海上风力发电机组水冷系统的研究

摘要：随着风力发电机发电功率由kW级向MW级方向发展，如何有效解决风力发电机组的散热问题，已成为发展风力发电技术的关键之一。本文以湘电风能海上5 MW直驱式变速恒频风力发电机组为例，首先根据风力发电机组正常工作的环境条件和技术要求，进行了变频柜冷却系统设计，在此基础上，编制了Matlab计算软件，对冷却系统设计流程进行了优化，考察了风速、翅片组合等参数的相互影响和作用机理，对国产自主研发大功率风力发电机组具有一定的参考价值。

关键词：风力发电机组 冷却技术 优化设计

一、引言

风力发电机组的损耗是决定变频柜、发电机温升的主要参数。风力发电机组作为一种能量转换机构，在能量转换过程中不可避免地要产生能量损耗，这些损耗的能量最终绝大部分变成热量，使风力发电机组各部件温度升高。尤其是兆瓦级直驱式风力发电机组（无齿轮箱设计），它的工作原理不同于普通的低压大功率绕线发电机，在满负荷工作时，其转子向电网溃电，这时由于定子通入低频励磁电流，定子损耗将远大于普通绕线发电机，所以定、转子总的发热量会较普通绕线电机高出很多；发电机产生的电压、电流通过主动力电缆输送至塔筒底段的变频柜，在整流、滤波、逆变的过程中同样损耗电能而转化为热量，这就需要一种科学的、有效的冷却方法来对风力发电机组进行冷却，从而降低发电机、变频柜温升。但是当前国内对风力发电技术的研究热点多集中在变频、控制系统和机械设计等学科，公开文献中涉及风力发电机组冷却系统的较少，且文献较早，仅简单介绍了风冷式风力发电机组的原理和水冷系统的原理，其内容相对于快速发展的风力发电技术存在较大的滞后。

二、冷却系统介绍

MW级风力发电机组的主要散热集中在发电机和变频柜2大部件，冷却系统的主要任务是将它们产生的热量及时释放到外界环境，确保风力发电机组安全、高效运行。湘电风能海上5 MW直驱式变速恒频风力发电机组的冷却系统为例，其工作过程如图1、图2所示：机组的冷却系统包括风冷与水冷系统两部分，其中风冷系统负责发电机的冷却，水冷系统则负责变频柜的冷却。在风冷系统中，干燥冷空气对发电机进行冷却，温度升高后的冷却空气通过通风管被送至机舱中部上方的排气口，需重新压缩冷却空气再输送到发电机进行下一轮的冷却。水冷系统则是由乙二醇水溶液、空气换热器、水泵、阀门以及温度、压力、流量控制器等部件组成的闭合回路，回路中的冷却介质流经变频柜换热器将它们产生的热量带走，温度升高后进入塔筒底段的外部散热器进行冷却，温度降低后回到变频柜进行下一轮冷却循环。

该5 MW风力发电机组的安装地点为沿海地区，温度范围为-35°C到40°C。风机的启动风速为4 m/s，停机风速为25 m/s，发电功率P与风速vc的关系曲线如图3所示。假设变频柜的效率保持G=97%不变，散热量为发电功率的3%，最高进水温度为50°C，流量为50 L/min，压力损失为0.08MPa。变频柜的散热量为19 kW是最高进水温。

三、重要组件的选型

目前液冷系统中常用的冷却介质有水和乙二醇水溶液。与水相比，乙二醇水溶液具有更好的防冻特性，且通过添加稳定剂、防腐剂等方式可使其换热性能与水相当。根据技术要求，冬季环境的最低温度为-35°C，由文献[3]可知，50%的乙二醇水溶液能够满足使用要求。在实际运行过程中，散热器安装在塔筒底段外部，要求散热器具有良好的散热性；同时，散热器处于湿度较高的沿海地区，应有一定的耐腐蚀性。综合上述要求，选用了具有传热效率高、结构紧凑、轻巧而牢固等特点的铝制错流板翅式换热器。如图4所示，其中A通道为空气流道，B通道为乙二醇溶液通道，通道分布方式为ABABABAB…。

A.空气流道；B.乙二醇溶液通道；

a.换热器芯体宽度；b.换热器芯体高度；

c.换热器芯体厚度

翅片形状根据流体性能和设计使用条件等选定，考虑到风场所在沿海地区空气中含有固体悬浮物，为避免流道堵塞，空气流道选用平直型翅片，而乙二醇水溶液流道则选用高性能的锯齿形翅片。为了保证一定的承压能力，翅片与隔板选用高防锈性的LF21铝合金材料，并根据已知工作条件取隔板厚度为0.813 mm。同时，为了获得均匀的物

流分配效果和使流动阻力损失得到较好抑制，封头选用错排孔板型形式[6-10]。水冷系统管道包括钢管和抗压软管两部分，综合考虑各种因素，选择系统主干管路钢管与抗压软管内径D1=48 mm，支管钢管与抗压软管管内径D2=42 mm，并根据选定管径计算出的沿程阻力与局部阻力，选择合适的循环泵。

