东方风电变流器水冷系统简析

王佰川



东方风电变流器水冷系统简析

王佰川

（成都理工大学工程技术学院，四川乐山 614000）

本文详细介绍了北欧某项目变流器水冷系统的重要参数的计算过程，包括空气散热器的芯体散热面积的计算、散热电动机选型、膨胀罐选型、冷却液选型、风机导风筒选型、芯体集水盒内的加热器选型。通过阐述风电变流器水冷系统的运行原理，为大功率风电变流器的水冷系统的设计提供了参考。

变流器水冷系统；参数计算；防冻措施

2014年东方电气2.5MW直驱永磁风力发电机组批量化地打入欧洲市场。项目年结冰期5个月，低于零下20℃的时间300h，低于零下25℃的时间42h[1]。最好的风力在冬季，为了有效利用结冰期的风资源，东方电气对变流器水冷系统做了特殊设计。

该地区高寒高湿，凡是机组和外界空气能接触的任何死角都有大量结冰。

1 变流器水冷系统的工作原理

从图1可以看出工作原理：冷却液流经变流器带走热量，冷却液由循环泵的进口经室外空气散热器与冷空气进行热交换，散热后再进入变流器。在水冷系统室内管路和室外管路之间设置电动三通阀，由变流器控制系统检测当前冷却液温度自动控制电动三通阀，从而调节进入空气散热器的流量来实现温度调节。

冷却模式：当变流器工作产生热量时，冷却液带走热量，根据设定的起停温度依次起动散热电动机实现冷却液的热交换。

图1 变流器水冷系统的工艺流程图

加热模式：当环境温度太低时，为防止变流器柜内的凝露，根据设定的起停温度起动电加热器对冷却液加热。电加热器与散热电动机互锁，不能且不会同时起动。

2 重要参数计算

变流器水冷系统的重要参数见表1。

表1 系统重要参数表

2.1 空气散热器的芯体散热面积

外冷系统为板翅式空气散热器，采用风冷实现冷却液的散热，热水被输入空气散热器，流过铝质冷却板腔，水的热量传给冷却板翅，在空气侧，由冷却风机将空气吸入，使之流过板翅间，热量传给空气排出。冷水由空气散热器流出送至变流器，从而保证变流器在允许的温度下运行[2]。

1）稳态传热方程

热流体将热量通过某固定壁面传给冷流体的过程称为传热，其式为

式中，为热负荷，W；为总传热系数，W/（m2·s·℃）；为换热器总传热面积，m2；Dm为进行换热的两个流体之间的平均温度差，℃。

2）传热系数

普朗特数是表征流体流动中动量交换与热交换相对重要性的参数，反映流体物理性质对对流传热过程的影响[3]。普朗特数r的式为

式中，为粘度；p为等压比热容；为传热系数。空气的物性数据：p=0.2410kcal/kg·℃，=2.0400× 10-6N·s/m2。

冷却液的普朗特数r1=2.0579745，当地空气的普朗特数r2=0.70868401。以上参数代入式（2），传热系数为

1=91.5W/m2·h·℃

考虑污垢影响，取清洁系数为0.85，总传热系数计算：

=0.85×1=77.8W/(m2·h·℃)

=0.86125kcal/W×77.8W/(m2·h·℃)

=67kcal/(m2·h·℃) （3）

3）边界条件计算

错流对数平均温差[4-6]为

变流器的散热需求为100kW，水冷系统的散热能力也就是100kW，单位换算如下：

=100kW=86040kcal/h

传热面积：

换热面积裕度取10%。

实际面积2=(1+)×1=146m2

该项目的换热面积为150m2，即使多年不遇的极端恶劣环境散热器也满足需求。

2.2 散热电动机选型

电动机功率计算式为

式中，e为电动机功率；0为风机输出功率；1为风机的叶片效率，为0.48；2为传动效率，非皮带式，为1；3为电动机效率，为0.9。

风机输出功率式为

0=2D1D（7）

2以风筒空气温度为基准的温度修正系数，对于普通的鼓风式水冷空冷器2=1.1；对于普通的引风式水冷空冷器2=1.2～1.5；本文为引风式，取值1.2。

D1为风压，取值160Pa。

D为空气穿过风筒时的体积风量，依据现场的空气密度=1.396kg/m3单个风机的体积风量取值5m3/s。

计算过程：

因此，散热电动机选型为2.2kW。

2.3 膨胀罐选型

在主循环管路上串联有压缩空气稳压单元，由膨胀罐、手动排气阀、自动排气阀等组成。膨胀罐充有稳定压力的压缩空气，当系统压力损失时，压缩空气自动扩张，把冷却水压入循环管路，以保持管路的压力恒定和冷却水的充满。

整个系统冷却液总容量为200L，冷却液的热膨胀系数经查表为0.0735，2为冷却液进变流器最大压力4bar，1为膨胀罐预充空气压力1.2bar，膨胀罐的容积的计算：

按选大不选小原则，该品牌系列产品中最接近的是24L，所以选24L的膨胀罐。

3 防冻设计

严酷的冰雪环境对变流器水冷系统影响很大，空气散热器需要防冻设计；另外，考虑到风电机组的起动时间限制需要对水冷的加热系统重新设计。

3.1 冷却液选型

防冻液的作用：防腐保护、防止水垢、带走热量。

冷却液中丙二醇的浓度越高则冷却液的比热容越小会导致散热效果越差，浓度越低则冷却液的冰点越高。用试验得出该项目冷却液各成份比例（体积比）：53%的蒸馏水、46.5%的丙二醇、0.5%的防腐剂。

