1.5MW風電機組塔筒通風散熱系統研究及改造探析

吳小鋒

（國能思達科技有限公司，北京 100089）

1 背景介紹

近些年，風電行業發展飛快，風電機組單機容量越來越大，1.5MW雙饋機型作為早期服役的主力，設備運行年限大多已經超過10年，隨著機組服役年限的增加，各個部件逐漸老化，運行效率下降，機組損耗增加發熱量自然隨之增加。早期機組設計時為適應北方寒冷天氣機組考慮嚴寒較多，而高溫通常以環境溫度35℃為基準進行散熱計算，但現在夏季高溫很多時候超過此數值（40℃甚至以上），原有設計的通風冷卻系統已無法滿足機組的散熱要求。在北方地區為防止風沙進入機組，塔筒門均加有濾網和密封膠條，塔筒上一層平臺也有蓋板，留置的通風間隙較小，這導致通風效果下降，熱源在狹小的空間內，散發的熱量無法及時排出，塔筒內溫度逐漸升高，夏季高溫天氣可達50℃左右，故在塔基平臺處放置的變頻柜和電控柜出現高溫故障的頻率很高。基本應對措施諸如開柜門運行、開塔筒門運行等嚴重影響機組的運行安全，本文通過分析散熱原理提出相應的解決方案，防止夏季高溫時機組報過溫故障。

上述這類機組都要面對設備部件老化、備件停產、運行故障率高、檢修頻率高等影響機組可利用率和風電場生產效益的問題。深入分析散熱系統故障產生原因和失效模式，提出解決方案和技改措施對于機組運行有現實意義。

2 1.5MW雙饋機組塔基冷卻系統介紹

2.1 空-空冷卻系統

空-空冷卻是應用最早最廣泛的風冷技術，不需要添加冷卻介質，無需考慮系統運行壓力和介質過期問題。其結構簡單、運行穩定性高、檢修維護方便，在風電機組中有其廣泛的應用。基本原理是利用空氣流動將柜體內的熱空氣帶走，可分為自然風冷和強制風冷。

自然風冷在早期機組中應用較多，因為初期機組容量小，發熱量也不大，通常利用“煙囪效應”將熱量帶走。隨著風電機組容量的增加，風電機組需要散熱的功率也隨之增加，自然風冷無法滿足設計要求，因此出現了強制風冷。強制風冷主要通過軸流風機等各種風機增強氣流循環增加散熱能力，在具體實施時還可根據系統散熱量的大小和各部件的散熱選用不同的冷卻方式，通常可分為循環強制風冷和非循環強制風冷。

但是，此冷卻技術的缺陷也一直伴隨其發展，空氣作為傳熱的介質，比熱較小故溫度控制響應反饋速度較慢，導致機組溫度積累溫升增加繼而報高溫故障。且其受環境、氣候和地理位置的影響。再者該技術必須設計進風口和出風口，使得沙塵和鹽霧更易于進入到機組內，降低器件的使用壽命及穩定性。

2.2 空-水冷卻系統

空-水冷卻技術使用防凍液作為傳熱介質比熱容高，散熱能力和響應速度優勢明顯。其結構更緊湊，能有效解決有限的塔基和機艙空間與大型機組功耗增加的矛盾。此冷卻系統可外置散熱板片，將塔基和機艙設計為密封性更加良好的空間，可減少沙塵、蚊蟲等進入機組，提高機組的使用壽命和可靠性。但由于增加了換熱器與冷卻介質的費用，大大增加了成本，且體積龐大，給機艙架高、承重、運輸、安裝、維修都帶來困難。

空-水冷卻系統構成部件主要有：①管路系統；②水泵組件；③散熱板片；④溫度傳感器、溢流閥等其他附件，如圖1所示。

圖1 空-水冷系統原理圖

空-水冷卻系統工作原理：水泵、加熱器、溫控閥、蓄能器和輔件集成為一個緊湊的單元，放置在塔底。熱交換器位于塔外部，固定在塔壁上，由于熱交換器暴露在環境中，需配置一個獨立的驅動風扇；冷卻介質通過水泵流經變流柜，在變流器下方管路分為2路，一路連接到冷卻介質的外部水-空熱交換器，冷卻介質冷卻。另一路通到加熱器，以便低溫情況時對設備進行預加熱。加熱器的開關由PLC控制，同時PLC通過壓力繼電器探測意外泄漏情況；系統配置一個機械溫控閥切換2條管路來控制介質的溫度。

3 溫升的原因分析

3.1 空-空冷型變頻柜溫升原因分析

采用空-空冷卻的變流器，多是利用熱空氣上升的原理，因煙囪效應熱空氣升至機艙或上部平臺。在環境溫度較高時，上部機艙溫度也較高，將導致對流效果下降、通風不足，造成變流器周圍空間溫度過高，嚴重影響到變流器的運行。同時，若第一層平臺與塔基間距離較小，熱空氣更容易在此集聚，則更容易出現變頻器高溫故障。還有就是常年服役的機組電器部件和線路老化發熱量增加，超過風冷系統設計值，即使塔筒內通風滿足要求，也會導致變頻器高溫故障。

