直驅風力發電機強制通風過濾散熱系統設計應用*

鄧智春，王其君

(東方電氣風電有限公司，四川 德陽 618000)

0 引 言

風能作為清潔可再生能源，在當今環境保護壓力日益嚴峻的時代，其在全球能源結構中占據越來越重要的地位[1]。風力發電技術是廣泛使用的風能利用技術之一，即利用風輪捕獲風能轉換為傳動軸的轉動機械能，由傳動系統帶動發電機轉動產生電能，直驅風力發電機組就是眾多風力發電設備類型之一，其具有結構簡單，故障率低等特點。發電機在產生電能的同時必然會因損耗產生一定量的熱能，這些熱能必須由合適的散熱系統轉移到機組外，將發電機各部件的溫升控制在允許范圍內，否則發電機將因過熱而無法正常運行。

發電機的散熱冷卻方式按冷卻介質的形態區分，常見的有氣冷、氣液冷和液冷三種類型[2]。中小功率發電機通常采用氣冷進行冷卻，有些大功率和超大功率發電機采用氣液冷和液冷，其具有更高散熱效率，但其技術太過復雜，成本高昂?，F已安裝運行的直驅風電機組發電機均采用氣冷方式進行冷卻，根據熱傳遞過程不同，直驅風力發電機的氣冷散熱又可細分為強制通風冷卻系統、空空冷卻器系統和水冷系統。強制通風冷卻系統即是強制迫使外界空氣與發電機發熱部件進行對流換熱實現散熱過程，筆者針對強制通風冷卻系統的設計應用，重點對空氣凈化、送風結構和空氣驅動部件進行了分析討論，并為某型陸上直驅發電機組設計了強制通風過濾散熱系統。

1 強制通風散熱系統設計

強制通風散熱系統即是直接利用外界空氣去冷卻電機發熱部件，不同于空空冷卻器系統和水冷系統是利用被冷卻的空氣去冷卻，根據熱力學第二定律知道前者相對其它兩種散熱系統具有更高的散熱效率，工作原理示意圖見圖1所示。

圖1 發電機強制空氣冷卻示意圖

強制通風散熱系統中進入電機內的空氣直接吸收發熱部件的熱量，然后排除到機組外，因散熱效率相對更高，發電機在設計時可允許產生更高損耗熱，可實現降低發電機成本。此文設計的強制散熱系統主要由空氣過濾結構、風道和風機構成，如圖2所示，有空氣過濾結構可為發電機提供潔凈的散熱空氣；風道用于輸送空氣，確保潔凈空氣能集中高效利用；風力作為輸送空氣的動力源，保證滿足發電機的散熱風量和風速。

圖2 強制通風散熱系統工作流程

1.1 空氣過濾

環境空氣中通常含有沙塵、柳絮等雜質，局部地區還可能含有鹽霧，這些雜質進入發電機后必然會堵塞散熱通風溝等狹窄氣隙，引發散熱不良等問題，甚至可能導致發電機損壞后下架等嚴重問題。例如國內某風力發電機廠家生產的1.5 MW直驅發電機，采用直接空冷技術，在風場運行時含磁性的沙塵進入了發電機，導致發電機出現大量下架的嚴重問題。且當空氣中含有鹽霧顆粒，若不過濾直接進入發電內，必然會對發電機造成銹蝕等問題，嚴重可能導致發電機無法正常運行。

根據空氣過濾標準要求[3]，可采用粗效過濾器對尺度相對較大的沙塵和柳絮等雜志進行過濾。粗效過濾器采用沖撞過濾原理，對于大于10 mm的雜質有95%的過濾效果。對于含鹽霧等腐蝕物質空氣，采用高效過濾濾芯，過濾原理為攔截分離，能有效過濾大部分鹽粒，能很好避免發電機出現鹽霧腐蝕問題[4]。每種濾芯有對應的過濾對象和風量要求，設計選型時不因超過最高允許通風量Cr，濾芯數量確定按下式(1)進行。

(1)

