风力发电机组外部散热器加装喷淋系统的应用研究

刘乔

（湖南湘电风能有限公司，湖南 湘潭 411100）

0 引言

随着机组的容量功率的不断增大，散热问题也日益突出。散热系统的研究已成为电机设计研究的热点[1]，同时，双馈型机组的增速齿轮箱，直驱型机组的全功率变流器等部件运行时发热量大问题也日益突出。通常这些部件的大部分或完全容纳在塔架或机舱内的封闭空间中，并且与周围空间的热交换是受限的，为了满足散热要求一般采用以冷却液或齿轮油或空气等冷却介质在部件和热交换器之间流动[2]。散热系统考虑到风场所在地区空气中含有沙尘，为避免流道堵塞，外部散热器的空气流道选用波纹翅片[3]，自然风是直接流经外部散热器，一段时间后，表面灰尘异物的不断积压，造成散热能力持续降低[4]。夏季极端高温天气散热器与外界温差低，温度升高导致空气密度的减少，外部散热器和各发热部件的散热情况逐渐恶化，机组满负荷运行发热量增大，热量不能通过散热器散出导致部件出现过温情况。为了保证部件安全不得不降低机组负荷出力，甚至停机[5]。

机组原热管理系统（液冷）在设计之初已考虑裕量，且即便出现过热现象也一般只出现于夏季最炎热的几天内的几小时中[6]。为了降低解决散热系统的一系列问题，论文提出了通过为散热系统增加外部散热器喷淋系统，快速带走外部散热器表面热量来提升换热效率。

1 故障事件经过

某风场地处戈壁，高温及阳光辐射导致地表温度偏高，多台机组满负荷运行出现变流器功率模块过温情况。

2 故障原因及处理

2.1 外部散热器运行原理

冷却液温度较低时，冷却液的热量通过外部散热器扩散到空气中，当冷却液温度较高时，散热风扇启动加速外部散热器热量扩散速度[7]。

2.2 故障原因分析

夏季午后温度高、阳光辐射明显，外部散热器与环境温差小。同时，高温天气空气密度较低等因素导致散热能力明显下降。机组满功率发电时变流器等部件运行时产生的大量热量，由于外部散热器散热能力下降，导致温升加剧，最终出现冷却液温度升高、变流器功率模块温度过高。

2.3 外部散热器的改进措施

2.3.1 外部散热器喷淋系统改进方案

在外部散热器安装喷淋系统，并设置两种功能模式：①散热器喷淋散热模式。喷头将水喷淋在外部散热器的后侧的表面上，喷淋水附着在散热器上，通过流动和蒸发作用带走散热器表面的热量，提升散热器的散热效率，见图1（a）。②散热器喷淋清洗模式。喷头将水喷淋在外部散热器的后侧的表面上，在散热风扇（反转）的风力作用下，将外部散热器的喷淋水及其携带的灰尘吹离散热器，起到清洁散热器表面恢复散热器本身的散热能力的作用，见图1（b）。

图1 外部散热器喷淋系统运行状态示意图

2.3.2 喷淋系统运行效果

采用冷却液等介质进行散热的部件，其热量主要通过冷却液带走而实现降温，因此仅通过监测目标冷却部件进出口冷却液温度就能判断散热效率是否提高[8]。

“喷淋降温模式”启动时间为19：08：22～19：08：41，共计20s，机组外部的环境温度为32.7℃左右，变流器功率从842kW上升到1001kW，外部散热器出口（变流器入口）冷却液温度从39.9℃降到35.5℃，温度下降平均速率为0.22℃/s；外部散热器入口（变流器出口）冷却液温度从42℃降到40.2℃，温度下降平均速率为0.09℃/s。

“喷淋清洗模式”启动时间为19：08：42～19：08：56，共计15秒，机组外部的环境温度为32.6℃左右，变流器功率维持在1000kW左右，外部散热器出口（变流器入口）冷却液温度从35.5℃到36.9℃，外部散热器入口（变流器出口）冷却液温度从40.3℃下降到38.4℃。

图2 喷淋系统运行时冷却液温度变化

喷淋清洗模式下喷淋水携带大量灰尘从外部散热器风道间隙内被吹出，彻底有效对散热器表面进行了清洗。

3 结论

本文提出的外部散热器在设计时考虑了裕量，但仍必需考虑使用过程中不可避免的会出现的灰尘等污秽带来的影响，此外，还需考虑极端高温天气的影响。本文提出了一类能够解决因灰尘等污秽造成外部散热器效率下降，且能够在短时间内提升外部散热器散热效率的方法。针对外表污秽和极端高温天气等因素对外部散热器的影响，提出了在外部散热器新增喷淋系统用以清洗外表面，通过喷淋降低外表面温度，恢复和提升散热器效率。

图3 喷淋系统清洗模式运行外部散热器外观图