(jìn)行熱交換，冷卻液為次級(jí)冷卻介質(zhì)，完成熱交換后，初級(jí)冷卻介質(zhì)再次回到發(fā)電機(jī)內(nèi)，次級(jí)冷卻介質(zhì)在泵組作用下，進(jìn)入機(jī)艙外（或機(jī)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(jìn)行熱交換，之后在泵組作用下次級(jí)冷卻介質(zhì)再次進(jìn)入機(jī)艙內(nèi)熱端空－水散熱器中，由此初級(jí)冷卻介質(zhì)在發(fā)電機(jī)內(nèi)形成閉路冷卻循環(huán)，次級(jí)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(jī)艙外（機(jī)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(jí)循環(huán)，所以換熱效果受到環(huán)境溫度、發(fā)電機(jī)回風(fēng)溫度、散熱器入口流速、冷卻液流量等因素影響。

圖1 風(fēng)電機(jī)組空-水-空冷卻系統(tǒng)圖

數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)

板翅換熱器關(guān)鍵在于計(jì)算散熱量及系統(tǒng)阻力，其直接關(guān)系到系統(tǒng)能否滿足散熱要求及泵、循環(huán)風(fēng)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(guān)因子及參數(shù)的計(jì)算式：

一、散熱量計(jì)算式

對(duì)于散熱量的計(jì)算，采用經(jīng)典的牛頓冷卻公式為基本計(jì)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(dòng)阻力計(jì)算式

板－翅式散熱器流通通道阻力主要由進(jìn)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(dòng)阻力的主要組成部分，通過(guò)該值進(jìn)行系數(shù)修正，其計(jì)算式如下：

式中：ΔP－流動(dòng)阻力，Pa；f－摩擦因子；L－流道長(zhǎng)度，m；De－當(dāng)量直徑，m；gf－單位面積質(zhì)量流量，kg/（m2·s）；ρm－密度，kg/m3；

三、關(guān)鍵因子及計(jì)算式

對(duì)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(guó)內(nèi)學(xué)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(guān)函數(shù)，國(guó)外學(xué)者給出傳熱因子j、摩擦因子f相關(guān)計(jì)算關(guān)聯(lián)式，如下式所示：

其中可推導(dǎo)得到（5）和（6）式：

式中：l－翅片長(zhǎng)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(dāng)量直徑，m。

程序計(jì)算邏輯流程說(shuō)明

空－水－空冷卻系統(tǒng)采用兩級(jí)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(jī)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(guò)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(jì)算，其邏輯如圖2所示，其具體計(jì)算思路如下所述：

首先，環(huán)境溫度Twkr及發(fā)電機(jī)回風(fēng)溫度Tnkr為初始值，根據(jù)板－翅式散熱器既定的結(jié)構(gòu)及尺寸，得到散熱器當(dāng)量直徑De、有效散熱面積A及通道截面積S等，并假設(shè)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(shè)散熱量及假定散熱器出口溫度Tkc,進(jìn)行迭代可得到假設(shè)散熱量所對(duì)應(yīng)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(shè)條件計(jì)算得到理論散熱量Qw及Qn，理論上二者最終計(jì)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(xiàng)為迭代對(duì)象進(jìn)行計(jì)算，直至滿足殘差要求停止計(jì)算；

最后，根據(jù)計(jì)算收斂結(jié)果，計(jì)算最終系統(tǒng)阻力ΔP，并輸出系統(tǒng)實(shí)際散熱量。

需要說(shuō)明的是，所假設(shè)的散熱量Q及輸入的空氣流速V在初始計(jì)算時(shí)，如設(shè)置值偏差過(guò)大，會(huì)使得對(duì)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(zhǔn)參數(shù)

鑒于風(fēng)電機(jī)組往往處于風(fēng)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(shè)置板－翅式散熱器為平板式結(jié)構(gòu)。為便于分析各因素對(duì)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(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表1所示，通過(guò)改變其他影響因素來(lái)計(jì)算系統(tǒng)散熱量及系統(tǒng)阻力的變化情況。

