水冷系統熱交換器戶外電源盒可靠性提升及優化

蒙元楷,洪春鳳,劉建偉,武雙兵,符夏穎,羅毅強

(廣州高瀾節能技術股份有限公司，廣東 廣州 510663)

在兆瓦級的風力發電機組中，越來越多的風力發電機組核心部件--變流(頻)器的散熱選擇采用水冷卻。水冷卻系統通過冷卻介質，將被冷器件的熱量輸送到熱交換器并由熱交換器將熱量帶走。板翅式散熱器作為一種換熱效率高，經濟效益好的熱交換器，現已在風力發電機組的變流(頻)器的冷卻系統中得到了廣泛應用[1]。

板翅式熱交換器，通常依靠單個或多個風機運行時產生強制對流加大換熱效率。為了現場施工便利，客戶通常要求在熱交換器上設置一個戶外電源盒作為設備電氣接口。由于熱交換器常置于風力發電機組塔筒外部，且常規風力發電機組所在環境通常情況較為惡劣，這要求熱交換器上的電源盒需要要適用于嚴酷的戶外環境[2-3]。

1 熱交換器戶外電源盒的使用需求

戶外電源盒、機柜有許多成熟的產品，比如德國RITTAL公司的戶外機柜系列，已經得到了廣泛的采用。但是對于風力發電機組變流(頻)器水冷系統的外部熱交換器來說，這類戶外電源盒、機柜尺寸過大，經濟效益低下。

對于風力發電機組變流(頻)器水冷系統的外部熱交換器，其戶外電源盒應能滿足以下要求：

⑴性能可靠，具有較好的防護性能；

⑵尺寸小巧、緊湊；

⑶結構簡單、易加工、經濟效益好；

⑷使用、維護方便。

2 熱交換器戶外電源盒的設計

按照電源盒的實際使用需求，電源盒可分為外部的盒體與內部的電氣元件安裝板，本裝置的電氣元件尺寸需求不大，200mm×120mm的電氣安裝板尺寸就足以滿足使用需求。設計的重點就在于外部盒體的設計。

2.1 盒體和盒蓋的設計

常規的戶外電源盒盒蓋通常選用鉸鏈與盒體連接，使用機柜鎖關閉盒蓋。這種結構雖然可靠，但是鉸鏈、機柜鎖的的尺寸限制使其不能做小(本實例中要求電源盒長度不大于280mm，高度不大于200mm，深度不大于100mm)。故不選擇鉸鏈形式，盒體與盒蓋作為兩個單獨的零件，使用自攻螺栓連接。

2.1 入組患者基線資料 結果(表1)表明：57例前循環顱內動脈瘤破裂患者32～81歲，平均年齡為(58.3±11.3)歲，女性居多(59.90%)，動脈瘤部位以大腦中動脈及前交通動脈為主(64.9%)。術前Fisher分級以2級、3級者為主(89.5%)。術前CT提示存在腦萎縮者較多，以輕至中度腦萎縮為主(94.7%)。

電源盒盒體采用折彎設計，可由一塊鋼板鈑金折彎而成，這樣不僅保證了加工效率，而且能很好的降低成本。

2.2 防護性能的保證

由于是戶外電源盒，對防護等級有較高的要求，通過以下細節的設計，增強了電源盒防護性：

Ⅰ 電源盒與設備安裝時，在安裝孔處墊有密封墊，并在安裝孔處沖壓出一個小凸臺，可以很好的避免雨水的滲入；

Ⅱ 盒蓋與盒體之間采用發泡膠密封，盒體上有專門的折邊壓住盒蓋上的發泡膠。連接盒體與盒蓋的自攻螺栓，與盒蓋之間也墊有密封墊。

2.3 滿足認證的特殊要求

隨著“一帶一路”戰略的不斷推進落地、中國風力發電裝備制造企業實力的不斷增強。越來越多的國產風力發電機組“走出去”。作為風力發電機組核心部件變流(頻)器配套水冷系統的熱交換器，也需要滿足各個進口國的強制認證需求。電源盒作為熱交換器上的一個部件，設計也需要滿足各種認證需求。

