一種大功率海上風力發(fā)電機組塔底冷卻系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種冷卻系統(tǒng)，特別涉及一種大功率海上風力發(fā)電機組塔底冷卻系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著陸上風資源開發(fā)日趨飽和，海上風電正逐漸成為各國風資源開發(fā)的重點。與陸上風電相比，海上風電具有風資源穩(wěn)定、不占地、并網(wǎng)條件好等優(yōu)勢，同時也面臨成本高、維護難、環(huán)境條件惡劣等挑戰(zhàn)。
[0003]為降低海上風電單位千瓦投資成本，提升單機功率已經(jīng)成為各大風機制造商的一致技術(shù)路線，目前我國批量投產(chǎn)海上風機主力機型單機功率集中在3~4Mff左右，提升單機功率會使各子部件容量增大，發(fā)熱量增多，增加整機散熱難度。海上風力發(fā)電機塔底需要冷卻部件較多，對于一些大功率元器件，為保證冷卻效率，一般采用液冷方式；一些發(fā)熱量較小的部件，直接采用空氣冷卻，降低成本，針對多部件散熱，傳統(tǒng)分散式冷卻方式不僅成本高，且故障點多，這種弊端在海上機型尤為突出。為降低塔外平臺建造成本，部分廠家在海上機型設計時將主變壓器置于塔筒內(nèi)部，并對塔筒進行密封設計以保護塔內(nèi)部件免受海上鹽霧環(huán)境腐蝕。高濕環(huán)境下，凝露導致電子元件短路是一種常見的失效模式，針對該問題，一般方法為安裝抽濕機對塔內(nèi)環(huán)境濕度進行調(diào)節(jié)，但這種方式會額外增加成本。另外，海上風機維護難度大，頻次不宜過高，因此要求系統(tǒng)具備較高的可靠性。
[0004]綜上所述，設計一套集成化冷卻系統(tǒng)，對塔內(nèi)所有液冷、風冷部件進行散熱，同時精確調(diào)節(jié)塔內(nèi)空氣溫度、濕度及整個塔底熱環(huán)境，具有重大實際意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是針對大功率海上風力發(fā)電機冷卻系統(tǒng)所面臨的冷卻容量大、可靠性要求高、降本要求高及防腐的問題，提出了一種大功率海上風力發(fā)電機組塔底冷卻系統(tǒng)及控制方法，集成化閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)，對整個塔底熱環(huán)境進行整體控制。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種大功率海上風力發(fā)電機組塔底冷卻系統(tǒng)，包括水冷循環(huán)系統(tǒng)和風冷循環(huán)系統(tǒng)，水冷循環(huán)系統(tǒng)的熱交換器在塔外，其他部分都通過塔筒和頂層隔板密閉在塔內(nèi)，用兩層平臺隔板將塔內(nèi)從上到下隔成三層，水冷循環(huán)系統(tǒng)中的兩個水冷功耗部件分別位于底層和最高層隔板上，兩個塔內(nèi)熱交換器嵌于塔筒兩側(cè)的兩個通風管底端，塔內(nèi)熱交換器高度同中間一層的平臺隔板，兩個通風管貫穿中間層和最高兩層平臺隔板，兩個風冷功耗器件位于中間層平臺隔板上，并位于兩個通風管中間，兩個塔內(nèi)熱交換器下部各帶一風扇，塔內(nèi)空氣由兩風扇驅(qū)動，兩個通風管內(nèi)空氣通過兩個塔內(nèi)熱交換器中流出，通過中間層平臺隔板上的通風孔吹向風冷功耗器件，然后通過最高平臺隔板上的通風孔流入第三層平臺，最后由負壓吸入回兩個通風管之內(nèi)，形成完整的循環(huán)風路，兩個塔內(nèi)熱交換器中的冷卻液與塔外熱交換器進行冷熱交換，塔內(nèi)風路循環(huán)與水路循環(huán)通過塔內(nèi)熱交換器親合。
[0007]所述水冷循環(huán)系統(tǒng)包括兩個并聯(lián)的循環(huán)栗，過濾器，泄壓閥，兩個塔內(nèi)熱交換器，兩個水冷功耗器件，三通閥，塔外熱交換器，膨脹罐和管路，栗入口管路上連接膨脹罐，栗出口管路串接過濾器過濾冷卻液中雜質(zhì)；栗出口管路上連接有泄壓閥，冷卻液自栗流出后分為兩路，通過管道分別進入兩個塔內(nèi)熱交換器，通過兩個熱交換器與塔內(nèi)空氣進行熱交換后，分別接兩個水冷功耗器件，兩個水冷功耗器件輸出匯合后一路通過管路接塔外熱交換器，一路接三通閥，三通閥另兩通，一通接塔外熱交換器出口，一通接循環(huán)栗入口。
