風電機組散熱優(yōu)化研究綜述

華電河南新能源發(fā)電有限公司 索連帥 王新居 項 航 劉 兵 趙曉波 華電電力科學(xué)研究院有限公司 楊 帥 周 穎

隨著我國“碳中和、碳達峰”工作的逐步推進，風力發(fā)電逐步成為了繼火電、水電的第三大常規(guī)能源，且占有比率逐年提升。風電機組裝機容量也在不斷增加，預(yù)計2021年全球風電機組裝機容量會達到7.56億千瓦[1]。風力發(fā)電相對其他能源有明顯優(yōu)勢，已經(jīng)進入到了快速發(fā)展階段。但是，隨著風電機組的單機容量不斷增大，風電機艙內(nèi)超溫現(xiàn)象也逐漸頻發(fā)[2]。風力發(fā)電機組是一種高空無人值守且長期運行的超大型復(fù)雜機械裝備。其動能與電能進行轉(zhuǎn)換時，各傳動部件之間會通過摩擦、碰撞、傳動損耗、電磁損耗等形式持續(xù)發(fā)熱。盡管主要發(fā)熱部件配有專門的冷卻系統(tǒng)，但由于受空間布局、環(huán)境因素、散熱功率不匹配等多種因素的影響，導(dǎo)致熱流量沒有及時排出機艙。機艙內(nèi)長期處于超溫狀態(tài)不僅會引起風電機棄風,限功率運行，甚至嚴重損害齒輪箱、風發(fā)電機、SVG 控制箱等核心部件，造成機艙火災(zāi)事故。針對上述問題，本文對風電機主要熱源散熱技術(shù)進行評述，對大型風力發(fā)電機超溫問題進行系統(tǒng)性的思考。

1 齒輪箱散熱技術(shù)優(yōu)化

針對齒輪箱散熱技術(shù)的優(yōu)化主要分為兩類：一類是齒輪箱外部冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，如增大散熱風扇功率、調(diào)整風扇傾角、改變散熱片形狀、增添防塵護罩等[3]。另一類基于齒輪箱內(nèi)部冷卻油路進行優(yōu)化，如優(yōu)化溫控閥的可靠性、提升冷卻油的質(zhì)量、增大油泵功率等[4]。

張上[5]等通過齒輪箱熱交換系統(tǒng)的工作原理進行了研究，詳細說明了齒輪箱過熱、機械零件磨損的因素。基于這些因素提出了影響風力發(fā)電的原因：由于齒輪箱的齒輪變速大，在長期的嚙合工作中，齒輪磨損更多，可能導(dǎo)致冷卻油過熱；齒輪潤滑油中存在大量雜質(zhì)，潤滑和防熱性能效果不佳。且劣質(zhì)油中含有大量金屬氧化物、金屬顆粒等，會加深齒輪的磨損和發(fā)熱的情況；考慮到齒輪箱散熱器會發(fā)生一定程度的堵塞。風力發(fā)電機由于在風力資源豐富的地區(qū)進行布置，防熱板容易受到灰塵等外界雜物的影響。累積的大量的灰塵和雜質(zhì)附著在防熱板上，輕則降低防熱板的性能，嚴重會導(dǎo)致風機停機；齒輪箱冷卻油回路的溫控閥有缺陷，冷卻油不通過防熱板流動；過濾元件堵塞嚴重，過濾元件表面有很多雜質(zhì)，齒輪箱的齒輪或軸承會異常運轉(zhuǎn)，油溫會上升；設(shè)計時參考環(huán)境與實際使用環(huán)境不同。例如，由于機艙周圍溫度和內(nèi)部溫度的差異而產(chǎn)生的影響。

舒心蕾[6]對風力齒輪箱的加熱機理進行了研究。風力齒輪箱產(chǎn)生的主要熱源是由于摩擦的傳動過程中摩擦功率的損失、齒輪嚙合造成的動力損失及支承軸承摩擦熱造成的動力損失引起。最后，根據(jù)實際工作條件，導(dǎo)出計算齒輪與軸承之間熱量的公式(1)，即齒輪嚙合的動力損失。

