海上風(fēng)電機(jī)組塔筒散熱仿真與優(yōu)化

王杲展， 王登峰， 陳通， 姜婷婷

(1.浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司，杭州 310012； 2.浙江省風(fēng)力發(fā)電技術(shù)重點實驗室，杭州 310012；3.中國石化集團(tuán)新星石油有限責(zé)任公司，北京 100083)

0 引 言

隨著風(fēng)電市場競價時代的到來，發(fā)展大容量機(jī)組成為各廠商降本增效的重點方法[1]。機(jī)組的大容量化必然帶來電氣設(shè)備的高功率化，由于大部分電氣設(shè)備如變流器、變壓器等位于塔筒底部，設(shè)備功率損耗所產(chǎn)生的熱量通常利用風(fēng)冷或水冷裝置轉(zhuǎn)移到塔筒外[2]，但水冷裝置的熱量也會通過設(shè)備的高溫表面散發(fā)到塔筒內(nèi)，導(dǎo)致塔筒內(nèi)部熱量堆積，影響設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)[3-5]。

塔筒散熱主要有自然通風(fēng)散熱、強(qiáng)制風(fēng)冷散熱以及水冷散熱等3種。自然通風(fēng)散熱主要基于煙囪效應(yīng)實現(xiàn)，一般應(yīng)用于小容量機(jī)組。強(qiáng)制風(fēng)冷散熱通過機(jī)械式風(fēng)扇使塔筒與外界進(jìn)行空氣交換從而達(dá)到散熱效果，在陸上機(jī)組中應(yīng)用較多[6-8]。海上機(jī)組需考慮水汽和鹽霧進(jìn)入機(jī)組的問題，一般不采用強(qiáng)制風(fēng)冷(風(fēng)扇)與外界進(jìn)行換熱。因此，水冷散熱成為當(dāng)前海上風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行塔筒散熱的普遍方式[9]。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于計算流體力學(xué)的數(shù)值仿真成為評估機(jī)組散熱性能的重要方法[10-12]。

本文針對某海上大容量機(jī)組，采用一種水冷、風(fēng)冷相結(jié)合的裝置，促進(jìn)塔筒內(nèi)空氣循環(huán)，達(dá)到充分散熱的目的。用計算流體力學(xué)軟件對該裝置的散熱能力進(jìn)行仿真分析，評估方案的優(yōu)劣，并提出風(fēng)冷側(cè)的2種散熱器布局優(yōu)化方案，提高塔筒散熱能力[13]。

1 流場數(shù)值模擬

1.1 幾何與數(shù)值模型

以某海上大容量機(jī)組為原型，建立1∶1等比例三維幾何模型。為真實模擬塔筒底部散熱情況，模型中考慮第1層的油浸變壓器、開關(guān)柜，第2層的干式變壓器、開關(guān)柜、環(huán)控散熱器，第3層的變流器。其中，散熱器主要由塔筒內(nèi)的殼體、風(fēng)扇、散熱板和塔筒外的散熱板、風(fēng)扇組成，通過塔筒內(nèi)的風(fēng)扇使熱空氣與散熱板充分接觸，將熱量傳遞給散熱板中的冷卻液，冷卻液通過泵站經(jīng)管道轉(zhuǎn)移到塔筒外，通過塔筒外的散熱板和風(fēng)扇實現(xiàn)冷卻降溫，再循環(huán)回塔筒內(nèi)。

為簡化幾何模型，建模時不考慮機(jī)艙、上半部分塔筒以及塔筒外的平臺設(shè)備，最終得到的塔筒流場仿真模型見圖1。

圖 1 塔筒幾何模型

1.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

模型計算域為塔筒內(nèi)部，網(wǎng)格劃分主要通過HyperMesh以及FLUENT Meshing共同完成。其中，HyperMesh完成三角形面網(wǎng)格的劃分，F(xiàn)LUENT Meshing完成四面體網(wǎng)格的生成。散熱器部分網(wǎng)格尺寸為24 mm，塔筒外壁網(wǎng)格尺寸為128 mm，總體網(wǎng)格數(shù)量在700萬個左右，局部網(wǎng)格見圖2。

圖 2 局部網(wǎng)格示意

塔筒的散熱仿真屬于三維不可壓縮流動模擬，由質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒方程封閉求解，采用boussinesq假設(shè)模擬空氣密度隨溫度變化的情況，湍流模型采用realizablek-ε模型。采用基于壓力的求解器進(jìn)行求解，耦合算法為simple算法，模型采用穩(wěn)態(tài)計算。

在散熱能力評估過程中，速度場和溫度場為重要的評價指標(biāo)，采用不同層平臺的平均溫度以及關(guān)鍵設(shè)備的周邊環(huán)境溫度，說明塔筒的散熱能力。熱流場模擬的邊界條件見表1。

表 1 熱流場模擬的邊界條件

數(shù)值模型中散熱板和風(fēng)扇的P-Q曲線(見圖3)由散熱器供應(yīng)商實驗得到，各設(shè)備表面溫度為保持最大功率運(yùn)行一段時間且自身水冷裝置正常工作情況下的表面溫度。散熱器出口溫度仿真軟件根據(jù)流量和散熱器自身性能自動計算得到，散熱器的入口設(shè)計溫度最高為50 ℃，將該值定為塔筒內(nèi)環(huán)境溫度指標(biāo)，綜合考慮設(shè)備周邊環(huán)境溫度以及空間內(nèi)溫度分布，評價塔筒的散熱能力。

