華電河南新能源發(fā)電有限公司 李 強 索連帥 劉征遠 朱文會 華電電力科學研究院有限公司 楊 帥 張銀龍

1 前言

風電是一種具有巨大潛在發(fā)展和相對成熟的可再生能源。對減少溫室氣體和應對氣候變化的新形勢下，風能受到了世界各國的高度重視。隨著風電裝機容量的高速擴大，它給企業(yè)帶來了非常其明顯的經(jīng)濟效益和社會效益，但同時也面臨著一系列的設備問題，如齒輪箱、發(fā)電機、控制柜產(chǎn)生的熱量大量積聚，至使機艙內(nèi)溫度不斷上升的問題已經(jīng)出現(xiàn)了多年，相關人員還沒有找到經(jīng)濟有效的處理辦法，因此尋找可靠有效的散熱方法的非常必要的。

沈陽工業(yè)大學閆闖[1]等人針對目前風電機組單機容量提升所帶來的機艙溫升問題，以目前市場上廣泛應用的機艙類型作為研究對象，尋求通過對機艙內(nèi)的氣流組織進行優(yōu)化，實現(xiàn)降低機艙內(nèi)的平均溫度，優(yōu)化溫度場分布，削弱多熱源間的影響，增強機艙的散熱性能的目的，對通過改變風電機艙結構達到最佳散熱效果具有參考意義。

陳子新[2]等人通過對風電組機艙內(nèi)的主要熱源分析，提出了一種基于自動控制的智能控溫系統(tǒng)。分析了散熱槳葉在不同功率下，機艙內(nèi)氣流對散熱性能的影響。對優(yōu)化機艙內(nèi)流場具有參考意義。

應華冬[3]等人以存在散熱問題的機組作為研究對象，從科學的重新規(guī)劃氣流組織，降低系統(tǒng)吸風阻力等方面入手，對機組的散熱系統(tǒng)進行改造。同時用計算機輔助軟件對改造結果進行評估，驗證了良好的改造結果，為機艙散熱性能優(yōu)化提供了依據(jù)。

馬鐵強[4]等人在以散熱布局結構優(yōu)化中發(fā)現(xiàn)“下送尾排”式機艙散熱布局結構的基礎上，提出了“下送側排”式、“側送尾排”式和“側送側排”式3種機艙散熱布局結構；然后通過改變送風口與排風口的位置，運用CFD軟件對4種機艙散熱布局結構進行溫度場數(shù)值模擬。

由于強對流風冷在目前風電機艙散熱系統(tǒng)中運用十分廣泛，所以國內(nèi)文獻中的大部分學者都是通過有限元分析建立流速場和溫度場[5]，在比較溫度效率值找出最佳散熱方案的，以上文獻均有提到通過改變進/排風口數(shù)量、尺寸，選取不同表面等方法優(yōu)化氣流質量改善溫度場分布不均引起的“熱短路”問題。由于以上文獻已做過大量數(shù)據(jù)分析和比對。結合以上文獻基于“下進側排”方式，發(fā)現(xiàn)在齒輪箱上方隔板可以有效的解決機艙尾部“熱短路”的問題，并再文獻原有散熱性能上得到大幅提升。

N Kang[6]根據(jù)某3MW風力發(fā)電機組的機房結構、環(huán)境運行要求以及各部件的散熱情況，對其機房的熱平衡進行了研究。對機艙熱負荷進行了分析，建立了基于有限體積法的物理模型。

Ningqiang Shi[7]設計了一種散熱系統(tǒng)。確定了換熱器與散熱器的組合結構，以及內(nèi)外循環(huán)隔離換熱的散熱方式，提出了以西門子PLC為核心的控制方法和運行方式，采用計算流體力學方法設計了散熱系統(tǒng)的空冷換熱器和液冷散熱器。

本文主要通過有限元仿真模擬的方法，對風電機艙內(nèi)的不同結構布局來改變機艙內(nèi)的氣流組織情況，得到不同情況下的機艙溫度場云圖，通過對溫度云圖的分析優(yōu)化機艙散熱、降低艙內(nèi)平均溫度、削弱由于機艙呈軸線布局結構帶來的局部熱量積聚問題。該方法可以通過改變機艙結構及布局影響流速場的變化，在通過散熱系數(shù)可以直觀地分析出氣流對于散熱差異，大大的降低了實驗成本和分析難度。

2 散熱問題評價方法與有限元方法理論基礎

2.1 風電機艙傳熱方式

2.1.1 熱傳導

物體各部分之間不發(fā)生相對位移時，依靠分子、原子以及自由電子等微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱能傳遞稱為熱傳導，熱傳導的規(guī)律總結為傅里葉定律：

