海上风力发电机组水冷系统的研究

张斌

（国华（江苏）风电有限公司，江苏 东台 224200）

海上风力发电机组水冷系统的研究

张斌

（国华（江苏）风电有限公司，江苏 东台 224200）

近年来，全球范围内对于开发可再生能源项目的压力增加，中国政府致力于确保在2020年之前，中国能源消费的10%将由可再生能源供应。其重点是开发风力发电场，特别是在海上环境中，向陆地提供2MW（第一代）～5MW（第二代）的风力发电机组，安装在由多达50台或更多风力发电机组成的大型船舶中，但功率增大后，水冷部分就需要得到更多的关注。本文通过对于风力发电现状与海上风力发电的技术进行分析，对其水冷技术进行了探究，力求为海上风力发电机组的水冷技术提出创新的思路。

海上风力发电；水冷系统；创新

1 风力发电现状分析

风力发电机是将风的动能转换成电力的装置，风力发电机的应用范围较为广泛，有垂直和水平轴类型。最小的发电机用于诸如用于船只辅助动力的蓄电池充电，或为交通警示标志供电的应用。较大的风力发电机可用于为国内电力供应，同时通过电网向公用事业供应商出售未使用的电力。大型风力发电机阵列，被称为风力发电场，正在成为间歇性可再生能源的日益重要的来源，被许多国家用作减少对化石燃料依赖的战略的一部分。任何地点可用的风能定量测量称为风力发电密度（WPD），这是一个平均每平方米风力发电机扫掠面积的年均功率的计算，并结合了在地面以上的不同高度的因素。风力密度的计算包括风速和空气密度的影响，上述计算结果列入国家可再生能源实验室开发的指标，WPD越大，此地区评分越高。变化范围从1级（200W/m2）至7级（800～2000W/m2）。商业风电场通常位于3级或更高级别的区域，尽管在其他区域也可用。风力发电机按其设计的风速分类，包括I～IV类。

2 海上风力发电的关键技术

作为可再生能源和清洁能源之一，风力发电机组能力较强的发电能力引起了人们的关注，中国成为开发可再生能源发展最快的国家。然而，在中国的一些地区，有一些地理位置以及土地风力发电的电气限制。由于几乎没有合适的施工现场，风力发电场附近的电力系统太弱，无法维持风力发电引起的动力波动，引入大量的陆地风电往往极其困难，甚至不可能。在这种情况下，海上风电场是增加风力发电的好办法。对离岸风力发电系统，需要进行海上数据准备工作、施工基础研究、输电方式和海上风力发电系统水冷设备的控制。与典型的石油和天然气发电技术相反，风力发电的基础部分可能占预计安装成本的40%。每个结构的重量都非常低，所以施加的基础上的垂直载荷与风和波浪的力矩相比会很小。此外，需要有一个单一的设计，可以在每个站点上批量生产，而不是每个基础单独设计。结合起来，这些点导致了一个非常重要的工程问题。在某些地点，使用浅层地基可能会更加经济，特别是吸入安装的踢脚地基。有必要在相关的负载组合下，为这些无叶基础开发适当的设计框架，从而实现最佳结构配置。海上风电发电技术在水冷部件上有着技术挑战，需要考虑风电场水冷部分设计中的基本因素，包括拓扑结构、接地选项和离岸变电站的开支和与海上风电基础相关的问题和离岸变电站平台的典型尺寸。该平台设计用于容纳主变压器、接地变压器、开关装置和其它各种配件。接下来，需要探究从海上工厂到陆上电网的传输链路的选项，对电网一体化相关的问题以及当前适用的特殊电网规范要求加以进一步分析。

3 水冷技术的研发与管理

3.1 水冷技术研发

在兆瓦级的风电机组中，发电机和变频单元是散热的主体，冷却系统的作用是把热量以较快的形式释放到外界，力求风电机组的安全可靠运行。在湘电公司的5MW风力电机组的冷却系统中，采用了风冷与水冷两种方式，但是这两种方式各有其适用范围，水冷系统主要为保持变频单元的散热，风冷系统主要是让发电机较快地降温。在风冷系统模块中，干冷的空气可以在较短的时间内实现发动机的冷却，同时，在冷却完成后，冷空气温度升高，被送入上方排气口，再重新压缩后继续进行发动机的冷却工作。水冷系统的冷却液为乙二醇，可以在空气换热器、水泵间高效流转，在整个回路之中，冷却液通过变频单元，把热量带走，再进入散热器进行自身的冷却，然后再送入变频器中，形成一个完整的冷却循环。

风的自由流动，风—转子效率（包括转子叶片的摩擦和阻力）是影响风力发电的最终价效率的许多方面之一。齿轮箱损失，发电机和转换器损耗可能降低风力发电机的功率。为了保护组件免受不适当的磨损，需要提高功率保持恒定在额定工作速度以上，理论功率在风速的立方上增加，这进一步降低了理论效率。在2011年，商业公用事业连接的风力发电机以额定的运行速度，从风中提取75～80%的功率。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℃，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。

3.2 水冷系统选定

由于磨损，效率可能随时间略有下降。对中国3128多台风力发电机组的分析显示，一半的风力发电机没有减少，另一半则是每年减产1．2%。垂直风力发电机设计的效率远低于标准水平设计。因此，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0．813mm。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。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=48mm，支管钢管与抗压软管管内径D2=42mm，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。并不是所有的风能都可以使用，一些小型风力发电机被设计为在低风速下工作。为安全考虑，需要进入和离开风力发电机的空气量必须相等。因此，贝茨定律给出风力发电机的最大可实现的风力发电提取量，这是通过风力发电机的空气总动能的16/27（59．3%）。因此，风力发电机的最大理论功率输出是通过机器有效区域的空气动能的16/27倍。

3.3 水冷系统管理

水冷系统的管理，应当采用系统软件进行调度，通过水冷系统管道自动控制系统，水冷系统可以在更高负荷的情况下进行工作并且避免故障，在完整的运行流程中，数据的同步性与稳定性有着极为重要的作用。自动的调度系统会重新制定水冷系统管道运行过程中的方案，对灾害的扩大化进行扩散。水冷系统管道自动控制系统决定着水冷系统系统的高效运行，将发电线路的运行与维护结合起来，这贯穿于水冷系统管道管理的维护处理过程中。对于线路的调整需要特别留意，水冷系统管道系统控制效率与具体线路相关。国外的EPRI公司正在开发一种线路检测机器人，该机器人可以永久安装，每年至少两次横穿80km的线路，这个被称为Ti的机器人可以沿传输线爬行，并使用各种实时检测技术来评估线路组件条件和管道破坏的风险。

4 结语

本文探讨了可能用于海上风力发电机应用的各种水冷装置，这些不同的选择导致风力发电设备上的不同载荷条件，根据这些不同负载条件下的实验，详细介绍了制定海上风力发电机水冷系统的设计方案。

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1671-0711（2017）10（下）-0203-02