3.2 空-水冷卻型變頻柜溫升原因分析

3.2.1 柜體原因

（1）柜體內部灰塵較多，通道堵塞或者界面變小，柜內循環不暢。

（2）柜內元器件老化發熱量增加或者繼電器、接觸器損壞部分風扇停止旋轉。

3.2.2 冷卻介質

（1）冷卻介質超過使用年限沒有及時更換，冷卻效果下降明顯。

（2）冷卻介質有泄漏，運行壓力不足。

（3）分支管路流量與設計流量有較大差別，部分器件散熱效果下降明顯。

（4）介質變質有物質析出，使管路截面積變小或堵塞，引起散熱不足。

3.2.3變流器熱量無法及時散發

（1）外圍電路老化引起諧波過大或者元器件老化發熱量大。（2）散熱需求超過原設計值，導致冷卻系統散熱不足。（3）散熱板片因灰塵或柳絮堵塞，導致散熱能力下降。

4 解決方案

為保障機組安全穩定運行，需要定期對冷卻系統及其相關部件進行檢查、更換或者維修。

對于運行多年的機組，需做一些通風散熱結構的技改。本文以某風電場技改項目為例進行簡要介紹。

4.1 項目概況

該風場有1.5MW雙饋機組33臺，總容量49.5MW，此機組第一層平臺和塔基之間的距離較小，放置變頻柜和控制柜后空間更狹窄，如圖2所示。該機組控制柜和變頻柜采用強制風冷卻，出風口設置在其后部，如圖3所示。

圖2 塔基平臺與第一層平臺間距較小

圖3 變頻柜背面出風口

前變頻柜夏季高溫故障占年故障率20%左右，嚴重影響機組年發電量和機組的安全穩定運行。

4.2 原因分析

變頻柜和控制柜雖然采取了強制風冷卻，但對整個塔基部分的空氣流道考慮不足，熱空氣從變流柜出風口被強制排出后，熱量都堆積在塔筒內，依靠塔筒壁對外換熱降溫，熱量散發有效性差，會使塔內溫度升高。另外，空氣在靠近塔筒壁附近的速度，變流柜出口側較高，變流柜進風側較低。出風口處空氣流動快，不會形成渾沌狀態，而是向上沿著塔筒壁面形成貼附流，但由于層高較低，高速熱空氣未冷卻即受到阻礙向下，在塔筒底部的一側形成渦旋區，該區域為換熱死區。

4.3 技改方案

為滿足塔筒內變流器等電氣部件的散熱需求，可增加其他通風冷卻設施，在塔筒內和塔筒門設置軸流風機，利用煙囪效應將塔底部件的熱損耗以熱空氣的形式從塔頂或機艙排至塔筒外面，方案整體示意圖如圖4所示，變頻柜改造后結構如圖5所示，塔筒門改造結構如圖6所示。

圖4 示意圖

圖5 散熱系統結構圖

圖6 塔筒門改造結構圖

（1）用設計好的錐形罩收集變流器產生的熱空氣，替換原有的冷卻風扇，并在一層平臺安裝1個軸流風扇，用通風軟管連接錐形罩，將熱風送入一層平臺上方，通過煙囪效應將熱空氣引入頂部排出。

（2）通過安裝在塔筒門的2個離心式風扇將塔筒外部冷空氣吹進塔筒底部。

（3）軸流風扇的控制電路如圖7所示，使用雙路輸出溫控器接入主控控制軸流風機啟停，溫控器可設定2個溫度閥值。

圖7 軸流風扇的控制電路圖

風場機組全部并網時間2011年12月，改造

（4）當溫度在20～30℃時，繼電器 1 吸合輸出（一層平臺軸流風扇啟動），當溫度大于或等于30℃時，繼電器2吸合輸出（塔筒門軸流風扇啟動）。

4.4 效果驗證

技改無故障運行3個月之后，選取夏季高溫（塔外環境溫度接近40℃）時段，技改機組（8#）及其附近的另外4臺未技改機組進行對比分析，提取數據后繪制的塔外溫度折線圖如圖8所示。

圖8 塔外溫度折線圖

從圖8可以看出，8#風機及附近區域機組對應的環境溫度基本一致，在此情況下可用此數據作為參考依據分析相關數據。

圖9為8#(改造樣機)風機和4#、5#、7#、11#、12#風機（未改造機組）在相同時間段的塔底溫度變化曲線。

圖9 塔底溫度折線圖

從圖9可知，經過技改的8#風機溫度曲線在最下方，在環境溫度較高階段（圖8中3個峰值區域）8#機組塔筒底部的溫度明顯低于其他機組，塔筒底部整體平均溫度低于其他機組約5～10℃，有明顯的降溫效果。

技改后運行期間8#機組未報高溫故障或出現限功率運行情況，說明改造后的散熱系統有效且降低了塔底設備高溫故障率。

5 結語

本文簡要分析1.5MW雙饋機組變頻柜高溫故障原因，介紹了一種應用于實踐且行之有效的可降低變頻柜高溫故障率的改造技術方案；通過技術改造和技術升級，消除變頻器溫度偏高的運行隱患、降低變頻柜內溫度、提高系統運行可靠性、降低故障維修成本、提高風電機組運行效率和發電量，延長變頻器的使用壽命。