大功率风力发电机组冷却系统研究

(东方汽轮机有限公司,四川 德阳,618000)

大功率风力发电机组冷却系统研究

袁斌 沈雨虹 宗多

(东方汽轮机有限公司,四川 德阳,618000)

随着风力发电机组向着单机容量更大的方向发展，各大部件的散热问题成为人们关注的焦点。文章介绍了四种常见的冷却系统，详细分析了各种冷却系统的利弊。最后提出了一种适合大功率、海上型风力发电机组的冷却系统。

风力发电机组；冷却系统；海洋

0 引言

风能是太阳能的一种转换形式,是取之不尽、用之不竭的绿色可再生能源。人类对风能的渴望从来没有间断过,早在3000多年前,人类就会使用风车进行磨碎粮食和提水。发展至今,人类利用风能的方式发生了重大的变化,由最初的风能转化为机械能,变为将风能转换为电能。风力发电机组也从最早的19世纪晚期美国Brush研制的一台12kW的直流风力机[1],到现在SeaTitan风机的功率达10MW。这些情况表明当今风力发电机组向着单机容量持续增大,叶片更长,塔筒更高,机舱更大的方向发展。并且海上型风力发电机组逐渐取代陆地型风力发电机组成为研究的重点。有专家预言到2020年,将会出现20MW和30MW等更大单机容量风力发电机组。

风力发电机的单机容量的逐步增大,会直接导致发电机、齿轮箱、变频器等各大部件散热量大大增加,如何有效降低这些主要部件的温升已成为风力发电机进一步发展的关键问题之一。例如发电机单机容量的增加,主要是依靠发电机冷却技术的提高来实现的[2]。但是风力发电机组中的发电机不同于其他火电、水电的发电机,它是放置在距离地面高达几十米封闭的机舱内部。这种特殊情况导致了风力发电机的冷却要比其他类型的发电机冷却面临更大的难题。目前国内外对风力发电机的主要研究倾向于叶片、变桨控制,及机械设计等方面,专门研究风力发电机冷却系统的工作甚少,针对目前研究现状,本文详细介绍了四种类型风力发电机组冷却系统,并对单机容量更大的海上型风力发电机组的冷却系统提出具体方案。

1 风力发电机组的冷却方式

目前运行的风力发电机组主要有以下几种冷却方式,见表1。

表1 风力发电机组主要冷却方式

下面就这几种冷却方式进行详细介绍。

1.1 空—空冷却方式

空—空冷却方式是指利用空气与风力发电机设备直接进行热交换达到冷却效果,一般分为两类：一类是自然通风冷却,一类是强制风冷。

自然通风是指被冷却装置不设置任何冷却设备,装置暴露在空气中,由空气自然流通将热量带走。因为目前发电机、齿轮箱都放置在近乎封闭的机舱内部,所以无法通过自然通风进行冷却。只有散热量不大的部件可以通过自然通风的方式进行冷却。

强制风冷是指在自然通风无法满足设备冷却需求时,设备会配置有空气冷却器。空气冷却器可以使设备内部空气和外部环境空气通过热交换器进行热交换以达到设备内部冷却的效果。目前1.5MW双馈风力发电机组的发电机基本都采用这种冷却方式,如图1所示。

空—空冷却系统广泛应用在低功率的发电机、变频器和变压器的冷却系统中。空—空冷却系统具有结构简单与运行费用低、利于管理与维护等优点,然而其制冷效果受气温影响较大,制冷效率低,同时由于机舱要保持通风,导致风沙和雨水侵蚀机舱内部件,不利于机组的正常运行。

图1 发电机空—空冷却系统

1.2 液—空冷却方式

液—空冷却方式是指设备产生的热量通过液体和空气热交换的方式转移到空气中,以降低设备自身的温度。目前风力发电机组的大部分齿轮箱和少数发电机采用液—空冷却方式,齿轮箱冷却系统如图2所示。

图2 齿轮箱液—空冷却示意图

1.2.1 冷却介质

液—空的冷却方式和空—空的冷却方式原理相似,但是冷却介质和换热器有所区别。液—空冷却系统的冷却介质为液体,主要是润滑油及防冻液。目前防冻液主要是乙二醇水溶液,与水相比乙二醇水溶液具有更好的防冻特性,且通过添加稳定剂、防腐剂等方式还可使其换热性能与水相当[3],其中体积浓度55%的乙二醇溶液冰点为-45℃,能够满足低温机组的使用要求。

根据热力学知识中的热平衡方程：

Q—设备的总散热量；

qm—冷却介质的流量；

cp—冷却介质在t1与t2温度范围内的平均比热；

t1—进口温度；

t1—出口温度。

由于液体的密度与比热容都远远大于气体,因此液—空冷却系统要比空—空冷却系统效率高。

1.2.2 热交换器

空—空的热交换器一般为列管式换热器,而液—空热交换器多为铝制板翅式换热器,如图3所示。铝制板翅式换热器[4]单位体积的传热面积通常比列管式换热器大五倍以上,最大可达几十倍。但是由于风阻和成本的原因,一般使用在液体介质冷却系统中。

图3 铝制板翅式换热器冷却原理图

同时由于液—空热交换器会直接和外部空气接触,所以要求热交换器具有很好的防腐性能。

1.3 空—液—空冷却方式

随着设备单机容量的增加,散热量也随之上升,如果继续采用空—空冷却系统就要增加空气冷却器的排风量,但是这样会大大增加发电机的体积和重量。此时紧凑和高效的空—液—空冷却系统无疑是发电机冷却的最佳选择。

