2 MW級(jí)低風(fēng)速區(qū)雙饋風(fēng)電機(jī)組主發(fā)電機(jī)用高效空空冷卻裝置的研究

黃剛徐立（江蘇兆勝科技股份有限公司，江蘇泰州225400）

0 引言

當(dāng)前全球能源危機(jī)日益加重，各國(guó)都在致力于新能源的開發(fā)與利用，風(fēng)能以其清潔、可再生的優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注。我國(guó)已將風(fēng)電產(chǎn)業(yè)列入能源發(fā)展規(guī)劃，其中低風(fēng)速風(fēng)電將成為未來(lái)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)之一，我國(guó)有意提高低風(fēng)速風(fēng)電在整體風(fēng)電開發(fā)布局中的比重，低速風(fēng)電將迎來(lái)黃金發(fā)展期。

低風(fēng)速區(qū)具有氣流不穩(wěn)定、發(fā)電機(jī)散熱要求高、能耗高、對(duì)空間要求高等特點(diǎn)，因此，低風(fēng)速區(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其散熱等關(guān)鍵部件的技術(shù)突破也就顯得尤為重要。

1 低風(fēng)速區(qū)雙饋風(fēng)電機(jī)組主發(fā)電機(jī)用空空冷卻器的現(xiàn)狀

1.1 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理

雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)上包括風(fēng)葉、齒輪箱、主發(fā)電機(jī)、各種控制部分等。低風(fēng)速區(qū)風(fēng)電機(jī)組工作區(qū)域風(fēng)速低且不穩(wěn)定，湍流大，使得機(jī)組存在發(fā)熱不穩(wěn)定、所需能耗高、對(duì)空間要求高等問(wèn)題。作為風(fēng)電機(jī)組的核心部件，主發(fā)電機(jī)的冷卻顯得更加重要，故對(duì)冷卻技術(shù)的先進(jìn)性、可靠性要求尤為突出。

1.2 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要冷卻形式及其比較

低風(fēng)速區(qū)的風(fēng)電機(jī)組大多為2 MW以下的機(jī)組，較為常用的冷卻方式有自然風(fēng)冷、強(qiáng)迫風(fēng)冷、常規(guī)背包式空空冷卻、水套式機(jī)殼冷卻、背包式空水冷卻等。對(duì)風(fēng)電機(jī)組冷卻技術(shù)等核心技術(shù)的突破，對(duì)于低風(fēng)速區(qū)風(fēng)電機(jī)組技術(shù)的完善和裝機(jī)容量的提高有非常重要的意義。

針對(duì)目前常用的幾種冷卻方式，若使用在低風(fēng)速區(qū)2 MW以上較大功率機(jī)組上，我們分別做了如下分析對(duì)比：

1.2.1 自然風(fēng)冷

自然風(fēng)冷是利用環(huán)境空氣對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行冷卻的冷卻方式。自然風(fēng)冷結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，基本無(wú)需消耗額外的能耗；但因?yàn)樗鼘?duì)外界環(huán)境的依賴性較大，不能滿足機(jī)組各種工況和連續(xù)工作的要求，且換熱功率不能做到很大。

1.2.2 強(qiáng)迫風(fēng)冷

強(qiáng)迫風(fēng)冷與自然風(fēng)冷的結(jié)構(gòu)、原理大致相同，只是將自然風(fēng)冷改為強(qiáng)迫風(fēng)機(jī)冷卻。強(qiáng)迫風(fēng)冷可以持續(xù)保持冷卻效果，但受限于冷卻方式，只能通過(guò)冷卻電機(jī)外殼間接冷卻電機(jī)內(nèi)部繞組等元器件。換熱功率受限于體積、能耗等的影響，很難滿足大功率風(fēng)電機(jī)組的要求。

1.2.3 背包式空空冷卻

常規(guī)背包式空空冷卻裝置是風(fēng)電機(jī)組常用的冷卻方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，冷卻可靠，技術(shù)成熟，在風(fēng)資源較好的風(fēng)場(chǎng)已有很成熟的應(yīng)用。在低風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)，因?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組本身轉(zhuǎn)速較低，電機(jī)轉(zhuǎn)子的自帶風(fēng)扇不能提供足夠的主風(fēng)路冷卻風(fēng)量和壓力，則必須在空空冷卻裝置上使用較大功率的頂驅(qū)風(fēng)機(jī)來(lái)加強(qiáng)主風(fēng)路風(fēng)量和壓力。常規(guī)背包式空空冷卻裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 背包式空空冷卻裝置

1.2.4 背包式空水冷卻

背包式空水冷卻裝置是將冷卻裝置與電機(jī)的進(jìn)出風(fēng)口相對(duì)，形成一個(gè)密閉的循環(huán)系統(tǒng)。其功能是將電機(jī)產(chǎn)生的熱氣體送至冷卻裝置（換熱器），實(shí)現(xiàn)氣、水之間的熱量交換，將熱氣體冷卻后送入電機(jī)內(nèi)部，冷卻水將熱量吸收后通過(guò)循環(huán)流動(dòng)帶走電機(jī)產(chǎn)生的熱量。該方式需要外界水循環(huán)冷卻裝置，經(jīng)濟(jì)性不好，可靠性也低于背包式空空冷卻裝置，一般用于功率更大的風(fēng)電機(jī)組。

