1.5MW风电机组塔筒通风散热系统研究及改造探析

吴小锋

（国能思达科技有限公司，北京 100089）

1 背景介绍

近些年，风电行业发展飞快，风电机组单机容量越来越大，1.5MW双馈机型作为早期服役的主力，设备运行年限大多已经超过10年，随着机组服役年限的增加，各个部件逐渐老化，运行效率下降，机组损耗增加发热量自然随之增加。早期机组设计时为适应北方寒冷天气机组考虑严寒较多，而高温通常以环境温度35℃为基准进行散热计算，但现在夏季高温很多时候超过此数值（40℃甚至以上），原有设计的通风冷却系统已无法满足机组的散热要求。在北方地区为防止风沙进入机组，塔筒门均加有滤网和密封胶条，塔筒上一层平台也有盖板，留置的通风间隙较小，这导致通风效果下降，热源在狭小的空间内，散发的热量无法及时排出，塔筒内温度逐渐升高，夏季高温天气可达50℃左右，故在塔基平台处放置的变频柜和电控柜出现高温故障的频率很高。基本应对措施诸如开柜门运行、开塔筒门运行等严重影响机组的运行安全，本文通过分析散热原理提出相应的解决方案，防止夏季高温时机组报过温故障。

上述这类机组都要面对设备部件老化、备件停产、运行故障率高、检修频率高等影响机组可利用率和风电场生产效益的问题。深入分析散热系统故障产生原因和失效模式，提出解决方案和技改措施对于机组运行有现实意义。

2 1.5MW双馈机组塔基冷却系统介绍

2.1 空-空冷却系统

空-空冷却是应用最早最广泛的风冷技术，不需要添加冷却介质，无需考虑系统运行压力和介质过期问题。其结构简单、运行稳定性高、检修维护方便，在风电机组中有其广泛的应用。基本原理是利用空气流动将柜体内的热空气带走，可分为自然风冷和强制风冷。

自然风冷在早期机组中应用较多，因为初期机组容量小，发热量也不大，通常利用“烟囱效应”将热量带走。随着风电机组容量的增加，风电机组需要散热的功率也随之增加，自然风冷无法满足设计要求，因此出现了强制风冷。强制风冷主要通过轴流风机等各种风机增强气流循环增加散热能力，在具体实施时还可根据系统散热量的大小和各部件的散热选用不同的冷却方式，通常可分为循环强制风冷和非循环强制风冷。

但是，此冷却技术的缺陷也一直伴随其发展，空气作为传热的介质，比热较小故温度控制响应反馈速度较慢，导致机组温度积累温升增加继而报高温故障。且其受环境、气候和地理位置的影响。再者该技术必须设计进风口和出风口，使得沙尘和盐雾更易于进入到机组内，降低器件的使用寿命及稳定性。

2.2 空-水冷却系统

空-水冷却技术使用防冻液作为传热介质比热容高，散热能力和响应速度优势明显。其结构更紧凑，能有效解决有限的塔基和机舱空间与大型机组功耗增加的矛盾。此冷却系统可外置散热板片，将塔基和机舱设计为密封性更加良好的空间，可减少沙尘、蚊虫等进入机组，提高机组的使用寿命和可靠性。但由于增加了换热器与冷却介质的费用，大大增加了成本，且体积庞大，给机舱架高、承重、运输、安装、维修都带来困难。

空-水冷却系统构成部件主要有：①管路系统；②水泵组件；③散热板片；④温度传感器、溢流阀等其他附件，如图1所示。

图1 空-水冷系统原理图

空-水冷却系统工作原理：水泵、加热器、温控阀、蓄能器和辅件集成为一个紧凑的单元，放置在塔底。热交换器位于塔外部，固定在塔壁上，由于热交换器暴露在环境中，需配置一个独立的驱动风扇；冷却介质通过水泵流经变流柜，在变流器下方管路分为2路，一路连接到冷却介质的外部水-空热交换器，冷却介质冷却。另一路通到加热器，以便低温情况时对设备进行预加热。加热器的开关由PLC控制，同时PLC通过压力继电器探测意外泄漏情况；系统配置一个机械温控阀切换2条管路来控制介质的温度。

3 温升的原因分析

3.1 空-空冷型变频柜温升原因分析

采用空-空冷却的变流器，多是利用热空气上升的原理，因烟囱效应热空气升至机舱或上部平台。在环境温度较高时，上部机舱温度也较高，将导致对流效果下降、通风不足，造成变流器周围空间温度过高，严重影响到变流器的运行。同时，若第一层平台与塔基间距离较小，热空气更容易在此集聚，则更容易出现变频器高温故障。还有就是常年服役的机组电器部件和线路老化发热量增加，超过风冷系统设计值，即使塔筒内通风满足要求，也会导致变频器高温故障。