在進(jìn)行各因素對(duì)比過(guò)程中需設(shè)置基準(zhǔn)參數(shù)，通過(guò)改變其他影響因素來(lái)分析其變化對(duì)散熱量的影響，其基準(zhǔn)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(guān)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(shí)，基準(zhǔn)參數(shù)不變。

圖2 計(jì)算邏輯流程圖

表1 翅片物理尺寸

表2 基準(zhǔn)參數(shù)

表3 變工況參數(shù)值

根據(jù)等效熱路建立簡(jiǎn)化傳熱過(guò)程熱阻分析圖，如圖3所示，在傳熱過(guò)程熱阻分析圖中，空－水－空冷卻系統(tǒng)中不考慮散熱器導(dǎo)熱熱阻（因翅片薄，且鋁具有良好的導(dǎo)熱性能，其熱阻數(shù)量級(jí)相對(duì)于兩側(cè)流體對(duì)流換熱熱阻數(shù)量級(jí)?。渲饕獰嶙栌衫涠松釂卧h(huán)境空氣與散熱器翅片的對(duì)流換熱熱阻R1、冷端散熱單元換熱翅片與冷卻液的對(duì)流換熱熱阻R2、熱端散熱單元發(fā)電機(jī)回風(fēng)與散熱器翅片的對(duì)流換熱熱阻R3、熱端散熱單元換熱翅片與冷卻液的對(duì)流換熱熱阻R4構(gòu)成，其中h為所對(duì)應(yīng)的對(duì)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(jī)回風(fēng)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(guān)系，隨環(huán)境溫度升高系統(tǒng)散熱量下降，可見(jiàn)環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)散熱量影響較為明顯。結(jié)合圖3進(jìn)行分析，在發(fā)電機(jī)回風(fēng)溫度Tnkr不變情況下，隨環(huán)境溫度Twkr的不斷提高，熱阻兩側(cè)溫差（Tnkr－Twkr）減小，因而散熱量出現(xiàn)線性下降趨勢(shì)，同時(shí)由圖4知，冷端散熱單元入口流速未變，但空氣側(cè)阻力隨環(huán)境溫度升高略有下降趨勢(shì)，其主要原因?yàn)殡S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(shì)明顯于粘度升高趨勢(shì)，導(dǎo)致空氣側(cè)阻力出現(xiàn)降低趨勢(shì)；同理如圖5所示，系統(tǒng)散熱量隨著發(fā)電機(jī)回風(fēng)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(jī)回風(fēng)溫度升高，熱阻兩側(cè)溫差增加，因而出現(xiàn)系統(tǒng)散熱量隨回風(fēng)溫度升高出現(xiàn)線性增加情況，同樣，隨著回風(fēng)溫度的升高，熱端散熱單元空氣側(cè)阻力也出現(xiàn)略微下降趨勢(shì)，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(fēng)扇工作溫度，應(yīng)嚴(yán)格控制回風(fēng)溫度過(guò)高。

二、冷端散熱單元空氣側(cè)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(jìn)一步增加，系統(tǒng)散熱量增加幅度不斷減小，其主要原因?yàn)殡S著入口流速的增加，空氣側(cè)與翅片間對(duì)流換熱系數(shù)h1不斷提高，導(dǎo)致該側(cè)熱阻R1下降，當(dāng)流速增加到一定程度，R1對(duì)于熱路的影響處于非關(guān)鍵控制因素，因而進(jìn)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(cè)阻力呈快速增加趨勢(shì)，其主要原因?yàn)榭諝鈧?cè)翅片結(jié)構(gòu)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(guān)系，因而冷端散熱單元空氣側(cè)阻力隨著入口流速的增加出現(xiàn)快速增加趨勢(shì)，其對(duì)冷卻風(fēng)扇選型及冷卻系統(tǒng)能耗影響較大。