綜上所述，背包式空空冷卻器因其換熱效率較高、運(yùn)行可靠、能耗較低、適應(yīng)性強(qiáng)的綜合性能，成為我們目前2 MW平臺(tái)的主要選擇，但是進(jìn)一步提升換熱性能、降低運(yùn)行能耗、降低重量是市場(chǎng)對(duì)于產(chǎn)品的急迫需求。

2 2 MW級(jí)低風(fēng)速區(qū)雙饋風(fēng)電機(jī)組主發(fā)電機(jī)空空冷卻裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)方向

研發(fā)適用于低風(fēng)速區(qū)的2 MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組的高效空空冷卻裝置，解決低風(fēng)速區(qū)風(fēng)電機(jī)組的散熱問(wèn)題，同時(shí)可適用于風(fēng)資源優(yōu)異場(chǎng)所的產(chǎn)品升級(jí)。其主要特點(diǎn)是：換熱效率高、運(yùn)行可靠、能耗低、重量輕、適應(yīng)性強(qiáng)。我們主要的優(yōu)化設(shè)計(jì)方向如下：

2.1 冷卻裝置換熱性能提升

根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的通風(fēng)形式合理布置風(fēng)路、換熱管束，能起到提升換熱性能的效果。例如在傳統(tǒng)的空空冷卻裝置上，部分冷熱氣流的換熱路線為順流，通過(guò)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、風(fēng)路的調(diào)整，使得冷熱流體整體為逆流換熱。同時(shí)，我們減小了換熱管直徑和長(zhǎng)度，發(fā)揮了短管、小管的強(qiáng)化換熱作用。優(yōu)化設(shè)計(jì)的風(fēng)路示意圖如圖2所示。

2.2 結(jié)構(gòu)輕量化、體積緊湊化

風(fēng)電機(jī)組對(duì)重量和體積的要求很嚴(yán)格，輕量化和緊湊化設(shè)計(jì)不僅對(duì)于吊裝等有著積極意義，對(duì)于整機(jī)的成本也有著很大的影響。

箱體、風(fēng)機(jī)（電機(jī)）、換熱管等占整個(gè)冷卻裝置的重量比例很大。我們減薄了鋼板厚度，同時(shí)采用榫槽結(jié)構(gòu)搭焊，局部加強(qiáng)，減重的同時(shí)保證了整體強(qiáng)度。換熱管采用的是優(yōu)質(zhì)防銹鋁管，較之鋼管重量輕，并采用了鋁殼電機(jī)，重量減輕了25%。整體體積方面，將頂置風(fēng)機(jī)改為側(cè)置，減小了體積。

圖2 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的風(fēng)路示意圖

以相同功率的2 MW風(fēng)電機(jī)組用空空冷卻裝置為例，本項(xiàng)目產(chǎn)品重量較之常規(guī)的產(chǎn)品，重量減輕了約200 kg，高度降低了200 mm。

2.3 節(jié)能降耗和延壽技術(shù)

優(yōu)化設(shè)計(jì)中，利用各導(dǎo)流結(jié)構(gòu)降低了風(fēng)阻，減少了系統(tǒng)風(fēng)路的能耗。同時(shí)利用變極技術(shù)，使風(fēng)機(jī)在不同工況下運(yùn)行于不同轉(zhuǎn)速中，既能滿足風(fēng)電機(jī)組的不同工況，又較之普通機(jī)組的單一轉(zhuǎn)速起到了節(jié)能降耗的作用。

3 改進(jìn)效果

結(jié)合風(fēng)電行業(yè)現(xiàn)有情況，我們與在低風(fēng)速區(qū)有裝機(jī)業(yè)績(jī)和裝機(jī)任務(wù)的主發(fā)電機(jī)廠家進(jìn)行了充分溝通和樣機(jī)試裝，經(jīng)實(shí)踐，改進(jìn)取得了很好的效果，贏得了客戶好評(píng)。

4 結(jié)語(yǔ)

圍繞制約低風(fēng)速區(qū)2 MW級(jí)別大功率風(fēng)電機(jī)組的散熱共性關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)研發(fā)適用于低風(fēng)速區(qū)2 MW級(jí)別大功率風(fēng)電機(jī)組高效空空冷卻裝置的關(guān)鍵技術(shù)，解決目前低風(fēng)速區(qū)2 MW級(jí)別大功率風(fēng)電機(jī)組冷卻裝置普遍存在的性能不穩(wěn)定、可靠性差、能耗高等問(wèn)題。2 MW低風(fēng)速區(qū)風(fēng)電機(jī)組用高效空空冷卻裝置融合了變極節(jié)能、輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高效換熱等技術(shù)，使風(fēng)電機(jī)組少受外界溫度、濕度、風(fēng)力等影響，處于合理的溫度范圍運(yùn)行，風(fēng)資源利用率高，提升了風(fēng)電機(jī)組的裝備水平，對(duì)充分利用我國(guó)低風(fēng)速區(qū)和超低風(fēng)速區(qū)風(fēng)資源有著重大的意義。