Ⅰ為滿足強調安全合格的CE認證要求，電源盒所有的尖銳部分需要全部倒鈍處理。

Ⅱ 為滿足北美市場安裝準入的ETL認證需求，在電源盒頂部有專門設計的擋雪板。

按照上述要求，設計出來的電源盒形式如下。

圖1 戶外電源盒的模型爆炸圖

圖2 現場投運的裝有戶外電源盒的熱交換器

3 現有結構電源盒的不足

如上所述的戶外電源盒，由于其結構緊湊、方便易用，經濟效益好，已經在多個地區的多個風電場得到了廣泛應用。但是，統計多年的現場反饋問題，還是發現了此結構的戶外電源盒的一些不足。

3.1 盒蓋與盒體的連接不夠可靠

盒蓋與盒體間采用自攻螺絲連接，現場設備投運時至少經歷了4次拆裝(電源盒制造商出廠、熱交換器生產廠來料檢驗、熱交換器生產廠組裝接線、現場施工單位接線)。所用自攻螺絲(規格為M4)容易失效。由于電源盒為薄板鈑金件(鈑金壁厚一般不大于1.5mm)，無法使用大規格的自攻螺絲替換安裝。無法正常安裝的盒蓋，是導致設備失效的一個誘因。

3.2 盒蓋與盒體連接螺栓容易被破壞

盒蓋與盒體間連接采用十字自攻螺絲(規格為M4)。由于風力發電機組所在地較為偏僻，現場維護人員巡檢盲區較大。位于風力發電機塔筒外的散熱器部件會有被破壞、盜取的情況出現。盒蓋與盒體間使用的十字自攻螺絲，拆裝工具易得，規格較小容易被外力破壞。極端情況下會影響發電機組的正常運行。

4 電源盒的可靠性提升優化

從實際使用的反饋情況來看，此結構的電源盒的痛點集中在盒蓋與盒體的連接上。可靠性提升的主要思路是改變盒體盒蓋連接處的結構。

圖3 優化后的電源盒模型爆炸圖

具體的改變有：

(1)在盒體上焊接螺母，不再采用自攻螺絲連接；盒體與盒蓋連接處置于電源盒外，能保證極端條件下盒體螺母破壞也能外裝額外螺母保證可靠性。

同時盒體最外側邊增加“死邊”工序，降低盒體邊緣的銳度，增加對于人的防護：

圖4 優化后的電源盒盒體局部圖

(2) 連接螺栓選用M6規格的內六角螺母，選用M6規格的原因在于M6較M4強度大。選用內六角螺栓的原因是內六角作為工業裝備常用螺栓，內六角扳手工具較為易得；由于內六角螺栓在民用領域應用不夠普遍，普通人員不會專門采購一套使用率不高的工具。使用內六角螺栓，可以在滿足方便拆裝的前提下，降低電源盒非正常破壞的可能。

5 新舊電源盒的使用成本比較

優化過后的電源盒，由于增加材料、工序等原因，在同等材料、同等表面處理的前提下，新電源盒比舊電源盒成本增加了約10.3%。

電源盒作為熱交換器的一個組成部分，對整個熱交換器來說，新舊電源盒的成本變化使得散熱器成本增加了0.12%。

如果一個電源盒最終導致了風力發電機組的因故停機，熱交換器供貨商不僅需要支出售后人員現場更換維護的費用，還要承擔風力發電機組停發造成的損失。綜合考慮，采用新結構的電源盒，以一點點的成本增加，來大幅降低一個風險點的發生概率，是十分經濟的。

圖5 優化后的電源盒盒已開始應用

6 小結

對于一臺需要連續運行工業設備來說，在保證使用性能的前提下，設備的可靠性無疑是最為重要的屬性。對于一個完整的系統來說，任何一個細微部件的失效，都有可能導致整個系統的停擺。高可靠性往往意味著高投入，可靠性與經濟性常常作為一對矛盾貫穿整個系統的始終。在這兩個矛盾中如何取舍，需要系統管理者在更高的層次上統籌決策。

本實例通過實例介紹了小型戶外電源盒的設計及可靠性提升方案，綜合成本比較后決策，使高可靠性的電源盒開始投入使用。