非能动自然循环风电机舱冷却系统应用研究

周涛，马栋梁， 陈柏旭，齐实，宋振龙

(1.华北电力大学 核科学与工程学院，北京 102206； 2.华北电力大学 核热工安全与标准化研究所，北京 102206；3.非能动核能安全技术北京市重点实验室，北京 102206； 4.内蒙古华电蒙东能源有限公司，内蒙古 通辽 028000)

非能动自然循环风电机舱冷却系统应用研究

周涛1,2,3，马栋梁1,2,3， 陈柏旭1,2,3，齐实1,2,3，宋振龙4

(1.华北电力大学 核科学与工程学院，北京 102206； 2.华北电力大学 核热工安全与标准化研究所，北京 102206；3.非能动核能安全技术北京市重点实验室，北京 102206； 4.内蒙古华电蒙东能源有限公司，内蒙古 通辽 028000)

风电机舱的有效通风冷却，可以保障风电机组在高温天气下安全、高效运行。通过建立风电机舱仿真模型，对加装聚风罩前、后的风电机舱进行模拟计算，计算结果表明：随着环境风速的增大，机舱内部温度明显下降，风速大于8 m/s时，机舱与环境温度差小于3℃；外部风速越大，机舱内外的温度差也越小。加装聚风罩后，减少了风机因机舱内部温度过高而导致的被迫停运现象，提高了风电机组发电的经济性和安全性。

风电机组；非能动；自然循环；机舱；聚风罩；通风冷却

0 引言

我国每年4—11月环境温度为20～40 ℃,极端天气时温度将达到45 ℃。随着环境温度的升高，风电机组机舱内温度也升高，平均为35～60 ℃，比环境温度高15～20 ℃。机舱温度升高会导致齿轮箱油、发电机轴承、变频相关设备温度升高，进而导致风机限功率或停机。当环境温度达到38 ℃时，某300 MW风电场198台风机有123台因以上问题限功率或停机，大大降低了风机的可利用率，每年因该问题导致的电量损失高达10 GW·h，折合人民币521万元左右，给风电场造成巨大的经济损失。如果将整机的温度控制在合理范围内，风机可利用率可以提高2百分点，每年可为企业增效至少540万元。统计资料显示，夏季的备件损耗几乎占全年的70%以上，风机故障率比冬季高1倍以上。根据以上分析可以得出，机舱温度降低后，整机内部所有设备的温度都会降低，可改善各设备的运行工况，降低设备故障率，因此，机舱冷却控制系统对降低风机故障率及减少备件损耗有着重要的意义。自然循环[1-2]系统是一种利用冷热端所形成的密度差进行热量交换的系统，具有非能动的自然特性，无需外部驱动机构，冷却效果安全可靠，在核反应堆的余热排出及风力发电机舱冷却等领域有着广泛而深入的应用。为避免夏季高温天气下风电机舱内部局部温度过高而导致风机停运[3-13]，提出了一种非能动自然循环冷却风电机舱系统：对风机加装聚风罩和导流罩，使机舱内部的热空气和机舱外部环境的冷空气形成连续的自然循环冷却通风系统，通过聚风罩将外部冷空气引入风道，对变频器柜进行通风降温；改造齿轮箱散热系统，加大齿轮箱油冷散热容量；建立实时采集的数据监控软件平台，对风机所有温控参数进行采集处理。数值模拟仿真计算表明，加装聚风罩后，风电机舱内部冷却效果良好，内部温度明显下降，减少了风机因内部机舱温度过高而导致的被迫停运现象，提高了风电机组发电的经济性和安全性，为聚风罩冷却装置的推广提供了理论依据。

1 研究对象

1.1风电机舱结构

研究对象为某风力发电公司的双馈风力发电机组，其风电机舱内部包括齿轮箱、发电机、制动连轴装置、变频器、降噪装置、偏航系统及水冷装置等，具体结构如图1所示。

图1 风电机舱内部结构示意

由图1可以看出，在逃生口部位加装聚风罩，风从聚风罩进入机舱尾部，冷空气经过发电机、变频柜、齿轮箱后端对各设备降温，空气温度逐渐升高，热空气由于密度较小而积聚到机舱上方，从机舱壳上端开口排出。在图中机舱的左下部加装聚风罩后，机舱内外空气形成一定高度差的自然循环，冷风从下部聚风罩进入机舱内部，水平流过发电机和齿轮箱变频器等装置后，由上部出风口流出，可以将机舱内部热量带出。聚风罩的开口面向轮毂迎风面，合理地利用了风机的迎风特性和风能的运动特性，不需要外加电源，不消耗能源就可以达到降低机舱温度的目的；同时，在逃生口加装除尘气栅和滤网，避免外界空气所带灰尘和杂质进入机舱，造成油冷散热器的污染。在风机机舱壳上端面开口设置导流罩，开口背对轮毂迎风面，一方面能更好地形成风道，另一方面可以避免雨水对设备造成损坏。通过拉绳将聚风罩底部与机舱内主机架相连，保证遭受较大顺风时聚风罩安全稳定。