圖3 傳熱過(guò)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(cè)阻力關(guān)系圖

圖5 回風(fēng)溫度與系統(tǒng)散熱量及熱端散熱器空氣側(cè)阻力關(guān)系圖

三、熱端散熱單元發(fā)電機(jī)回風(fēng)流速影響分析

由圖7知，隨著熱端散熱單元回風(fēng)，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(fēng)流速增加，熱端散熱單元風(fēng)側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)h4不斷提高，其熱阻R4下降，達(dá)到一定值后，成為熱路非關(guān)鍵控制因素，對(duì)系統(tǒng)散熱量影響不斷減小，而該側(cè)阻力變化規(guī)律與圖6中所述一致。設(shè)計(jì)過(guò)程中，循環(huán)風(fēng)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(guān)系，在考慮風(fēng)量增加引起散熱量增加同時(shí)，還應(yīng)考慮風(fēng)側(cè)阻力的快速增加，相應(yīng)的風(fēng)量對(duì)應(yīng)過(guò)高的壓頭會(huì)超出合適結(jié)構(gòu)風(fēng)扇的性能范圍之外。

圖7 熱端散熱單元空氣側(cè)入口流速與散熱量及空氣側(cè)阻力關(guān)系圖

圖8 冷卻液流量變化對(duì)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(jié)合熱阻分析圖，相對(duì)空氣與翅片間的對(duì)流換熱系數(shù)，冷卻液與翅片間的對(duì)流換熱系數(shù)通常是前者的10－100倍，冷卻液流量較低時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)h3及h4相對(duì)不高，因而R2、R3仍然在整個(gè)熱阻中占有一定比例，而隨著流速增加，冷卻液側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)增加要顯著高于空氣側(cè)，因而熱阻R2、R3快速降低，顯著低于R1及R4，因而其對(duì)散熱量影響出現(xiàn)圖8中所示趨勢(shì)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(cè)阻力隨流量的變化，散熱器翅片結(jié)構(gòu)未變，近似阻力系數(shù)恒定，阻力與流量成平方關(guān)系，因而出現(xiàn)圖中變化趨勢(shì)，其直接影響著泵組的優(yōu)化選型。

結(jié)論

空－水－空冷卻系統(tǒng)更加適用于大容量機(jī)組的散熱，而通過(guò)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(fēng)扇及泵組的選型過(guò)大或過(guò)小，造成系統(tǒng)能耗過(guò)高或不能滿足系統(tǒng)散熱要求，通過(guò)上述分析可得知：

（1）環(huán)境溫度對(duì)空－水－空冷卻系統(tǒng)散熱量影響十分明顯，應(yīng)根據(jù)環(huán)境溫度對(duì)風(fēng)電場(chǎng)所處地域進(jìn)行等級(jí)劃分，所設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)滿足當(dāng)?shù)刈罡邷囟裙r并保留一定富余量即可，無(wú)需選取過(guò)高的環(huán)境溫度作為輸入?yún)?shù)進(jìn)行冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可優(yōu)化散熱器結(jié)構(gòu)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(cè)阻力出現(xiàn)快速攀升，考慮到冷卻系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)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(diǎn)處應(yīng)作為冷卻風(fēng)扇選型參考依據(jù)；

（3）與風(fēng)量影響趨勢(shì)相似，隨著冷卻系統(tǒng)冷卻液流量的增加，散熱量在某一點(diǎn)處不再隨著流量的增加而進(jìn)一步提高，泵組作為冷卻系統(tǒng)重要的動(dòng)力組件，該拐點(diǎn)為確定系統(tǒng)流量的重要依據(jù)，進(jìn)而可根據(jù)流量得出系統(tǒng)阻力，進(jìn)一步可結(jié)合流量及系統(tǒng)阻力進(jìn)行泵組的選型。

（作者單位：北京金風(fēng)科創(chuàng)風(fēng)電設(shè)備有限公司）