式中:n為濾芯組數量；V為系統散熱總風量。

且不同濾芯有其對應的風量關系曲線，不同通風風量下壓損不同，散熱系統設計時需要確定選用濾芯類型，以及其P-C曲線，見圖3。

圖3 不同濾芯通風風量與壓損關系曲線圖

1.2 風道設計

風道用于輸送空氣，把經過過濾的空氣送入發電機內，然后排除到電機外，在風道設計時需同時考慮安裝結構和風道通風壓損。風道構成了散熱系統的管網系統，在設計時盡量確保管網結構簡單、風道壓損小。風道設計時盡量保證管道截面形狀統一，管路路線變化少或沒有，變化時曲率半徑越大越好，也看確保風道系統通風壓損小。管網系統壓損確定需準確計算每段風道壓損，然后累加得到管網所有的風道通風壓力損失。公式(2)可計算每段風道的通風壓損值，公式(3)中∑pi為管道網系統總壓損值。

(2)

∑pi=p1+p2+p3+p4+…

(3)

式中：βi為風阻系數；vi為風道風速。

風道系統的壓力損失計算對驅動風機的選型十分重要，必須盡量準確計算出完整風道的壓力損失值。

1.3 風機選型

機組外空氣經過過濾后進入管網系統對直驅發電機進行散熱冷卻，需要由風機提供動力，必須合理選擇匹配的風機才能保證散熱系統高效可靠運行。風機選型主要輸入參數為發電機散熱需求風量C和系統風路風阻P，理論上通風風機在提供散熱需求風量的同時靜壓值應與通風管網內空氣流動壓損值相等。風機產生的全壓pt包括動壓pd和靜壓ps，靜壓用于克服風路系統的通風風阻，動壓對應空氣從系統出口時具有的動能，即：

(4)

式中：pG為發電機內的通風壓損；pL為過濾器的通風壓損；v為系統出風口空氣速度。

圖4為風機流量靜壓曲線與散熱系統流量壓損曲線關系，要保持風機正常與合理的運轉，必須準確計算散熱系統的散熱風量和壓損值。

圖4 流量與壓力曲線關系1.散熱系統風量壓力曲線 2.風機靜壓-流量曲線

風機選型時除考慮壓損和風量外，還應該考慮輸出速度、空氣密度、海拔高度、噪音要求、風機類型和布置、以及驅動方式等。

2 設計實例

某型陸上大功率風力發電機組采用直驅發電機技術，其發電機的熱損耗功率約310 kW，設計采用強制過濾通風系統進行散熱冷卻。經理論測算發電機內部的通風壓損值約1 000 Pa，需求通風風量約11.0 m3/s，機組安裝在低海拔內陸地區，據此設計了強制散熱通風系統，見圖5所示。風機采用能產生高壓頭的離心風機，離心風機強制空氣吹進發電機內，確保發電機內處于正壓狀態；為增加過濾效果，采用兩層粗效濾芯方案，單個濾芯的最大允許通風量為3 800 m3/h，所以設計采用了12組濾芯。風管基本采用圓截面管道。按式(3)、(4)計算系統的總壓損值，見式(5)。根據風量和散熱系統壓損對風機進行選型，用兩臺風機，單臺風量19 500 m3/h，見圖6、7中可以看出該系統設計滿足發電機散熱風量需求。

圖5 某強制通風散熱系統設計結構布局

圖6 選型風機參數

p總=∑pi+pG+pL=1 000+300+280

=1 580 (Pa)

(5)

圖7 風機的風量與靜壓曲線圖1.風機靜壓-流量曲線 2.風路系統風量壓力曲線

3 結 語

針對直驅風力發電機的散熱需求，設計了帶過濾功能的強制通風過濾散熱系統，重點討論了空氣過濾濾芯選型、風道結構設計和壓損計算、以及風機選型等，對整個散熱系統的設計過程進行了完整清晰闡述，并以某型直驅發電機散熱需求為例設計了強制散熱系統。試驗明確了設計散熱系統之前必須準確掌握的關鍵參數、設計重點，最終能快速準確的設計出散熱系統。