四、工作原理

当风力发电机组工作时，第二节塔筒内设有一个密封式冷却液储存器，用来盛装冷却介质，冷却介质通过水泵加压，被输送到管道里，输液管道通向变频柜，变频柜内设有循环水路，冷却介质经循环水路与变频柜进行热交换，对主控制变频柜进行冷却。工作原理见图5。

五、设计思路

密封式冷却液储存器的冷却介质在向变频柜输送冷却液，由于机体表面与流体之间的对流换热，可以通过热传导及物质传递的方式综合进行，当机体表面比流体温度高时，热首先通过传导从机体传给机体壁附近的流体粒子。被传递的能量高于流体粒子的内能，通过流体运动跟流体粒子一起被传递出去。

当被加热的流体粒子到达低温区域时，热再通过传导由高温粒子传递给低温粒子。基于以上原因，在设计时一般可以采用两种方案，第一种方案为尽量增加电机水路系统的储水量，尽量多的增加低温粒子，充分吸收高温粒子热能，尽量多的带走电机的热量；第二种方案为尽量增大冷却介质即流体的流速，让机体产生的热量通过流体运动被流体粒子尽快带走。

六、技术参数

变频柜所用冷却液量： 3t/h；水路的沿程损失：2～3 bar；入口水温度≤45e；塔筒内温度-40e～55e；水压≤5bar。

七、设计方案

（一）、第一种方案

在第一种设计方案时将变频柜水路系统的参数设置如表1所示。

以上参数中，水路截面积、水力直径、水路长度、局部阻力损失系数等皆与变频柜整体结构有关。一旦变频柜整体结构确定则调整空间不大。由于冷却介质流量已经确定，因此我们只要计算出来变频柜的水阻符合技术要求即可。根据公式V=QS可求出冷却介质流速V=0. 406m/s。式中， V）冷却介质的流速；Q）冷却介质流量；S）水路截面积。

另外根据公式Re=Vdv求出雷诺数Re=8 993式中，Re）雷诺数； V）冷却介质的流速； v）50e时水的运动粘度。然后根据公式 求出沿程损失系数，在此式中管壁粗糙度的选取需要考虑管壁本身加工粗糙程度及管路焊缝粗糙程度，经验值在1～3之间选取。式中，K）沿程损失系数；$）管壁粗糙度；d）水力直径。

最后根据式 求出即水阻式中，$P）压差；F）局部阻力损失；Q）冷却介质密度；L）水路长度。如求水阻与技术要求不符，可在出水口设置调节水阀，来调节水阻，这种做法目前在有些风力发电机组制造商仍在使用。但按照以上要求设计后，变频柜做试验后温升偏高。

（二）、第二种设计方案

在保持原初始条件不变的情况下，只改变变频柜水路参数，参数见表2。

根据以上冷却介质流速公式、雷诺数公式可以求出此方案中V=0. 914m/s，Re=29 840，雷诺数可见，冷却介质紊流程度大大加强。变频柜做试验后，温升降低，达到设计要求。

八、分析原因

对流换热传递能量时，要受传导及物质传递两方面的影响。除了液体金属以外，一般流体的导热系数都比较小，所以能量的传递主要依靠流体粒子的混乱运动。采取第一种方案，虽然变频柜冷却水压及水阻都符合要求，但是冷却介质在通过水阀后，水路截面积放大，水压得到释放，冷却介质的流速及紊流强度都变小，宏观的混合运动也变弱，对能量的传递大为不利，虽然这时低温粒子量多，但是由于流速低，所以需要的温度梯度大。因此这种方案变频柜温升偏高，目前风力发电机组制造商已在逐渐取消这种做法。采取第二种方案，虽然变频柜储水量减少，但冷却介质流速及紊流强度得到加强，低温流体与高温流体间的混合运动得以促进，这虽对单纯的传导机理不重要，但是对能量传递确非常有利。换句话说由于冷却介质流速高，因此在换热时需要的温度梯度低，单位时间内，质子带走热量快，变频柜温升得以降低，此种方案将成为变频柜冷却系统设计的主要思路。

九、结语

我国对于 5MW风力发电机组的研发生产已日臻成熟，但涉及兆瓦级风力发电机组本体冷却技术的公开文献很少。针对此问题本文围绕目前5MW风力发电机组本体的冷却系统，进行了设计方法研究，介绍了一套5MW风力发电机组水冷系统选型及优化方案，对今后开展大功率风力发电机组水冷系统的研究具有一定参考价值。

参考文献：

[1] 蒋炎龙，元伟伟等.兆瓦级风力发电机水冷系统的优化设计.南京航空航天大学学报. 2008.

[2] 汤蕴，史乃.电机学.北京：机械工业出版社，2001. 6.

[3] 西川兼康，藤田恭伸.传热学.北京：兵器工业出版社， 1990. 10.

[4] 张也影.流体力学.北京：高等教育出版社， 1999.

[5] 李隆年，王宝玲，周汝潢.电机设计.北京：清华大学出版社， 1992. 9.