歐陽華，董紅云，湯騰蛟，盧 勇，陳少敏

(中車株洲電力機車研究所有限公司， 湖南 株洲 412001)

隨著風電機組向大容量、高性能的趨勢發(fā)展，為了滿足風電機組關鍵部件(電機、變流器、齒輪箱等)的冷卻要求，采用液體循環(huán)冷卻進行風電機組關鍵部件的熱管理在工程實踐中得到大量應用[1]。為了使風電機組整機熱管理系統(tǒng)結構緊湊、運行可靠性高，且其系統(tǒng)費用在機組系統(tǒng)初投資中占比少，通常將風電機組各關鍵部件的冷卻都集中布置在機艙內，采用一套公用的液冷系統(tǒng)來實現(xiàn)整機的高效熱管理。與此同時，為使關鍵部件間的冷卻效果相對獨立、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)方式進行布置，在確保風電機組各關鍵部件的冷卻得到充分保證的同時，有效保證各部件間的熱管理可靠性。

為了實現(xiàn)上述目標，在工程實踐中希望通過改變風電機組各并聯(lián)支路的設計輸入?yún)?shù)(例如散熱板片面積、介質流量、流體壓力損失、冷卻介質溫度、設計環(huán)境溫度等)，快速獲得各支路散熱能力、各支路散熱結構的流量、接口管徑以及風電機組現(xiàn)有熱結構下液冷系統(tǒng)總的散熱量等參數(shù)，并對整機液冷系統(tǒng)的實際流量需求進行校核或修正所提供的參考數(shù)據(jù)，以獲取整機液冷系統(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鍵信息，實現(xiàn)對風電機組整機液冷系統(tǒng)的高效、經濟和精細化熱管理。

1 計算模型構建

圖1給出了風電機組多并聯(lián)支路液冷系統(tǒng)示意圖。從圖1可見：風電機組的發(fā)電機、變流器、控制柜等需要散熱的關鍵設備通過并聯(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，在循環(huán)泵的驅動下，使冷卻介質在散熱設備的散熱器中流過，從而將設備工作時產生的大量熱量及時帶走，最后通過系統(tǒng)的風冷散熱器進行集中冷卻，將從工作設備中收集到的熱量排放到周圍環(huán)境空氣中去，實現(xiàn)對關鍵設備的有效熱管理。

圖1 風電機組多并聯(lián)支路液冷系統(tǒng)示意圖

為了實現(xiàn)對風電機組多并聯(lián)支路液冷系統(tǒng)的精細化熱管理，不僅需要對整機系統(tǒng)散熱、各并聯(lián)支路的散熱進行設計和校核計算，還需要對各支路流量分配以及與流量分配密切相關的各并聯(lián)支路接頭管徑等參數(shù)進行設計和校核計算，使系統(tǒng)最終滿足流動與傳熱的相關要求，實現(xiàn)各并聯(lián)支路與整機液冷系統(tǒng)的性能相互匹配。

1.1 液冷系統(tǒng)總散熱能力計算

系統(tǒng)總散熱能力的校核計算主要是通過計算與發(fā)電機、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。總傳熱量可以通過液冷系統(tǒng)循環(huán)介質與冷卻空氣間傳熱過程按照如下公式進行計算[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為傳熱流體介質間的對數(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)工質側到冷卻空氣側的總傳熱系數(shù)。由于該傳熱系數(shù)與空氣的密度、導熱系數(shù)等物性參數(shù)相關，且空氣的密度與所處的海拔高度密切相關，因此該傳熱系數(shù)K應該是設備所處海拔高度的函數(shù)。通過對大量現(xiàn)場測試實驗數(shù)據(jù)的分析和統(tǒng)計，可以獲得如下傳熱系數(shù)K的經驗取值范圍：

1.1.2有效傳熱面積計算

在風電機組整機液冷系統(tǒng)的水/氣散熱器傳熱功率的計算過程中，由于液冷系統(tǒng)循環(huán)工質在管內強迫流動，管外空氣側是環(huán)境空氣的自然對流換熱，因此式(1)中的有效傳熱面積可以按照下式進行計算：