1.2几何模型

使用ANSYS数值模拟软件，对图1的研究对象建立模型，如图2所示。

图2 几何模型

1.3主要技术参数

所选风电机组为SL1500系列典型风力发电机，其主要技术参数见表1。

表1 SL1500型典型风力发电机技术参数

1.4风机保护定值

机舱内任一散热部件达到温度上限之后，就会触发保护动作而使风机保护停运，保护项目和定值见表2。

通过表2可以看出，影响风机高温限功率的主要因素为齿轮箱油温，影响风机停机的主要因素为机舱温度。而机舱内部平均温度的高低，直接影响齿轮箱散热程度。

2 计算方法

2.1网格划分

以SL1500典型风机为设计模型，采用三维立体建模数值模拟方法[14-16]，对图2所示的几何模型建立三维数值分析模型，并进行合理的网格划分，如图3所示。合理地设置计算边界条件及湍流计算模型之后，可以对加装聚风罩前、后的机舱温度数据进行比对分析。

图3 几何模型网格划分

从图3可以看出，划分网格时几何模型中已经包含了改造后的聚风罩，在计算改造前的机舱温度时，可将该部分的入口风速设置为0。

2.2计算模型

ANSYS CFX内部自带了进行热工水力计算的程序，计算中所用到的公式如下。

(1)连续性方程。

(1)

式中：ρ为流体密度，kg/m3；t为时间，s；u，υ，w为流体速度在x，y，z方向的分量，m/s。计算过程中考虑了重力加速度g=9.81 m/s2。

(2)动量方程。

(2)

(3)

(4)

式中：p为作用在微元体上的压力，MPa；τxx，τxy，τxz为作用在黏性微元体表面上的黏性力τ的分量，N；Fx，Fy，Fz为作用在微元体上的力，N。

(3)能量方程。

式中：cp为流体的比定压热容，kJ/(kg·K)；T为流体的温度，K；λ为流体的热导率，W/(m·K)；ST为黏性耗散，kg/(m2·s2)。

(4)剪切压力传输(SST)湍流模型方程。

Gk-Yk+Sk，

(6)

Yω+Dω+Sω，

(7)

式中：ρ为流体密度，kg/m3；k为湍动能，J/kg；Gk为湍流的动能，J/kg；Gω为ω方程；Γk和Γω分别为k和ω的有效扩散项；Yk和Yω分别为k和ω的发散项；Dω为正交发散项；Sk和Sω由用户自定义；i，j代表x，y，z3个方向。

2.3边界条件设置

根据SL1500型典型风力发电机技术参数以及风机各设备高温保护定值，设定风机正常运行时的边界条件，见表3。

表3 风机正常运行时的边界条件

在CFX前处理软件中设置好相应的边界条件参数，当软件计算达到相应的精度条件后，计算过程结束，在计算结果文件中对机舱内部各种参数进行分析处理。

3 计算结果

3.1改造前、后机舱与环境温度差变化情况

3.1.1 改造前温度变化

对改造前的机舱进行数值模拟计算，得到了机舱与环境温度差随风速的变化趋势(如图4所示)，机舱内温度和环境温度的对比情况如图5所示。

图4 改造前机舱与环境温度差随风速的变化

图5 改造前机舱内温度与环境温度对比

从图4可以看出，加装聚风罩前，随着外部环境风速的增大，机舱与环境温度差始终保持在22 ℃左右，基本没有下降的趋势。从图5可以看出，环境温度保持在10 ℃左右的较低水平，但机舱内部温度较高，大约为33 ℃，机舱内部温度过高，严重威胁风电机组的安全稳定运行。

3.1.2 改造后温度变化

加装聚风罩后，机舱与环境温度差随风速的变化趋势如图6所示，机舱内温度与环境温度的对比情况如图7所示。

从图6可以看出，加装聚风罩后，随着外部环境风速的增大，机舱与环境温度差迅速下降，当风速达到12 m/s时，该差值已趋近1 ℃，说明此时机舱内部的冷却效果非常好。从图7可以看出，环境温度保持在25 ℃左右，但机舱内部温度已经下降非常明显，机舱内部高效的通风冷却保障了风电机组的安全稳定运行。