式中，fm為嚙合摩擦因數(shù)，M 是嚙合機械效率。軸承發(fā)熱量：

許增金[7]等人對1.5MW 風力發(fā)電機齒輪箱進行了高油溫問題的研究，通過對齒輪箱潤滑油冷卻系統(tǒng)的理論計算，分析了同一類型不同類型熱交換機的實際性能。在風力機艙的防熱性能等其他操作條件下，對同一裝置的實際冷卻效果進行分析和研究。通過出口油溫度及熱應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)原因是：選擇不合適的銷軸結(jié)構(gòu)，發(fā)動機室密封不足等導(dǎo)致的銷軸堵塞；低潤滑油設(shè)計流程問題及溫控壓艙機故障及油溫傳感器故障，發(fā)電機水冷式水不足等構(gòu)成因素問題。

圖1 齒輪箱冷卻系統(tǒng)工作原理圖

以上述情況為基礎(chǔ)，冷卻油管線和換熱器電力優(yōu)化。以排除零件問題為基礎(chǔ)，改變散熱器的部分結(jié)構(gòu)，增加換熱器的熱交換面積，增加換熱器冷卻風扇的流動，使齒輪箱的過熱頻率大大增加。

許爽[8]分析了齒輪箱潤滑冷卻系統(tǒng)的工作原理，針對齒輪箱的高油溫問題，對冷卻系統(tǒng)的油路溫度控制閥進行了修正，并進行了兩種修正，通過數(shù)據(jù)分析對冷卻系統(tǒng)進行了可行性規(guī)劃。

此外，由于齒輪箱是風電機組出現(xiàn)問題最多的部件，且齒輪箱檢修難度大，維護費用高。華北電力大學(xué)王桂松[9]等人基于風電機組SCADA 數(shù)據(jù)進行齒輪箱故障預(yù)警，減少了齒輪箱在超溫環(huán)境下運行的時間，防止超溫環(huán)境對部件的損傷進一步惡化。

2 風電機組變流器散熱優(yōu)化

風電機組用大功率變流器運行時熱損耗巨大，發(fā)熱量高達幾十千瓦以上。變流器使用的冷卻方式常見的有水冷和風冷兩種方式，然而針對不同的環(huán)境，風冷和水冷具有各自的優(yōu)點，因此在風電機組變流器中常常以風冷和水冷組合的方式對其進行散熱。

袁斌、沈雨虹等[10]根據(jù)海上型風機具體應(yīng)用場景，通過對四種冷卻方式的應(yīng)用利弊進行了分析。進而發(fā)現(xiàn)用水介質(zhì)將變流器散發(fā)的熱攜帶到換熱器中，與塔筒外的空氣進行熱交換，將熱量散發(fā)到塔筒外，不會對塔筒內(nèi)空氣產(chǎn)生溫升效應(yīng)。風冷變流器被安裝在空間相對密閉的塔筒內(nèi)。運行損耗大，冷卻介質(zhì)（空氣）的溫度比較高，會造成變流器所處的局部空間溫度過高，從而嚴重影響變流器的正常運行。

姚鋼[11]等人利用變流器原來的通風口，對通風口進行延長改造，形成柜內(nèi)氣流向上運動的趨勢，出風口再與通風管道以及通風風扇連接，將柜體熱空氣由柜內(nèi)排出到塔筒中。柜體外的冷空氣從進風口進入柜體，補充柜內(nèi)低壓空間，這樣形成冷、熱空氣不斷循壞的冷卻回路，使之柜內(nèi)溫度得到有效降低。

謝毅[12]針對永磁直驅(qū)式風機全功率變流器的冷卻問題，采用PID 閉環(huán)調(diào)節(jié)器實現(xiàn)變頻器冷卻，通過散熱片及風扇進行空—液能量交換，可以達到了預(yù)期設(shè)計的冷卻效果。

加拿大學(xué)者Richard J.Lozowy 等人針對水冷式轉(zhuǎn)換器冷卻液流量問題進行數(shù)值研究，穩(wěn)定的三維湍流混合對流空氣冷卻處置堆棧的發(fā)熱模塊化建模，對所有塊空隙的溫度進行了模擬。結(jié)果認為，通過對于固定的入口質(zhì)量流量的簡單修改，可以使得發(fā)熱源表面的溫度保持在60℃以下。由此可見，冷卻液的流量在改變冷卻效果方面有著直接的影響。