3.2 空-水冷却型变频柜温升原因分析

3.2.1 柜体原因

（1）柜体内部灰尘较多，通道堵塞或者界面变小，柜内循环不畅。

（2）柜内元器件老化发热量增加或者继电器、接触器损坏部分风扇停止旋转。

3.2.2 冷却介质

（1）冷却介质超过使用年限没有及时更换，冷却效果下降明显。

（2）冷却介质有泄漏，运行压力不足。

（3）分支管路流量与设计流量有较大差别，部分器件散热效果下降明显。

（4）介质变质有物质析出，使管路截面积变小或堵塞，引起散热不足。

3.2.3变流器热量无法及时散发

（1）外围电路老化引起谐波过大或者元器件老化发热量大。（2）散热需求超过原设计值，导致冷却系统散热不足。（3）散热板片因灰尘或柳絮堵塞，导致散热能力下降。

4 解决方案

为保障机组安全稳定运行，需要定期对冷却系统及其相关部件进行检查、更换或者维修。

对于运行多年的机组，需做一些通风散热结构的技改。本文以某风电场技改项目为例进行简要介绍。

4.1 项目概况

该风场有1.5MW双馈机组33台，总容量49.5MW，此机组第一层平台和塔基之间的距离较小，放置变频柜和控制柜后空间更狭窄，如图2所示。该机组控制柜和变频柜采用强制风冷却，出风口设置在其后部，如图3所示。

图2 塔基平台与第一层平台间距较小

图3 变频柜背面出风口

前变频柜夏季高温故障占年故障率20%左右，严重影响机组年发电量和机组的安全稳定运行。

4.2 原因分析

变频柜和控制柜虽然采取了强制风冷却，但对整个塔基部分的空气流道考虑不足，热空气从变流柜出风口被强制排出后，热量都堆积在塔筒内，依靠塔筒壁对外换热降温，热量散发有效性差，会使塔内温度升高。另外，空气在靠近塔筒壁附近的速度，变流柜出口侧较高，变流柜进风侧较低。出风口处空气流动快，不会形成浑沌状态，而是向上沿着塔筒壁面形成贴附流，但由于层高较低，高速热空气未冷却即受到阻碍向下，在塔筒底部的一侧形成涡旋区，该区域为换热死区。

4.3 技改方案

为满足塔筒内变流器等电气部件的散热需求，可增加其他通风冷却设施，在塔筒内和塔筒门设置轴流风机，利用烟囱效应将塔底部件的热损耗以热空气的形式从塔顶或机舱排至塔筒外面，方案整体示意图如图4所示，变频柜改造后结构如图5所示，塔筒门改造结构如图6所示。

图4 示意图

图5 散热系统结构图

图6 塔筒门改造结构图

（1）用设计好的锥形罩收集变流器产生的热空气，替换原有的冷却风扇，并在一层平台安装1个轴流风扇，用通风软管连接锥形罩，将热风送入一层平台上方，通过烟囱效应将热空气引入顶部排出。

（2）通过安装在塔筒门的2个离心式风扇将塔筒外部冷空气吹进塔筒底部。

（3）轴流风扇的控制电路如图7所示，使用双路输出温控器接入主控控制轴流风机启停，温控器可设定2个温度阀值。

图7 轴流风扇的控制电路图

风场机组全部并网时间2011年12月，改造

（4）当温度在20～30℃时，继电器 1 吸合输出（一层平台轴流风扇启动），当温度大于或等于30℃时，继电器2吸合输出（塔筒门轴流风扇启动）。

4.4 效果验证

技改无故障运行3个月之后，选取夏季高温（塔外环境温度接近40℃）时段，技改机组（8#）及其附近的另外4台未技改机组进行对比分析，提取数据后绘制的塔外温度折线图如图8所示。

图8 塔外温度折线图

从图8可以看出，8#风机及附近区域机组对应的环境温度基本一致，在此情况下可用此数据作为参考依据分析相关数据。

图9为8#(改造样机)风机和4#、5#、7#、11#、12#风机（未改造机组）在相同时间段的塔底温度变化曲线。

图9 塔底温度折线图

从图9可知，经过技改的8#风机温度曲线在最下方，在环境温度较高阶段（图8中3个峰值区域）8#机组塔筒底部的温度明显低于其他机组，塔筒底部整体平均温度低于其他机组约5～10℃，有明显的降温效果。

技改后运行期间8#机组未报高温故障或出现限功率运行情况，说明改造后的散热系统有效且降低了塔底设备高温故障率。

5 结语

本文简要分析1.5MW双馈机组变频柜高温故障原因，介绍了一种应用于实践且行之有效的可降低变频柜高温故障率的改造技术方案；通过技术改造和技术升级，消除变频器温度偏高的运行隐患、降低变频柜内温度、提高系统运行可靠性、降低故障维修成本、提高风电机组运行效率和发电量，延长变频器的使用寿命。