[0008]所述兩個塔內(nèi)熱交換器，其中一個塔內(nèi)熱交換器為線圈繞組式熱交換器，另一個塔內(nèi)熱交換器為晶體管式熱交換器，晶體管式熱交換器與連接的水冷功耗器件之間有加熱器。
[0009]所述兩個并聯(lián)的循環(huán)栗采用雙栗冗余配置，互為備份，其中一個栗失效后，另一個栗立即切入，雙栗正常時每隔一定時間切換一次.所述水冷循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)栗進出口各有一個壓力傳感器，測量水冷循環(huán)栗進出口壓力；循環(huán)栗進出口各有一個溫度傳感器，測量水冷循環(huán)栗進出口溫度；兩個水冷功耗器件的出口處各有一個溫度傳感器，兩個水冷功耗器件(1、2)輸出匯合后管路上安裝一個溫度傳感器，塔外熱交換器出口處安裝一個溫度傳感器，兩個塔內(nèi)熱交換器上方安裝一個溫度傳感器和一個濕度傳感器，分別測量兩個風冷功耗器件(23、24)周圍空氣溫、濕度。
[0010]所述大功率海上風力發(fā)電機組塔底冷卻系統(tǒng)的控制方法，包括水冷循環(huán)控制和風冷循環(huán)控制:
水冷循環(huán)控制:
1)當系統(tǒng)測得循環(huán)栗出口溫度低于設定值時，開啟加熱器，提高進入水冷功耗部件的冷卻液溫度，同時三通閥運動至全關(guān)狀態(tài)，塔內(nèi)循環(huán)，將系統(tǒng)散熱能力降至最低；
2)當系統(tǒng)測得栗出口溫度高于設定值時，三通閥運動至全開狀態(tài)，塔外循環(huán)開啟，將系統(tǒng)散熱能力升至最大，此時加熱器處于關(guān)閉狀態(tài)；
3)根據(jù)兩個水冷功耗器件的出口處溫度傳感器，及兩個水冷功耗器件輸出匯合后管路上溫度傳感器的檢測，根據(jù)發(fā)熱量的變化控制三通閥開度，調(diào)節(jié)系統(tǒng)散熱能力；
風冷循環(huán)控制:
A:當塔內(nèi)空氣溫度高于設定值時，系統(tǒng)控制風扇開啟，塔內(nèi)空氣熱量通過兩個塔內(nèi)熱交換器進入水循環(huán)；
B:當塔內(nèi)空氣溫度低于設定值時，系統(tǒng)控制兩個風扇開啟，同時開啟水冷循環(huán)加熱器，并將三通閥調(diào)至全關(guān)狀態(tài)，塔內(nèi)循環(huán)，塔內(nèi)空氣通過兩個塔內(nèi)熱交換器從水循環(huán)吸熱，以保證兩個風冷功耗部件工作在正常溫度范圍內(nèi)；
C:當塔內(nèi)空氣相對濕度高于設定時，系統(tǒng)通過降低三通閥開度或開啟加熱器(5)提升外循環(huán)水溫，然后開啟兩個風扇，通過兩個塔內(nèi)熱交換器對塔內(nèi)空氣進行加熱，以減小塔內(nèi)空氣的相對濕度，降低凝露風險。
[0011]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明大功率海上風力發(fā)電機組塔底冷卻系統(tǒng)及控制方法，該系統(tǒng)能同時對塔底多個液冷部件進行冷卻，并通過系統(tǒng)中塔內(nèi)換熱器配合塔內(nèi)空氣循環(huán)裝置對塔底空氣進行冷卻，然后利用塔底空氣對空冷器件進行散熱，以實現(xiàn)對整個塔底熱環(huán)境的控制；系統(tǒng)通過對三通閥、加熱器及冷卻風扇的耦合控制實現(xiàn)對塔內(nèi)空氣溫濕度精確調(diào)整，維持電子元器件正常工作溫度范圍同時，防止凝露發(fā)生；除塔外散熱器進出水管道外，整個塔底系統(tǒng)與外界環(huán)境完全隔絕，保護塔內(nèi)器件免受鹽霧環(huán)境腐蝕；水冷系統(tǒng)的中主栗及塔外散熱器均采用冗余設計，以提升整套系統(tǒng)可靠性。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明塔底閉式循環(huán)水冷卻系統(tǒng)工作原理圖；