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)有實驗測試數(shù)據(jù)獲得的傳熱面積修正系數(shù)。

1.1.3傳熱溫差的計算

在式(1)中，傳熱溫差可根據(jù)液冷循環(huán)工質和環(huán)境空氣間的對數(shù)平均溫度進行計算，其計算公式如下：

(3)

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

在液冷循環(huán)工質側，為了保證各并聯(lián)支路中關鍵設備的散熱冷卻效果，確保關鍵元器件工作在合適的溫度范圍內，各并聯(lián)支路的液冷循環(huán)工質進口溫度(即液冷系統(tǒng)中風冷散熱器的液冷循環(huán)工質出口溫度)不超過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)工質在各并聯(lián)支路上的溫升不超過10 ℃。在風電機組液冷系統(tǒng)散熱器的空氣側，其空氣的進口溫度按照風電機組的最高設計環(huán)境溫度進行設定(通常情況下為40 ℃)，冷卻空氣經自然對流散熱后的溫升通過實驗測試獲得，通常取值為8 ℃。

1.2 并聯(lián)支路實際散熱能力的計算

以變流器機側、網(wǎng)側并聯(lián)支路為例(在風電機組中，該支路比較典型，對支路熱效應最為敏感)，對各并聯(lián)支路實際散熱能力的計算過程作如下分析：

通過輸入各并聯(lián)支路電氣部件的設計發(fā)熱功率，并按照部件現(xiàn)有的散熱結構計算出相應的熱阻，得出在現(xiàn)有散熱結構條件下電氣部件的實際溫升值，再與電氣部件的設計溫升值相比較，校核該熱結構是否滿足電氣部件的散熱需求。然后,再通過計算各并聯(lián)支路中現(xiàn)有散熱結構的綜合換熱系數(shù)，測量其實際散熱面積，輸入電氣部件的設計溫升和熱損耗值，可以計算獲得現(xiàn)有散熱結構條件下的實際散熱量，再與電氣部件所要求的散熱量進行比較，實現(xiàn)對電氣部件散熱能力的校核。

上述過程的計算流程見圖2。

圖2 電氣元器件的傳熱計算拓撲結構

1.2.1電氣部件溫升的計算

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

(4)

在式(4)中，各熱阻的定義及計算方式分別如下：

1)Rj為電氣部件的結殼熱阻(K/W)，該值由電氣部件供應商提供；

2)Rd為導熱硅脂熱阻(K/W)，可通過下式進行計算：

(5)

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

3)Rv為循環(huán)冷卻工質的對流換熱熱阻(K/W)，可通過下式進行計算[5]：

(6)

其中:As為電氣元件通過散熱器臺面與循環(huán)液冷工質的有效對流換熱面積(m2)，該值為輸入?yún)?shù)；h為對流換熱系數(shù)(W/(m2·K))，可通過下式進行計算：

(7)

(8)

(9)

式中:λf為循環(huán)液冷工質的導熱系數(shù)(W/(m·K))；Py為循環(huán)液冷工質在平均溫度下的普朗特數(shù)；ρ為循環(huán)液冷工質的密度(kg/m3)；μ為循環(huán)液冷工質的動力黏度(kg/(s·m2))；Dh為工質在散熱器中流動時的當量直徑(m)；u為循環(huán)液冷工質在散熱器中的流動速度(m/s)。

1.2.2電氣部件實際散熱量的計算

電氣部件的實際散熱量可根據(jù)如下公式進行計算：

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))。

其計算公式如下：

(11)

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

可通過下式進行計算：

(12)

通過上述計算過程，可以獲得電氣元器件在現(xiàn)有熱結構條件下的實際散熱量Q2，并將此值與電氣元器件的要求散熱量(該值為設計輸入?yún)?shù))進行比較，可以對元器件的散熱結構進行如下評論：

