大功率海上风电中压变频器水冷装置结构设计

2019-04-27蒙元楷洪春凤李志道刘建伟罗毅强

山东化工 2019年7期

蒙元楷，洪春凤，李志道，刘建伟，罗毅强

(广州高澜节能技术股份有限公司，广东广州 510663)

随着人类社会的不断发展，对能源的需求与日俱增。在中国，对以化石能源为代表的一次能源和以电能为代表的二次能源的消耗不断创出新高。传统化石能源(在中国主要为煤炭)作为发电燃料时，不仅污染大，与构建可持续发展社会的理念不符，且是对这类珍贵的工业原料的浪费。寻找更清洁的发电能源用于替代穿透活力发电，早早就成为了国家基础投资的新方向。

风能作为一种利用历史悠久的能源，用作发电的形式起步很早。经过多年的开发，从“三北地区”到沿海风区到南方低速风区，中国陆上风电的开发潜能已接近瓶颈。风力发电转向滩涂地区、近海、深海发展已成为必然的趋势。

图1 本实例设备外形图

目前国内主流的风力发电整机提供商，其主流海上机型单台装机容量已达到了5 MW，现在也正在向10 MW以上迈进。变流(频)器作为风力发电机组的核心部件之一，随着装机容量的上升，其散热需要也水涨船高。采用液冷冷却方式已是大功率机组的必然选择。本文通过对某大功率海上中压变频器配套水冷设备的设计说明，谈几点海上风电设备的设计要点。

1 九折柜式装置

大功率变频器占地较大，为了加强系统的集成、模块化，可以采用将水冷装置与变流柜并柜，这样既可加强机械结构系统模块化，亦可为电气元器件的集成提供很好的连接模式。为了并柜后外形的统一、美观，本实例水冷装置柜和风力发电机组变频器柜都使用了九折柜。

九折柜指的是框架采用标准九折型材制作而成的柜子，而“九折型材”，指的采用了“九折工艺”制作而成的标准型材。而“九折工艺”，指的是钢板到型材的过程中，总共加工了九次，即有九道折弯工序(图2)。九折型材为德国RITTAL公司首创，九折弯是几何学在工业制造的鲜活应用，为承重型柜体的骨架提供了既廉价又实用的技术方案。

经过多年的发展，九折柜的拓展性不断丰富，已广泛应用于工控等领域。由于九折柜结构的特性，若要求两个或多个九折柜并柜时，只能采取左右并柜的形式。

本例装置采用九折柜作为外框，装置结构设计时必须结合九折柜结构和尺寸的特点，如：

(1)九折柜采用的是“25模数”，两个型材安装孔之间的距离是25 mm而不会是其他任意值。

(2)确定好长、宽、深尺寸的九折柜，其安装孔位置、长深高三个方向的可用空间等都值都是固定下来的。本实例中柜体的外形尺寸为：800 mm(W)×1450 mm(D)×2100 mm(H)；则此柜体的对外安装孔尺寸为735 mm×1375 mm，可用空间为712 mm(W)×1352 mm(D)×2012 mm(H)。

(3)九折柜具有强大的拓展性，需要对九折柜的配套件有一定的了解，如侧边拓展使用的73 mm×23 mmPS冲孔型材(有带法兰和不带法兰之分)、装置固定在九折柜上的嵌入式螺母等。

图2 九折型材的折弯成形过程

图3 九折型材“死边”区域

2 严酷的防腐要求

海上风电产品对盐雾防腐的要求极为苛刻，按ISO12944-2的环境分类，海上风电外部件的防腐等级要求要达到CX-H。综合考虑系统可靠性、成本等因素，一般海上风电生产厂家要求塔(筒)外设备的防腐等级要达到CX-H，塔(筒)内设备防腐等级要达到C4-H，(位于塔筒内的密封)柜内，防腐等级要达到C3-H。本例装置位于九折柜内，整体防腐要求达到C3-H即可，九折柜位于塔筒内，要求防腐等级为C4-H。

按照ISO12944-5的涂料体系，普通钢材表面涂层厚度达到240 μm以上可满足C4-H防腐要求。但是由于九折型材成形的特殊性，有多处采用“拍死边”工艺形成的“死边”(图3)，涂料是无法进入。若还是使用普通材料制作柜体，“死边”处会留下一定的隐患。故而本例设备的九折柜，型材基材材质选用的是不锈钢。

3 可靠的性能保证

海上风电设备由于维护性差，对设备的可靠性要求很高。本例中，柜体深度达到了1450 mm，由于深度较大，考虑到强度要求，九折柜柜体框架中部需要增加必要的加强筋，九折型材的连接处，也需要增加必要的加强连接件(图4)。

图4 九折型材连接处加强件及安装示意

在本例装置中，水冷自带的控制元件与其他设备都位于同一个柜内。为了设备能够安全可靠的运行，做好“水电隔离”是需要着重考虑的。

如图5为本例装置水电隔离的实现说明：电气安装板用于放置各类电气元件(控制用的PLC、相应的断路器、接触器等)；电气隔离板用以隔离电气安装板背部、顶部可能影响到电气元件的液体、杂质进入；柜体中隔板不仅可用于外部进出线，配合IP56的电缆夹紧接头、通风滤网，可以隔离电气安装板底部可能影响到电气元件的液体、杂质进入。