直驱风力发电机强制通风过滤散热系统设计应用*

邓智春，王其君

(东方电气风电有限公司，四川 德阳 618000)

0 引 言

风能作为清洁可再生能源，在当今环境保护压力日益严峻的时代，其在全球能源结构中占据越来越重要的地位[1]。风力发电技术是广泛使用的风能利用技术之一，即利用风轮捕获风能转换为传动轴的转动机械能，由传动系统带动发电机转动产生电能，直驱风力发电机组就是众多风力发电设备类型之一，其具有结构简单，故障率低等特点。发电机在产生电能的同时必然会因损耗产生一定量的热能，这些热能必须由合适的散热系统转移到机组外，将发电机各部件的温升控制在允许范围内，否则发电机将因过热而无法正常运行。

发电机的散热冷却方式按冷却介质的形态区分，常见的有气冷、气液冷和液冷三种类型[2]。中小功率发电机通常采用气冷进行冷却，有些大功率和超大功率发电机采用气液冷和液冷，其具有更高散热效率，但其技术太过复杂，成本高昂。现已安装运行的直驱风电机组发电机均采用气冷方式进行冷却，根据热传递过程不同，直驱风力发电机的气冷散热又可细分为强制通风冷却系统、空空冷却器系统和水冷系统。强制通风冷却系统即是强制迫使外界空气与发电机发热部件进行对流换热实现散热过程，笔者针对强制通风冷却系统的设计应用，重点对空气净化、送风结构和空气驱动部件进行了分析讨论，并为某型陆上直驱发电机组设计了强制通风过滤散热系统。

1 强制通风散热系统设计

强制通风散热系统即是直接利用外界空气去冷却电机发热部件，不同于空空冷却器系统和水冷系统是利用被冷却的空气去冷却，根据热力学第二定律知道前者相对其它两种散热系统具有更高的散热效率，工作原理示意图见图1所示。

图1 发电机强制空气冷却示意图

强制通风散热系统中进入电机内的空气直接吸收发热部件的热量，然后排除到机组外，因散热效率相对更高，发电机在设计时可允许产生更高损耗热，可实现降低发电机成本。此文设计的强制散热系统主要由空气过滤结构、风道和风机构成，如图2所示，有空气过滤结构可为发电机提供洁净的散热空气；风道用于输送空气，确保洁净空气能集中高效利用；风力作为输送空气的动力源，保证满足发电机的散热风量和风速。

图2 强制通风散热系统工作流程

1.1 空气过滤

环境空气中通常含有沙尘、柳絮等杂质，局部地区还可能含有盐雾，这些杂质进入发电机后必然会堵塞散热通风沟等狭窄气隙，引发散热不良等问题，甚至可能导致发电机损坏后下架等严重问题。例如国内某风力发电机厂家生产的1.5 MW直驱发电机，采用直接空冷技术，在风场运行时含磁性的沙尘进入了发电机，导致发电机出现大量下架的严重问题。且当空气中含有盐雾颗粒，若不过滤直接进入发电内，必然会对发电机造成锈蚀等问题，严重可能导致发电机无法正常运行。

根据空气过滤标准要求[3]，可采用粗效过滤器对尺度相对较大的沙尘和柳絮等杂志进行过滤。粗效过滤器采用冲撞过滤原理，对于大于10 mm的杂质有95%的过滤效果。对于含盐雾等腐蚀物质空气，采用高效过滤滤芯，过滤原理为拦截分离，能有效过滤大部分盐粒，能很好避免发电机出现盐雾腐蚀问题[4]。每种滤芯有对应的过滤对象和风量要求，设计选型时不因超过最高允许通风量Cr，滤芯数量确定按下式(1)进行。

(1)

式中:n为滤芯组数量；V为系统散热总风量。

且不同滤芯有其对应的风量关系曲线，不同通风风量下压损不同，散热系统设计时需要确定选用滤芯类型，以及其P-C曲线，见图3。

图3 不同滤芯通风风量与压损关系曲线图

1.2 风道设计

风道用于输送空气，把经过过滤的空气送入发电机内，然后排除到电机外，在风道设计时需同时考虑安装结构和风道通风压损。风道构成了散热系统的管网系统，在设计时尽量确保管网结构简单、风道压损小。风道设计时尽量保证管道截面形状统一，管路路线变化少或没有，变化时曲率半径越大越好，也看确保风道系统通风压损小。管网系统压损确定需准确计算每段风道压损，然后累加得到管网所有的风道通风压力损失。公式(2)可计算每段风道的通风压损值，公式(3)中∑pi为管道网系统总压损值。

(2)

∑pi=p1+p2+p3+p4+…

(3)

式中：βi为风阻系数；vi为风道风速。

风道系统的压力损失计算对驱动风机的选型十分重要，必须尽量准确计算出完整风道的压力损失值。

1.3 风机选型

机组外空气经过过滤后进入管网系统对直驱发电机进行散热冷却，需要由风机提供动力，必须合理选择匹配的风机才能保证散热系统高效可靠运行。风机选型主要输入参数为发电机散热需求风量C和系统风路风阻P，理论上通风风机在提供散热需求风量的同时静压值应与通风管网内空气流动压损值相等。风机产生的全压pt包括动压pd和静压ps，静压用于克服风路系统的通风风阻，动压对应空气从系统出口时具有的动能，即：

(4)

式中：pG为发电机内的通风压损；pL为过滤器的通风压损；v为系统出风口空气速度。

图4为风机流量静压曲线与散热系统流量压损曲线关系，要保持风机正常与合理的运转，必须准确计算散热系统的散热风量和压损值。

图4 流量与压力曲线关系1.散热系统风量压力曲线 2.风机静压-流量曲线

风机选型时除考虑压损和风量外，还应该考虑输出速度、空气密度、海拔高度、噪音要求、风机类型和布置、以及驱动方式等。

2 设计实例

某型陆上大功率风力发电机组采用直驱发电机技术，其发电机的热损耗功率约310 kW，设计采用强制过滤通风系统进行散热冷却。经理论测算发电机内部的通风压损值约1 000 Pa，需求通风风量约11.0 m3/s，机组安装在低海拔内陆地区，据此设计了强制散热通风系统，见图5所示。风机采用能产生高压头的离心风机，离心风机强制空气吹进发电机内，确保发电机内处于正压状态；为增加过滤效果，采用两层粗效滤芯方案，单个滤芯的最大允许通风量为3 800 m3/h，所以设计采用了12组滤芯。风管基本采用圆截面管道。按式(3)、(4)计算系统的总压损值，见式(5)。根据风量和散热系统压损对风机进行选型，用两台风机，单台风量19 500 m3/h，见图6、7中可以看出该系统设计满足发电机散热风量需求。

图5 某强制通风散热系统设计结构布局

图6 选型风机参数

p总=∑pi+pG+pL=1 000+300+280

=1 580 (Pa)

(5)

图7 风机的风量与静压曲线图1.风机静压-流量曲线 2.风路系统风量压力曲线

3 结 语

针对直驱风力发电机的散热需求，设计了带过滤功能的强制通风过滤散热系统，重点讨论了空气过滤滤芯选型、风道结构设计和压损计算、以及风机选型等，对整个散热系统的设计过程进行了完整清晰阐述，并以某型直驱发电机散热需求为例设计了强制散热系统。试验明确了设计散热系统之前必须准确掌握的关键参数、设计重点，最终能快速准确的设计出散热系统。