沿海节能型集装箱式电站的设计与研究

2023-08-04杨潇逸

通信电源技术 2023年8期

沈俊，杨潇逸

（中国船舶重工集团公司第七〇三研究所无锡分部，江苏无锡 214000）

0 引言

近年来，国家坚强智能电网的建设对电站的要求越来越高。电站要满足占地少、建设快、可移动等需求，集装箱式电站应运而生。集装箱式电站将电力设备、空调系统、辅助照明系统等集中放置在一个或多个标准集装箱内，多个产品以整体的形式交付给用户，运输方便且易于安装[1,2]。

集装箱式电站系统具有高集成性和可移动性的特点，其配置空调给内部电力设备散热导致耗能。传统的集装箱暖通设计较为粗犷，空调配置较高导致集装箱电站自身能耗居高不下，影响整个电站的效率。同时，该集装箱电站系统位于沿海地区，需要集装箱建筑具有一定的抗腐蚀能力，对此开展针对性的研究与设计，更好地保证集装箱电站系统运行的绿色高效和可靠性。

1 集装箱电站的空调节能设计

集装箱电站内部布置电气元件，元件热量散发在集装箱中。出于防护考虑，箱体一般封闭处理，加上户外阳光辐射的能量和电气设备耗散的热量叠加，使得集装箱内部温度容易超限，从而引发设备故障，影响系统稳定性。通过加装空调系统可以调节集装箱内部温度，保证系统的可靠性，但是空调耗能会影响成套电站的效率，需要从空调的合理配置和布局入手，降低能耗，提高电站的效率。

某新能源风电场电站集装箱无功补偿设备舱的三维模型如图1 所示。箱体尺寸为13.5 m×2.4 m×2.6 m，内部有120 个无功补偿模块，每个模块的功耗为20 W，内部控制柜功耗为200 W。在太阳辐射和内部电气设备发热工况下，要求集装箱内部环境温度不高于45 ℃[3]。

图1 集装箱电站三维模型

利用某仿真软件进行集装箱内温度场和流场的仿真分析[4-7]。通过对集装箱和内部电力电子模块进行三维建模，然后简化为一定的仿真模型，用于热仿真和流场仿真，探索整个集装箱内部温度分布，其中网格数目为5 316 879 个，为百万网格量级，对重点发热部件和重点流场部位进行网格加密处理，通过仿真发现，网格数量的进一步增加对结果的影响很小，可以证明该网格划分的正确性，也证明了仿真结果的有效性。通过对空调，电力电子模块，环境温度，太阳辐射的合理设置，尽可能真实模拟实际工况，提升仿真结果的准确性。

其中电力电子模组用仿真模块中的块代替，不计算模组内部温度，只对其对箱内环境温度的影响进行分析。每个模组按照35 W 进行设置，空调设定流量为1 250 m³/h，进回风口温差为10 ℃，环境温度设定为35 ℃。同时为了模拟集装箱各面的太阳辐射程度，根据工程经验，设定集装箱壁面温度为75 ℃，向箱体内部传导热量。2个空调对角布置，采用上回风、下吹风的形式。

（1）方案1。布置2 个5 kW 的空调，对整个13.5 m 长的集装箱降温。温度呈现明显的分界，温度最低处仅有28.3 ℃，温度最高点达到48.45 ℃。处于高温区的电气模组容易出现超温故障，引发整个系统的停机，严重影响电站的安全运行，但是额外增加空调又会造成系统自身的能耗增加，不利于节能。

（2）方案2。在布置2 个5 kW 空调的情况下，额外布置风机，用于对整个集装箱内空气进行扰动，使其内部温度均匀。截面温度云图如图2 和图3 所示。

图2 集装箱中间截面温度云图（扰流风机开）

图3 集装箱中间截面温度云图（扰流风机关）

设置风机有利于提升左、中、右3 相阀组和不同高度处模组的温度均衡性，防止某些位置模组温度超限[8-10]。额外设置扰流风机，可以更好地发挥空调的功能，满足系统的散热需求。仿真结果说明：在大容量的集装箱电站中，仅靠空调无法实现整个集装箱大空间的温度均衡，仍需设置扰流风机来加强整个集装箱内空气的流动，实现整体热平衡，否则会出现局部过热的情况，引起设备故障，影响可靠性。

对实际集装箱电站进行工作状态下的内部温度监测，通过监测发现和仿真结果吻合，方案2 的整个集装箱内部温度更加均匀。其中共布置10 个测点用于监测整个集装箱的内部空气温度，试验发现，10个测点温度在45 ℃左右偏差0.5 ℃，与仿真测试结果相差5%以内，在可以接受范围内，分析结果可能是：仿真模型的精度稍微有些低，仿真湍流设置实际气流有差别，但是总体误差可控，仿真结果可以反映真实温度场的数据，该方法可以用来指导实际的工程设计，有助于提高设计效率，降低企业实验成本。

2 集装箱电站的防腐蚀设计

集装箱电站处在沿海地区，主要是高温、高湿、高盐雾环境，空气中含有大量氯离子，会破坏金属氧化膜保护层，在金属表面形成点蚀或坑蚀，因此必须对箱体金属结构制定针对性的防腐措施，保证集装箱电站在生命周期内正常运转。参考相关标准和规范，根据现场环境具体的温度、湿度、盐雾状况，将箱体防腐定为C4 H 的防腐级别。

参考相关标准，集装箱表面额定干膜厚度不小于240 μm。集装箱电站箱体全部骨架无方管，采用开口的槽钢或C 型钢，避免方管内局部无镀锌层的问题，符合镀锌防腐要求。集装箱锁杆焊接完毕后进行整体热镀锌处理，不允许焊后喷锌处理。舱顶盖板采用304 不锈钢。集装箱电站用螺栓采用不锈钢或表面热镀锌处理，热镀锌厚度要求最小为45 μm。集装箱防腐实物如图4 所示。