式中：q—熱流密度，W/m2；λ—導熱系數(shù)，W/（m·K）；“-”表示熱量流向溫度降低的方向。

導熱系數(shù)λ是用來表征物體材料導熱能力優(yōu)劣的物性參數(shù)。不同材料的導熱系數(shù)一般不同，同種材料在不同溫度條件下其導熱系數(shù)也會隨溫度變化而變化。一般情況下金屬材料的導熱系數(shù)最大，液體次之，氣體最小。當材料導熱系數(shù)隨溫度變化不大時，可以將導熱系數(shù)做常數(shù)處理。

2.1.2 熱對流

熱對流是由于流體的宏觀運動而使各部分流體產(chǎn)生了相對位移，導致冷熱流體相互摻混產(chǎn)生熱量傳遞的過程。對流傳熱可分為兩大類：流體冷熱部分密度不同而引起的自然對流；泵、風機和其他壓力差造成的強制對流。對流傳熱用牛頓冷卻公式表示為：

式中，q—熱流密度，W/m2；h—表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2K）；ΔT—壁面和流體的溫度，℃。

2.1.3 熱輻射

物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射。熱輻射特點是可以在真空中傳遞，采用斯忒藩-玻爾茲曼定律來計算表面輻射傳熱的情形。

式中：Φ—熱流量，W；ε1—物體的發(fā)射率，其值總是小于1，與物體的類別和狀態(tài)有關；σ—斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)，其值為5.67×10-8W/（m2K4）；A1—輻射面1的面積，m2；T1—為輻射面1的絕對溫度，K；T2—為輻射面2的絕對溫度，K。

2.2 機艙散熱性能評價方法

2.2.1 基于溫度效率的機艙散熱性能評價方法

基于溫度效率的機艙散熱性能評價方法[8]，已知空氣溫度變化負荷分為兩部分：顯熱指無相變的溫度變化；潛熱指相變熱。

溫度效率指顯熱交換效率，也稱顯熱回收效率。風電機艙的溫度效率越高其散熱能力越強。

式中：Te—排風口溫度值；T0—進風口溫度值；Tz—機艙內(nèi)的平均溫度值。

2.2.2 基于溫度值標準差的機艙散熱性能評價方法

溫度標準差指所有的溫度結果與平均溫度值的分散程度[9]，若溫度標準差越大說明機艙內(nèi)溫度場分布不均勻，反之則說明機艙內(nèi)大部分溫度與平均溫度值相近，其溫度場分布情況也越好。

式中：σ—標準差；μ—溫度的算數(shù)平均值；N—選取對比溫度節(jié)點數(shù)；x—選取節(jié)點溫度。

2.3 仿真過程中有關單元的有限元方法

2.3.1 有限元微分方程

在機艙傳熱模擬的過程中，使用的有限元計算微分方程如下[10]：

q—單位體積的熱生成；hf—對流換熱系數(shù)；TB—計算流體溫度；δT—溫度的虛變量；S2—熱通量的面積；S3—對流面積

2.3.2 氣流組織控制方程

機艙內(nèi)氣體的流速一般約為3m/s，風電機艙內(nèi)氣流組織的統(tǒng)一控制方程如下。

（1）機艙內(nèi)氣體為不可壓縮流體，滿足流體連續(xù)性方程：

（2）機艙內(nèi)氣體在各個速度分量方向上，滿足動量守恒方程：

（3）不考慮機艙內(nèi)氣體的黏性耗散，滿足能量守恒方程：

式中：u—艙內(nèi)氣體瞬時流速；p—氣體壓力；cp—氣體比熱容，λ—氣體傳熱系數(shù)；T—氣體溫度。

（4）艙內(nèi)氣體湍流模型

已知雷諾數(shù)是判斷氣體為層流還是湍流的無量綱數(shù)，其數(shù)值為慣性力與粘性力的比值。由于風電機艙內(nèi)部件眾多，自然環(huán)境中空氣的粘性力很小，在風電機艙內(nèi)進行強制對流的情況下機艙內(nèi)部呈現(xiàn)為湍流狀態(tài)，所以在風電機艙內(nèi)空氣流動的仿真分析中采用k-epsilon湍流模型：

式中：Gk—氣體層流速度梯度所產(chǎn)生的湍流動能；Gb—浮力產(chǎn)生的湍流動能；YM—可壓縮氣體流動由湍流導致的波動，此處研究氣體為不可壓縮流體故此處忽略不記；Sk、Sε—用戶定義的源項，通常也忽略不計；?k、?ε—為方程k和方程ε的湍流普朗特數(shù)。