(a) 散熱板

2 結(jié)果分析與優(yōu)化設(shè)計

2.1 散熱器初步方案

塔筒內(nèi)主要的發(fā)熱源為干式變壓器、油浸變壓器和變流器，散熱需要兼顧3層平臺。考慮設(shè)備安裝的空間條件，初定將2個散熱器均安裝在第2層，散熱器底部對應(yīng)平臺開孔，使散熱器能從第1層和第2層一起吸風(fēng)，然后將冷風(fēng)排出到第3層，實現(xiàn)內(nèi)循環(huán)，達(dá)到3層平臺一起散熱降溫的作用。散熱器初步安裝位置示意見圖4。

圖 4 散熱器初步安裝位置示意

速度場計算吸風(fēng)量結(jié)果見表2。分析可知，該方案會使散熱器從第1層的吸風(fēng)偏少、第1層的流動不夠充分影響油浸變壓器周圍環(huán)境的散熱。溫度場結(jié)果見表3。分析可知，各塔段平臺平均環(huán)境溫度均小于50 ℃，且存在1 ℃以上的余量，說明該設(shè)計的散熱已經(jīng)滿足要求。但從各截面溫度云圖(圖5)可知，第1層油浸變壓器附近的環(huán)境溫度有大面積超過50 ℃的情況，屬于典型的高溫堆積現(xiàn)象，溫度分布存在優(yōu)化空間。

表 2 吸風(fēng)量結(jié)果 m3/h

表 3 塔筒平臺平均環(huán)境溫度 ℃

圖 5 原始方案各截面溫度云圖，℃

2.2 第1種優(yōu)化方案

基于初步方案，為提高散熱器對第1層平臺的散熱能力，嘗試降低散熱器架空高度150 mm，使其能更大程度地從第1層平臺吸風(fēng)。塔筒散熱器布局優(yōu)化示意見圖6。

(a) 原始安裝位置

優(yōu)化后的速度場計算吸風(fēng)量結(jié)果見表4。對比表2可知，降低散熱器架空高度能提高散熱器對第1層的吸風(fēng)量，比原始方案提高風(fēng)量近50%。

表 4 第1種方案優(yōu)化后的吸風(fēng)量結(jié)果 m3/h

由表5可知，該優(yōu)化方案雖然提升散熱器從第1層的吸風(fēng)量，3層空氣溫度更趨均衡，但沒有顯著改善第1層平臺的平均環(huán)境溫度。

表 5 第1種方案優(yōu)化后的平均環(huán)境溫度 ℃

2.3 第2種優(yōu)化方案

考慮到降低散熱器架空高度后，從第2層的吸風(fēng)量仍遠(yuǎn)高于從第1層的吸風(fēng)量，將油浸變壓器上方的散熱器(圖4中右側(cè)散熱器2)底部直接與第1層相連，不從第2層進(jìn)風(fēng)，將上方管道取消，直接從第2層出風(fēng)。第2種方案布局優(yōu)化示意見圖7。

(a) 原始安裝位置

第2種方案優(yōu)化后的速度場計算吸風(fēng)量結(jié)果見表6。可知，當(dāng)散熱器2直接與第1層連接時，第1層的吸風(fēng)量顯著提高，2個散熱器在第1層和第2層的吸風(fēng)量相比之前的方案更加均衡，且總體吸風(fēng)量保持一致。可以認(rèn)為該優(yōu)化方案能使下面2層的流動更加充分，有利于部件散熱。

表 6 第2種方案優(yōu)化后的吸風(fēng)量結(jié)果 m3/h

由表7和圖8可知，相比于原方案，第2種優(yōu)化方案由于將散熱器2的進(jìn)風(fēng)口與第1層塔筒直接相連，使得第1層中油浸變壓器附近的高溫堆積情況得到明顯緩解，第1層塔筒平均環(huán)境溫度降低約1 ℃，有利于部件的正常工作，且3層塔筒之間的平均溫差由原方案的1.3 ℃降為第2種優(yōu)化方案的0.24 ℃，空氣溫度更趨均衡，有更好的散熱性能。

表 7 各方案的平均環(huán)境溫度 ℃

圖 8 第2種方案優(yōu)化后各截面溫度云圖，℃

4 結(jié) 論

以某海上大容量機(jī)組為研究對象，綜合考慮干式變壓器、油浸變壓器和變流器等散熱設(shè)備的影響，對散熱器原始方案以及2種優(yōu)化方案進(jìn)行計算流體力學(xué)仿真模擬和分析，得到以下結(jié)論：

(1)在海上大容量機(jī)組塔筒內(nèi)，采用水冷散熱的電氣設(shè)備，其高溫壁面產(chǎn)生的余熱仍將導(dǎo)致密閉的塔筒環(huán)境溫度過高，影響設(shè)備安全運(yùn)行，采用風(fēng)冷、水冷相結(jié)合的方式有更好的散熱效果。

(2)在塔筒內(nèi)有多層平臺散熱的需求下，散熱器的布局會顯著影響不同層平臺間的冷熱空氣流動。經(jīng)過散熱器的布局優(yōu)化，3層塔筒之間的平均溫差由原來的1.30 ℃降至0.24 ℃，各層間空氣溫度更加均衡。

(3)相比于原方案，當(dāng)采用第2種優(yōu)化方案的散熱器布局時，第1層塔筒中油浸變壓器附近的高溫堆積情況得到明顯緩解，平臺平均環(huán)境溫度降低約1 ℃，優(yōu)化效果明顯。