图6 改造后机舱与环境温度差随风速的变化

图7 改造后机舱温度与环境温度对比

3.2改造前、后机舱与环境温度差随入口风速的变化

3.2.1 改造前、后不同风速下的温度差

对改造前、后的机舱进行数值模拟计算，得出了不同入口风速下机舱与环境温度差的变化趋势，如图8、图9所示。

图8 改造前不同风速下的机舱与环境温度差

图9 改造后不同风速下的机舱与环境温度差

通过图8可以看出，加装聚风罩前，随着环境温度的升高，机舱与环境温度差增大，说明此时机舱内部冷却效果非常不好，此现象与试验结果基本保持一致。随着入口风速的增大，机舱内部温度没有降低的迹象。

通过图9可以看出，加装聚风罩后，随着环境温度的升高，入口风速较低时机舱与环境温度差较大，但当入口风速增大到一定值之后，该差值迅速减小，说明此时机舱内部得到了有效冷却，从理论上验证了加装聚风罩的合理性。

3.2.2 改造前、后温度差的对比

在相同的环境温度(25 ℃)、不同风速条件下，改造前、后机舱与环境温度差对比结果如图10所示。

图10 风机改造前、后机舱与环境温差对比

通过图10可以看出：改造前、后的机舱与环境温度差相差较大，且随着风速的增加，数值差距逐渐增大，改造前的温度差与风速正相关，而改造后的温度差与风速负相关；风速大于8 m/s时，机舱与环境温度差小于3 ℃，显著降低了机舱温度；外部风速越大，机舱与环境温度差也越小，即冷却效果也越好，改善了设备的运行环境，明显降低了风机故障率。

3.3模拟计算结果与试验数据对比

将改造前、后的模拟软件计算结果与试验数据进行对比，如图11、图12所示。从图11、图12可以看出，模拟计算结果与试验数据符合良好，由于模拟计算取值点较少，因此未能模拟出温度的波动情况，但模拟值近似等于温度变化的平均值，既可以证明模拟结果的准确性，同时也可以看出加装聚风罩的确能够有效降低机舱温度。

4 改进措施与对策

风电机组实际运行过程中，可采取以下措施来保证风电机组正常的通风冷却。

(1)加装聚风罩可以实现机舱内部的自然通风冷却，且随着自然风速的增大，冷却效果更佳。

(2)当夏季温度超过40 ℃时，在机舱顶部天窗加装导流罩，导流罩下方机舱顶部天窗位置加装一个涡流风机向外排风，同时在涡流风机上方加装防雨罩。

图11 改造前模拟计算结果与试验数据对比

图12 改造后模拟计算结果与试验数据对比

(3)在变频器柜体外侧加装2套温控通风换气设备，通风换气设备从聚风罩进风口引风，在进风口加装气栅，在通风设备上加装除尘滤网，整个换气设备加装温控装置，冬季自动关闭换气设备，夏季外界环境温度升高到一定值时自动开启换气设备。

5 结论

运用ANSYS 数值模拟软件，对加装聚风罩之后的风电机舱进行了数值计算分析。将数值计算结果和试验数据进行了对比，两者对比符合良好。

(1)风电机舱加装聚风罩后，机舱与环境温度差迅速下降，风速在10 m/s以上时，该差值小于3 ℃且会随着外部环境风速的增大而减小。

(2)加装聚风罩前，机舱与环境温度差较大，机舱内部温度没有下降趋势。加装聚风罩后，机舱与环境温度差已经趋于一致，有效地对机舱内部进行了冷却，在环境温度40 ℃以内，风机不会发生高温限功率故障。

(3)非能动聚风罩的使用，可以保障机组运行平均故障率低于其他未安装聚风罩的风机，风机可利用率达到99%以上，有力地保障了风电机组安全、高效、可靠运行。

(4)夏季高温天气时，可在机舱顶部天窗加装导流罩，同时配合涡流风机加强排风冷却。

(5)在变频器柜体外侧加装通风换气设备，配合温度控制装置，可以实现冬季自动关闭换气设备，夏季高温环境自动开启换气设备进行通风冷却。

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(本文责编：刘芳)

2017-03-31；

:2017-05-19

TM 614

：A

：1674-1951(2017)06-0001-05

周涛(1965—)，男，陕西西安人，华北电力大学国际教育学院副院长，博士生导师，教授，从事核热工水力与安全方面的研究及教学工作(E-mail:zhoutao@ncepu.edu.cn)。

马栋梁(1982—)，男，河北保定人，在读博士研究生，从事反应堆热工水力方面的研究(E-mail:madongliang168@163.com)。

陈柏旭(1992—)，男，甘肃兰州人，在读硕士研究生，从事反应堆热工水力方面的研究(E-mail:623054362@qq.com)。

齐实(1994—)，男，吉林长春人，在读硕士研究生，从事反应堆热工水力方面的研究(E-mail:1093798898@qq.com)。

宋振龙(1966—)，男，山东枣庄人，副总经理，工程师，从事电厂生产管理等方面的工作。