專利名稱：大功率風力發(fā)電機機艙熱量節(jié)能調節(jié)系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種熱量調配系統，尤其是一種能確保風力發(fā)電機安全高效運行的兆
瓦級風力發(fā)電機機艙熱量節(jié)能調節(jié)系統，屬風力發(fā)電機技術領域。
背景技術：
自從20世紀80年代現代并網風力發(fā)電機組問世以來，隨著風力機空氣動力學、計 算機技術、控制技術、發(fā)電機技術和新材料的發(fā)展，風力發(fā)電技術的發(fā)展非常迅速，單機容 量從最初的數十千瓦級發(fā)展到現在的兆瓦級。在單機容量增大的同時，風力發(fā)電機的散熱 量也相應增大。在兆瓦級機組運行過程中很多部件都會產生熱量，其中主要散熱部件為齒 輪箱、發(fā)電機和控制變頻器。 若溫度上升過高，會引起齒輪箱潤滑油的性能變化，粘度降低、老化變質加快，換 油周期變短。在負荷壓力作用下，若潤滑油膜遭到破壞而失去潤滑作用，會導致齒輪嚙合齒 面或軸承表面損傷，最終造成設備事故。由此造成的停機損失和修理費用都是十分可觀的。
發(fā)電機在工作過程中也會產生大量的熱，目前提高單機容量的主要措施是增加線 負荷，但增加線負荷的同時會增加線棒銅損，線圈的溫度將增加，絕緣老化加劇，最終可能 達到無法容許的程度。 控制變頻器包括對系統運行進行實時監(jiān)控的控制設備以及對發(fā)電機轉子繞組輸
入電流與發(fā)電機輸出電流進行變頻處理的變頻設備，隨著風力發(fā)電機的發(fā)展，系統的輔助
及控制裝置越來越多，控制變頻器所承擔的任務也因此越來越復雜，產生的熱量越來越大，
為了保護風力發(fā)電機系統各部件長期穩(wěn)定運行，需要及時對其進行冷卻處理。 除齒輪箱、電機和控制變頻器外，機艙內還有很多部件都會產生熱量，這些發(fā)熱部
件也會引起機艙內溫度升高，從而威脅到各零部件和電子器件的正常運行。 因此，控制齒輪箱、電機、控制變頻器和機艙的溫升是保證風力發(fā)電機持久可靠運
行的必要條件。對于麗級的風力發(fā)電機系統而言，其齒輪箱與發(fā)電機的發(fā)熱量較大，自然
通風已經無法滿足機組的冷卻需求，故通常需采用液冷方式或采用對發(fā)電機和控制變頻器
進行液冷與對齒輪箱潤滑油進行強制空冷相結合的冷卻方式。這些冷卻裝置采用液體循環(huán)
介質對齒輪箱、發(fā)電機定子繞組和控制變頻器進行冷卻，循環(huán)系統內部熱量在機艙外部的
普通散熱器進行散熱。由于風力發(fā)電場中采用大風輪面積的風力機比小的更加經濟，因而
風力機的容量不斷增加。單機容量的增大將會導致風力發(fā)電機內部的齒輪箱、發(fā)電機及控
制變頻器等部件產生更多的熱量。可以預見，目前對這些部件采用的冷卻方式將難以滿足
下一代大容量風力發(fā)電機的冷卻需求。 在北方冬季氣溫長期處于ot:以下，加之風電場往往建在海拔高的地區(qū)，齒輪箱潤
滑油會因粘度變低而無法飛濺到高速軸軸承上進行潤滑，造成高速軸軸承損壞。許多冷脆 性材料和電子元件在低溫下不能正常工作。為提高風電機對低溫的適應性，還需要額外的 熱源，即在機艙內部裝設加熱器。傳統的加熱器一般采用"加熱電阻+風扇"的方式，加熱 器功率高、耗電量大，降低了整個風力發(fā)電機的效率。
此外，現有大功率風力發(fā)電機的冷卻系統與加熱系統彼此獨立，不能進行統一調 配，有時二者同時工作，一方面冷卻系統將齒輪箱、電機、控制變頻器產生的熱量散發(fā)到機 艙外，另一方面加熱系統消耗電能為機艙加熱，造成能量的浪費。 綜上所述，現有大功率風力發(fā)電機的冷卻系統難以滿足下一代大容量風力發(fā)電機 的冷卻需求，而且加熱系統能耗高，冷卻系統與加熱系統缺乏統一調配與控制，不能確保風 力發(fā)電機安全高效運行，因此有必要對目前采用的冷卻和加熱方式進行優(yōu)化和改進。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現有技術的不足、提供一種能確保風力發(fā)電機安全高效運