圖2為本發(fā)明塔內(nèi)循環(huán)風路示意圖；
圖3為本發(fā)明系統(tǒng)塔底三層平臺冷卻系統(tǒng)布局圖。
【具體實施方式】
[0013]—種大功率海上風力發(fā)電機組塔底冷卻系統(tǒng)主要由一套水冷循環(huán)及一套密閉式風冷循環(huán)組成，水冷循環(huán)與風冷循環(huán)之間進行集成耦合，對整個塔底熱環(huán)境進行綜合控制。
[0014]如圖1所示為塔底冷卻系統(tǒng)中的水冷循環(huán)原理圖，包括主循環(huán)栗8、9，過濾器7，泄壓閥6，塔內(nèi)熱交換器3、4，加熱器5，功耗器件1、2，三通閥11，塔外熱交換器12，膨脹罐10和管路，其中泄壓閥6、過濾器7、并聯(lián)的兩主循環(huán)栗8、9和膨脹罐10集成于栗站之內(nèi)，熱交換器12位于塔筒外部，由貫穿塔筒的管路20、22與之相連，其余元件全部安裝于塔筒內(nèi)部。主循環(huán)栗8、9為水冷栗，給整個系統(tǒng)提供循環(huán)動力，栗在整個水冷系統(tǒng)中非常關(guān)鍵且容易失效，設計上采用雙栗冗余配置，互為備份，其中一個栗失效后，另一個栗立即切入，雙栗正常時每隔一定時間切換一次，以保證兩個栗壽命基本一致；栗入口管路上連接膨脹罐10，對系統(tǒng)進行壓力補償或緩沖；栗出口管路串接過濾器7過濾冷卻液中雜質(zhì)；栗出口管路上連接有泄壓閥6，對系統(tǒng)起保護作用，當系統(tǒng)壓力超過設定值時，6開啟進行壓力釋放。冷卻液自栗站流出后分為兩路，一路通過管道13進入塔內(nèi)熱交換器3，一路通過管道14進入塔內(nèi)熱交換器4，通過熱交換器3、4與塔內(nèi)空氣進行熱交換；熱交換器3中冷卻液通過管路15進入水冷功耗部件1，與水冷功耗部件I進行熱交換后自管路17流出；熱交換器4中冷卻液通過管路16首先進入加熱器5，然后進入水冷功耗部件2，與水冷功耗部件2進行熱交換后自管路18流出，由于水冷功耗部件2對低溫非常敏感，當流入的冷卻液溫度較低時，需要開啟加熱器5對冷卻液升溫(水冷功耗部件I內(nèi)主要發(fā)熱體為線圈繞組，水冷功耗部件2內(nèi)主要發(fā)熱體為晶體管，因此水冷功耗部件2對低溫非常敏感，要求入口冷卻液溫度必須高于0°C，所以當水冷循環(huán)冷卻液溫度較低時，需要開啟加熱器5對水冷功耗部件2支路冷卻液升溫)；管路17、18中冷卻液合流進入管路19，管路19流出后分為兩路管路20、21，管路21直接與三通閥11連接，三通閥11處于全開狀態(tài)下，管路22與三通閥連通，管路21與三通閥的連接切斷，冷卻液通過管路20流向塔外熱交換器12，從塔外熱交換器12流出后經(jīng)管路22匯入三通閥11，最后由三通閥11流回栗站，形成循環(huán)；三通閥11處于全關(guān)狀態(tài)時，管路21與三通閥連通，管路22與三通閥的連接切斷，冷卻液直接通過管路21流向三通閥，最后流回栗站。塔外熱交換器12，管路20、22稱為外旁路，其中塔外熱交換器12位于塔筒外部，管路20、22貫穿塔筒，外旁路將系統(tǒng)熱量帶出塔外，然后通過塔外熱交換器12將熱量傳遞給外界環(huán)境；外旁路冷卻液流量通過三通閥11調(diào)節(jié)實現(xiàn)，三通閥全開，冷卻液全部流入外旁路，此時系統(tǒng)散熱能力最強，三通閥全關(guān)，流入外旁路冷卻液流量為0，系統(tǒng)散熱能力最弱。
[0015]如圖2所示為塔底冷卻系統(tǒng)中的塔內(nèi)循環(huán)風路圖，主要由塔內(nèi)熱交換器3、4，通風管32、27，風扇31、33，功耗器件23、24構(gòu)成，熱交換器3、4分別位于通風管32、27底部，其中功耗器件23、24為風冷型，功耗器件23、24位于兩個通風管32、27中間，直接與塔內(nèi)空氣進行換熱，風扇31、33分別安裝在塔內(nèi)熱交換器3、4下方，所有器件均密閉于塔筒內(nèi)部，避免受到外界海上鹽霧環(huán)境侵蝕。塔內(nèi)部空氣經(jīng)塔內(nèi)底部風扇31、33驅(qū)動，由塔內(nèi)熱交換器