2.4 網(wǎng)格劃分的誤差

在穩(wěn)態(tài)問題研究中，對網(wǎng)格的劃分會影響到計算結果。已知在實際情況中，穩(wěn)態(tài)的實際溫度要高于網(wǎng)格上結點溫度，當網(wǎng)格劃分越密集其計算結果與真實溫度越接近，但計算量也隨之增大，且當網(wǎng)格增加到一定值后對計算結果并無明顯影響，故不需要對網(wǎng)格進行過細的劃分，增加額外的計算量。仿真模擬存在誤差，故網(wǎng)格的劃分需要根據(jù)實際情況改變。

2.5 風電機組傳熱模型

利用軟件建立風電機艙流固耦合傳熱模型，主要分為以下幾個步驟：機艙模型的建立、材料的選擇、固體和流體傳熱邊界條件設置、湍流條件設置、網(wǎng)格劃分、物理場選擇、求解計算設置。

為合理簡化求解，根據(jù)機艙環(huán)境溫度、絕對壓力、送/入風口設定邊界條件。若邊界條件不合理會直接影響分析結果。

3 風電機組高溫原因分析

由于齒輪箱的阻隔作用，齒輪箱后面的流場呈現(xiàn)較明顯的分割效果，使得氣流流通效果差。綜合來看風電機艙艙內(nèi)空氣流動性較差，機艙內(nèi)平均流速約為1m/s，由于流體流動總是沿著阻力最小的方向進行，導致冷卻空氣沒有與齒輪箱和發(fā)電機等發(fā)熱部件充分接觸后就排出機艙，造成了熱短路的問題。

4 改進措施及效果

4.1 增設擋流板

當機艙內(nèi)的空氣進入機艙后，大部分氣流通過機艙頂部的流道流出機艙，使得齒輪箱、發(fā)電機和控制柜區(qū)域氣流流量較小造成氣流的短路。合理的機艙內(nèi)部空氣流動路徑應使得冷卻空氣多流經(jīng)熱源表面，針對機艙上部氣流組織短路問題在其上部設置導流擋板，改變機艙內(nèi)空氣流動路徑，優(yōu)化機艙散熱。

在加入導流擋板后冷卻空氣從機艙底部進入帶動周圍空氣流動，在機艙頂部由于導流擋板的作用，冷卻空氣從齒輪箱后部向下流動，然后經(jīng)過發(fā)電機與控制柜區(qū)域，最后在機艙尾部艙口流出。

由圖1可以得出加入導流板后機艙殼體的溫度為20.37℃，機艙內(nèi)氣體的平均溫度為20.83℃、齒輪箱的溫度為64.31℃、發(fā)電機的溫度為67.34℃，加入導流擋板之前各個部分溫度均有顯著的下降，由機艙內(nèi)空氣流道的改變，使得冷卻氣流盡可能的流經(jīng)熱源流動阻力加大，此時機艙內(nèi)空氣的平均流速約為1.19m/s。

圖1 加入導流板后機艙內(nèi)空氣與機艙殼體溫度場

5 結語

5.1 結論分析

由模擬仿真可知，在機艙底部加送風口、對齒輪箱底部加裝導熱片和在機艙頂部設置導流擋板的方法，使齒輪箱及發(fā)電機的熱量明顯降低，提高風電機艙散熱的能力。需要注意的是增加的送風口風速不能大于機艙內(nèi)主氣流的風速，避免兩股氣流在機艙內(nèi)相互沖突無法表現(xiàn)出對機艙內(nèi)散熱能力的提升。

5.2 建議

本文通過增加隔板改變了氣流路徑，使冷卻空氣成功流經(jīng)控制柜和發(fā)電機，解決了由齒輪箱阻擋冷空氣無法到達機艙尾造成熱短路的問題，但無嚴謹?shù)臄?shù)學模型對進/排風口的大小，位置及送風量進行計算，如：進風口的位置不僅決定了冷卻空氣進入機艙后的流通路徑，也決定了冷卻空氣的氣流組織狀態(tài)。如果進風口位置不合理，則會引起高強度的湍流，導致高溫氣體在機艙內(nèi)滯留，難以排除機艙外。所以在對機艙氣流組織布局設計時，應進行嚴謹?shù)臄?shù)據(jù)計算；進風口的進風量與尺寸相關，當進入機艙的冷卻空氣流量一定時，進風口尺寸的增大將引起進風速度的減小，進風口尺寸的減小將引起進風口風速的增大。所以應當通過嚴謹?shù)臄?shù)學模型及分析選出最合理的方案。