行的大功率風力發(fā)電機機艙熱量節(jié)能調節(jié)系統。 本發(fā)明所述問題是以下述技術方案實現的 —種大功率風力發(fā)電機機艙熱量節(jié)能調節(jié)系統，由制冷循環(huán)系統和液冷循環(huán)系統 組成，所述制冷循環(huán)系統位于發(fā)電機機艙外部，是由壓縮機、冷凝器、主電磁膨脹閥和蒸發(fā) 器構成的制冷劑閉合回路，所述液冷循環(huán)系統由變頻控制柜、發(fā)電機、齒輪箱、蒸發(fā)器和循 環(huán)泵構成，變頻控制柜、發(fā)電機和齒輪箱并接在一起后再與蒸發(fā)器和循環(huán)泵接成載冷劑閉 合回路，所述蒸發(fā)器由套裝在一起的內管和外管構成，所述內管接于制冷循環(huán)系統中，內管 和外管之間的空腔接于液冷循環(huán)系統中。 上述大功率風力發(fā)電機機艙熱量節(jié)能調節(jié)系統，所述液冷循環(huán)系統中還串接有帶 并聯管路的加熱換熱器，所述加熱換熱器位于變頻控制柜、發(fā)電機和齒輪箱的載冷劑出口 端，在加熱換熱器端部及其并聯管路上均設置有電動二通閥。 上述大功率風力發(fā)電機機艙熱量節(jié)能調節(jié)系統，構成中還包括設置在發(fā)電機機艙
內的雙向換熱器，所述雙向換熱器的一端經兩條制冷劑管分別與壓縮機的高低壓接口連
接，另一端接主電磁膨脹閥的高壓端并經副電磁膨脹閥接冷凝器的出口端，壓縮機與冷凝
器之間、冷凝器與主電磁膨脹閥之間、雙向換熱器與主電磁膨脹閥之間、冷凝器與副電磁膨
脹閥之間、雙向換熱器與壓縮機的高低壓接口之間均設置有電動二通閥。 上述大功率風力發(fā)電機機艙熱量節(jié)能調節(jié)系統，所述蒸發(fā)器的外管的外表面設置
有翅片。 上述大功率風力發(fā)電機機艙熱量節(jié)能調節(jié)系統，所述加熱換熱器為翅片管式換熱 器。 本發(fā)明將制冷循環(huán)系統與液冷循環(huán)系統相結合，可在不增加風力發(fā)電機體積和重 量的前提下滿足大功率風力發(fā)電機不斷提高的散熱要求。制冷循環(huán)系統能夠根據機艙外自 然環(huán)境變化和機艙內各部件運行情況選擇最優(yōu)運行方式，通過雙向換熱器自動對艙內空氣 進行加熱或冷卻。液冷循環(huán)系統中的加熱換熱器可以利用機艙內部件散發(fā)的熱量來加熱機 艙內空氣，減少加熱耗電量。艙外環(huán)境符合條件時，液冷循環(huán)系統還可以通過蒸發(fā)器外管上 的翅片將發(fā)電機、齒輪箱和變頻控制柜的熱量散發(fā)到空氣中，實現節(jié)能運行。本發(fā)明將制冷 與加熱裝置有機地結合在一起，具有冷卻能力強，制冷和加熱能耗低等特點，能夠確保大功 率風力發(fā)電機安全高效地運行。
下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
圖1是本發(fā)明系統示意圖；
圖2是蒸發(fā)器截面圖。 圖中各標號為1、壓縮機；2、冷凝器；3、蒸發(fā)器；4、雙向換熱器；5、加熱換熱器； 6、變頻控制柜；7、循環(huán)泵；8、發(fā)電機；9、齒輪箱；10、風輪葉片；11 21、電動二通閥；22、副 電磁膨脹閥；23、主電磁膨脹閥；24、翅片；25、外管；26、內管。
具體實施例方式
本發(fā)明對風力發(fā)電機機艙及發(fā)電機8 、齒輪箱9和變頻控制柜6采用基于制冷循環(huán) 的冷卻與加熱綜合調配方法，能夠根據艙外自然環(huán)境變化與艙內部件運行情況自動選擇最 優(yōu)運行方式，最大限度利用自然空氣冷卻與部件散熱，實現風力發(fā)電機組節(jié)能、高效、安全 穩(wěn)定運行。 參看圖1 ，本發(fā)明包括由壓縮機1 、冷凝器2 、蒸發(fā)器3 、雙向換熱器4 、副電磁膨脹閥 22、主電磁膨脹閥23組成的制冷系統和由蒸發(fā)器3、加熱換熱器5、變頻控制柜6、載冷劑循 環(huán)泵7、發(fā)電機8和齒輪箱9組成的載冷劑系統。其中蒸發(fā)器3是兩個系統相結合的部件， 實現熱量由載冷劑液冷循環(huán)系統向制冷循環(huán)制冷系統的轉移。 