乙二醇和丙二醇都是工业冷冻行业中常用的低温载冷剂。丙二醇虽然昂贵，但却具有无毒、冰点低等优点。介于极寒天气和苛刻的欧盟环保要求，该项目选择了丙二醇。两者物性对比见表2。

表2 乙二醇与丙二醇物性对比表

注：均为20℃的数据。

3.2 风机导风筒

水冷本体及相关部分安装在塔筒内平台上，水冷本体与空气散热器通过不锈钢管道和软管连接。塔筒外壁安装了悬空支架平台，空气散热器水平安装在该支架上，即空气散热器的进风与地平面垂直。如图2所示，在空气散热器出风口增加导风筒，防止雨雪进入散热器而结冰。另外，为防止电动机叶片表面结冰和电动机润滑油冰冻，在3个风筒上增加3个空气加热带，加热带与散热电动机互锁，电动机停止时加热带同时起动。

图2 空气散热器

90°风道会增加空气散热器通风风阻，从而在选型风机时提高风压或选型芯体时降低风阻。风管内空气流动的阻力有两种：①由于空气本身的粘滞性及其与管壁间的摩擦而产生的沿程能量损失，为摩擦阻力；②空气流经风管中的管件及设备时，由于流速的大小和方向变化以及产生涡流造成比较集中的能量损失，为局部阻力。局部阻力的式：=2/2。

1）矩形风道

空气散热器总风量54000m3/h（即单个风筒风量为18000m3/h），矩形风道截面为2.8m、宽度为0.8m。为局部阻力系数，查表3得到：=0.2；为风管内空气的平均流速，m/s；为空气的密度，1.396kg/m3。矩形风道截面如图3所示。

风管内平均风速为

局部阻力为

Pa=0.695Pa （11）

图3 矩形风道截面示意图

表3 90°矩形弯道局部阻力系数表

增加矩形通风管道后增加局部阻力0.695Pa。风量54000m3/h条件下，空气散热器芯体风阻130Pa。

风机风压=160Pa＞130+0.695=130.695Pa，满足要求，且裕量非常大。

2）圆形风道

圆形风道截面示意图如图4所示。

图4 圆形风道截面示意图

圆形弯道局部阻力系数的计算如下。

=/，=90°，因本次=，所以有

计算每一个风筒的局部风阻为

空气散热器风筒直径700mm，风道内平均风速为

Pa=27.1Pa（14）

总风阻=27.1+130Pa=157.1Pa＜160Pa

满足要求，但是裕量非常小，散热效果肯定不如矩形风筒。

综合以上得出增加矩形导风筒是合理的。

3.3 芯体2集水盒内的加热器

风雪可以不留任何死角的粘在空气散热器的四周，即使是进风的空气散热器底部。为了避免冰冻引发堵塞，将细长型加热棒安装到散热器芯体集水盒内，开起加热棒和水冷自带加热器，能快速将散热器表面的冰雪融化。

整个系统总水量200L，冷却介质的密度为1030kg/m3，冷却介质在-30℃的比热约为3.5kJ/（kg·K），需要30min内将冷却液由-30℃加热至5℃，加热功率为

水冷系统自带4kW电加热器，因此加热棒为10kW。

4 风场冷却效果验证

在最热的7月和最冷的3月对变流器的冷却效果进行分析。现场使用风电机组的SCADA系统记录每天60min数据，然后在办公软件office Excel中将数据合成为整月的图形，详情分别如图5、图6所示。

从图5看出变流器的冷却效果良好，各项指标均在正常范围内，具体情况：入变流器冷却水温度最大值基本稳定在30℃，网侧/机侧模块温度最大值基本稳定在70℃，入变流器冷却水压力最小值大约是3.8bar，出变流器冷却水压力最小值基本稳定在1.1bar。

从图6看出，变流器冷却系统的防冻措施足以保障机组在严酷的极寒天气中稳健运行。

5 结论

该项目变流器水冷系统的设计严格依据选型计算书且满足CE认证和欧盟环保要求。通过风场的运行数据得知冷却效果良好，希望本文能给同行以借鉴。

图5 7月冷却系统与变流器温度曲线

图6 3月冷却系统与变流器温度曲线

[1] 郑凌. 东方风电2.5MW风力发电机组混合除冰系统简介[J]. 风能产业, 2015(3): 30-36.

[2] 钱颂文. 换热器设计手册[M]. 北京: 化学工业出版社, 2002.

[3] 兰州石油机械研究所. 换热器(上册)[M]. 北京: 烃加工出版社, 1986.

[4] 王萌萌, 李彩霞, 许世峰, 等. 管式换热器的设计[J]. 化工机械, 2014(6): 45-48.

[5] 尤天运. 浅谈换热器管束制作过程中的关键工序[J]. 中国新技术新产品, 2013(22): 76-76, 77.

[6] 尹浩. 管壳式闭式水换热器泄露处理[J]. 东方电气评论, 2016(30): 71-76.

The Introduction of Water Cooling System for Converter of Dongfang Electrical Wind Power Turbine Co

Wang Baichuan

(The Engineering & Technical College of Chengdu University, Leshan, Sichuan 614000)

The design of water cooling system for converter for the project of Northern Europe is introduced detailed in this paper, including parameters’ calculation of the area of air cooler, cooling motor, expansion cylinder, water distribution, air duct and heater in cooler fin core body. This paper describes the operation principle of wind power converter cooling system, which may be used for reference of design of large capacity of water cooling system for converter.

water cooling system for converter; parameters’ calculation; antifreezing measures

王佰川（1985-），男，硕士研究生，工程师，从事风电设计工作。