石河子大學(xué)孟建嶺[13]等人對以上問題進行了整合，對風力發(fā)電機組變流器散熱裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進行了詳細的闡述。通過對目前風電機組變流器散熱裝置所使用的散熱方案進行分析，并通過實際調(diào)查發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有的水冷裝置對進入變流器的過冷水不能及時進行分離，同時也不能及時對加熱后的過冷水進行檢測。通過對水冷板改進前后的溫度均值圖對比分析，證明了對水冷裝置進行改進設(shè)計的可行性，提高了散熱裝置的效率。

楊雪蓮[14]采用模擬發(fā)熱量的測試方法進行換熱器串聯(lián)和并聯(lián)冷卻系統(tǒng)的影響程度分析。

3 機艙控制柜散熱優(yōu)化

機艙控制柜內(nèi)各元器件在環(huán)境溫度為35℃以上且長時間滿載運行時，機組控制模塊較容易出現(xiàn)過溫問題，主要表現(xiàn)為電控柜體溫度過高。目前普遍采取的方式是限功率運行或停機等待。這樣不僅浪費了風力資源降低了機組的可利用率，而且機組各元器件長期運行在高溫的環(huán)境下，將嚴重影響其壽命，增加了業(yè)主的運行和維護成本，延長了業(yè)主回收成本的周期。

姜桐舉[15]等人在風電機組的散熱充分研究的基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)場運行的實際運行情況，詳細分析了該機組的高溫適應(yīng)性，提出了高溫適應(yīng)性的解決方案。

方案一是將塔底相對冷卻的風強制打入塔筒內(nèi)，利用煙囪效應(yīng)使得風往上流動，并在底座平臺上加裝風扇將偏航平臺的風抽入底座內(nèi)，達到冷卻底座內(nèi)柜體，帶動底座和輪轂內(nèi)空氣流動并驅(qū)散底座和輪轂內(nèi)熱量的目的。

方案二是將塔頂?shù)娘L間接抽入輪轂、發(fā)電機定動軸孔，進入底座，在冷卻變槳柜、發(fā)電機定動軸孔內(nèi)空氣和底座內(nèi)柜體的同時將熱空氣通過塔底的風扇排出機組。

為了驗證方案的理論效果，現(xiàn)分別對方案一、二進行仿真，仿真的輸入條件如表1所示。

表1 方案對照表

經(jīng)過有限元軟件分后得到了方案一與方案二的空氣流場及溫度場如下圖。

圖2 方案一平臺流場分布

圖3 方案二平臺流場分布

圖4 方案一與方案二溫度場分布

從以上仿真結(jié)果可以看出，底座內(nèi)平均溫度均在50℃以下，由于該仿真都是在最惡劣的工況下，即環(huán)境溫度最高、機組一直處于滿發(fā)、機組內(nèi)各發(fā)熱部件處于最大發(fā)熱量的情況下，在機組實際運行時，通過對現(xiàn)場的環(huán)境數(shù)據(jù)分析，一般環(huán)境溫度處于極高時，風速處于小風，這樣各發(fā)熱部件也沒達到最大發(fā)熱量。因此該仿真是偏于保守，機組在現(xiàn)場實際運行時必定能夠滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)語

本文主要對風電機機艙內(nèi)主要熱源的散熱方法進行了闡述，發(fā)現(xiàn)機艙內(nèi)部主要發(fā)熱是冷卻系統(tǒng)自身存在一些問題，散熱片散熱不及時，軸承冷卻液不足。針對以上問題提出的解決辦法主要包括更換大功率的冷卻器，更換冷卻液。利用齒輪箱及發(fā)電機的發(fā)熱量計算方法，然后對風電機組變流器散熱結(jié)構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。最后基于傳熱學(xué)及流體力學(xué)對機艙內(nèi)熱源的傳熱方式進行了分析，溫度降低40%左右，有明顯的降溫效果。