若Q2≥Q1，則輸出：元器件散熱結構滿足要求；

若Q2

1.3 并聯(lián)支路流量及接口管徑校核

輸入部件現(xiàn)有散熱結構的實際散熱量、部件設計溫度報警值、部件設計要求入口水溫，并結合散熱結構計算得出熱阻，可以計算出部件冷卻散熱的實際所需冷卻液流量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。在已經得出實際所需冷卻液流量的基礎上，結合管道結構計算流阻，進行接口管徑校核。其流程原理如圖3所示。

圖3 管徑校核計算拓撲結構

1.3.1電子器件實際所需冷卻液流量計算

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

(13)

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

定性溫度的計算：

(14)

其中:To循環(huán)液冷工質出口溫度;Ti為循環(huán)液冷工質進口溫度。循環(huán)液冷工質出口溫度To可按下式進行計算：

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

(15)

其中，T′為電氣元件的實際最高結溫，該溫度可通過電氣元件的預設報警溫度和循環(huán)液冷的設計最高進口溫度來確定。

1.3.2接口管徑的校核計算

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

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/M1<0.8，則按照式(16)進行接口管徑的計算：如果標準冷卻液流量小于實際冷卻液流量，則所述標準孔徑按式(16)進行選取[6]。

(16)

其中:dnew為標準孔徑;M為標準冷卻液流量；M1為實際冷卻液流量；dold為原有接頭的孔徑。

計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,則對應單支軟管的壓力損失(來回2個流程總損失)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，可以得到最新的標準孔徑dnew。

2 軟件的開發(fā)及應用實例

圖4給出了風電機組多并聯(lián)液冷系統(tǒng)的計算流程。根據(jù)該流程可以將前述各并聯(lián)支路及系統(tǒng)的換熱過程進行集成，形成一個整體，從而實現(xiàn)對風電機組多并聯(lián)支路液冷系統(tǒng)的整機熱管理。

圖4 風電機組液冷系統(tǒng)計算流程

本文在Matlab平臺基礎上，將上述的計算流程及計算公式整合在該平臺上，在Matlab命名規(guī)則基礎上利用nicontrol、uimenu、uicontextmenu等[7]用戶界面對象設計出直觀易懂的操作界面[8-10]。在該操作界面上，其輸入計算條件有海拔高度、系統(tǒng)設計散熱功率、設計環(huán)境溫度、部件要求進水溫度、機側模塊設計損耗、網(wǎng)側模塊設計損耗、機側要求冷卻液流量、網(wǎng)側要求冷卻液流量、機側接口管徑、網(wǎng)側接口管徑、模塊散熱面積匹配及導熱硅脂厚度等參數(shù)，計算界面及結果見圖5、6。

圖5 軟件主界面

圖6 計算結果輸出

當調整散熱功率后再次計算，可以獲得如圖7的界面。

從圖7中的提示可見：計算并聯(lián)支路的管徑過小，可將管徑適當加大后得到如圖8的計算輸出。

再次調整管徑后，可以獲得如圖9所示的計算結果輸出。

圖7 調整功率后計算結果輸出

圖8 調整管徑后計算結果輸出

圖9 再次調整管徑后計算結果輸出

3 結束語

通常情況下，風電機組關鍵部件的冷卻結構都是各供應商獨立設計并提供，供應商不會從風電整機的角度出發(fā)來考慮是否系統(tǒng)整體匹配，通過本文開發(fā)的計算軟件，能快速計算出各關鍵部件熱結構是否合理、總散熱系統(tǒng)與部件子散熱系統(tǒng)間的關鍵參數(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參數(shù)。例如：如果計算出來接口管徑不合適，可以通過加裝合適管徑的過渡接頭進行改進；如果部件熱結構不滿足要求，可以通過增加冷卻液流量等措施來彌補。

因此，通過該計算模型及程序可以大幅度縮短風電機組熱管理開發(fā)周期并提升其設計準確度，還能有效判斷部件過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只能采用自然對流形式的散熱器進行校核，使得軟件的應用范圍比較局限，但是會在此基礎上對計算軟件作進一步完善，將強迫對流散熱器的校核計算輸入軟件中，進一步擴大該軟件的應用范圍。