空—液—空冷却系统是由相对独立的两套冷却系统组成的,两套冷却系统通过热交换器进行热交换。设备内部产生的热空气将热量传递给循环的冷却介质,冷却介质温度升高后进入机舱的外部散热器进行冷却,温度降低后回到设备内部进行下一轮冷却循环。目前大部分的大功率发电机都采用空—液—空冷却方式(如图4所示)。

图4 发电机空—液—空冷却系统示意图

与空—空冷却的发电机相比,采用空—液—空冷却系统的风力发电机结构更为紧凑,虽增加了换热器与冷却介质的费用,却大大提高了发电机的冷却效果,从而提高发电机的工作效率。同时由于机舱可以设计成密封型,避免了舱内风沙雨水的侵入,给机组创造了有利的工作环境,还延长了设备的使用寿命。

1.4 液—液—空冷却方式

液—液—空冷却方式和空—液—空冷却方式原理相近,也是由两套相对独立冷却回路组成。以某大功率齿轮箱的冷却系统为例。当齿轮箱运行时,齿轮箱内部的高温润滑油通过机械泵进入液—液换热器和外循环中的冷却液进行热交换,随着冷却液的温度升高,外循环的泵站会随之启动,将高温的冷却液送入到外部的液—空换热器进行热交换,通过冷却风扇的强制风冷降低冷却液的温度,最终又通过液—液热交换器降低润滑油的温度。

这种冷却方式中两套回路的冷却介质分别为润滑油和冷却液,液体和液体的换热方式的效率要明显高于液体和空气的热交换,所以大功率的齿轮箱冷却会采用液—液—空冷却系统取代液—空冷却系统。

2 风力发电机组新型冷却方式展望

随着风力发电机组逐渐向着海上型、大功率的方向发展,但是与整机配套的冷却系统却没有任何的发展,作者认为应该从两种方向进行研究。(1)将以前一个机组多套冷却系统的单独的冷却,发展为一套集成的、优化的冷却系统。(2)充分考虑海上机组所处的特殊地理环境,将以往陆地上的冷却方式发展为更加适合海上特殊环境的冷却方式。据此下面将介绍一种专门针对海上型风机的冷却方式。

海上型风机的冷却设备主要集中两个部位,一个位于机舱内部发电机和齿轮箱,另一个是外部塔筒底部的变频器和变压器。由于两个部位相差高度几十米,所以将整机的冷却系统分为两个部分。一是机舱内部设备的冷却,一个是塔筒底部设备的冷却,如图5所示。

图5 海上型风力发电机组冷却系统原理图

此原理图将冷却设备内循环回路省略,内循环回路具体可以见本文1.2和1.3。由于发电机和齿轮箱通常对冷却介质和最高入水温度要求相近,所以可以采用此集中式冷却方案。如图5所示的机舱冷却系统,风力发电机运行时冷却介质分别流经齿轮箱、发电机,将以上部件产生的热量带走。温度升高后的冷却介质经过外部的冷却器进行热交换降温,然后重新进入发电机、齿轮箱。

由于变频器和变压器都放在塔筒的底部靠近海水,所以此方案利用海水的常低温特性对变频器和变压器进行冷却。冷却介质分别流经变频器、变压器,将部件产生的热量带走。温度升高后的冷却介质经过冷却器和海水通过热交换器降温,然后重新进入到变频器和变压器。

两套独立的冷却系统都具有集中、高效等显著特点,但是也面临着冷却设备安装位置困难和海水净化等问题。机舱的冷却系统经过集中后,泵站和外部的散热器体积都要增加,可以将泵站放置在塔筒最高段的平台上,通过软管和齿轮箱、发电机连接,而散热器则放在塔筒外部进行有效散热。塔筒底部的冷却系统可以放置在塔筒的外部底部平台上,所以不存在安装位置困难的问题,但是海水中海藻和杂质会堵塞进出水口。面对堵塞的情况,可以采用可逆水泵并增加过滤网。当进水口出现堵塞时,可以将水泵的可逆性将进水口改为出水口。这样就能将水藻和杂质排入大海。

3 结论

本文介绍了风力发电机组的发展过程,认为当前的风力发电机组向着单机容量增加,陆地转向海洋的方向发展。总结了风力发电机常见空—空,液—空,空—液—空,液—液—空四种冷却方式,并对每种冷却方式应用范围和利弊进行了分析。最后针对海上型风机的特点,提出了一种适合海上型风机的冷却系统,这种冷却系统结构紧凑,冷却效率高,并且充分利用了海水的常低温型,良好地解决了海上型大功率风机的冷却问题。

[1]Tony Burton.风能技术.美国:科学出版社,2007

[2]倪天军.大型发电机主要冷却方式及特点.东方电气评论, 2006

[3]谭志成.乙二醇及其水溶液二元体系理化性能数据的测定.化学工程,1983

[4]王松汉.板翅式换热器.北京：化学工业出版社，1984

Research on Cooling System s in High-powerW ind Turbine

Yuan Bin,Shen Yuhong,Zong Duo

(Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000)

With the increasing of the power for a wind turbine,the heat dissipation becomes the focus.In this paper,four cooling systems are introduced and the pros and cons of various cooling systems are analysed.At last,a cooling system of the high-power and oceanic wind turbine are present.

wind turbine,cooling systems,ocean

袁斌(1985-),男,硕士,目前从事风力发电机组整机设计工作。