參看圖1、圖2，當環(huán)境溫度比較高，機艙內空氣溫度超過設定范圍，發(fā)電機8、齒輪 箱9和變頻控制柜6放熱量比較大時，制冷工質被壓縮機1壓縮成高溫高壓氣態(tài)進入冷凝 器2，在冷凝器2內被機艙外空氣冷卻成高溫高壓液態(tài)后分成兩路，一路經電動二通閥21、 主電磁膨脹閥23膨脹變成低溫低壓汽液兩相物質，再進入蒸發(fā)器3內管26，在內管26內吸 收內管26與外管25之間流動的載冷劑放出的熱量，轉變成為低溫低壓氣態(tài)；另一路經電動 二通閥15后進入副電磁膨脹閥22膨脹，變成低溫低壓汽液兩相物質進入雙向換熱器4，吸 收機艙內空氣熱量成為低溫低壓氣態(tài)后與蒸發(fā)器3出來的制冷工質匯合后被吸入壓縮機 1，此工況下電動二通閥11、14、15、21打開，12、13關閉。載冷劑經載冷劑循環(huán)泵7升壓后分 別進入變頻控制柜6、發(fā)電機8和齒輪箱9相應的換熱裝置，吸熱溫度升高后經電動二通閥 18進入蒸發(fā)器3，載冷劑在蒸發(fā)器3內管26與外管25間流動， 一面通過內管壁面放熱給內 管26內流動的制冷工質，另一方面通過外管壁面的翅片24散熱給機艙外空氣，從而部分降 低了制冷負荷，達到節(jié)能目的。此工況下電動二通閥16、17關閉，18、19、20打開。
仍參看圖1、圖2，隨著環(huán)境溫度降低，發(fā)電機8、齒輪箱9和變頻控制柜6放出的熱 量通過蒸發(fā)器3外管25外表面的翅片24傳給機艙外空氣的量逐漸增大，這時根據蒸發(fā)器 3載冷劑出口的溫度調節(jié)壓縮機1的排氣量，環(huán)境溫度逐漸降低，制冷負荷逐漸縮小。環(huán)境 溫度降低，機艙內空氣溫度也會降低，當機艙內空氣溫度降至設定范圍之內不需要冷卻時， 雙向換熱器4停止工作。 仍參看圖1，隨著環(huán)境溫度繼續(xù)降低，發(fā)電機8、齒輪箱9和變頻控制柜6放出的熱 量完全可以通過蒸發(fā)器3外表面翅片24傳給機艙外空氣，機艙內空氣也不再需要冷卻，這 時制冷機停運，如果蒸發(fā)器3載冷劑出口溫度低于一定溫度，則降低載冷劑循環(huán)泵7轉速。 此工況下如果機艙內溫度低于設定溫度范圍，則電動二通閥16、17打開，18關閉，這時吸熱 后的載冷劑進入翅片管式加熱換熱器5加熱機艙內空氣。
5
仍參看圖1，當環(huán)境溫度非常低時，如果通過翅片管式加熱換熱器5仍不能機艙內 溫度加熱到設定范圍之內，則啟動壓縮機1按熱泵循環(huán)運行，電動二通閥11、14、15、21關 閉，電動二通閥12、 13打開，制冷工質被壓縮機1壓縮成高溫高壓氣態(tài)經電動二通閥12進 入雙向換熱器4加熱機艙內空氣，制冷工質被冷卻成高溫高壓液態(tài)后經電動二通閥13后進 入主電磁膨脹閥23膨脹變成低溫低壓汽液兩相進入蒸發(fā)器3內管26內吸收在內管26與 外管25之間流動的載冷劑放熱成為低溫低壓氣態(tài)，然后被吸入壓縮機1。實現用發(fā)電機8、 齒輪箱9和變頻控制柜6放出熱量來加熱機艙內空氣。 本發(fā)明可以在環(huán)境溫度較高狀態(tài)下滿足大散熱量要求，保證機組安全高效運行， 環(huán)境溫度較低需要加熱時，能夠最大限度利用機艙內各部件散熱，與傳統電加熱方式相比 可以節(jié)約大量電能，當環(huán)境溫度極低時，能夠消耗較少電量將機組加熱至運行溫度。整套系 統結構緊湊，自動化程度高，能夠對機艙各部件的冷卻與加熱綜合調配。
權利要求
一種大功率風力發(fā)電機機艙熱量節(jié)能調節(jié)系統，其特征是，它由制冷循環(huán)系統和液冷循環(huán)系統組成，所述制冷循環(huán)系統位于發(fā)電機機艙外部，是由壓縮機(1)、冷凝器(2)、主電磁膨脹閥(23)和蒸發(fā)器(3)構成的制冷劑閉合回路，所述液冷循環(huán)系統由變頻控制柜(6)、發(fā)電機(8)、齒輪箱(9)、蒸發(fā)器(3)和循環(huán)泵(7)構成，變頻控制柜(6)、發(fā)電機(8)和齒輪箱(9)并接在一起后再與蒸發(fā)器(3)和循環(huán)泵(7)接成載冷劑閉合回路，所述蒸發(fā)器(3)由套裝在一起的內管(26)和外管(25)構成，所述內管(26)接于制冷循環(huán)系統中，內管(26)和外管(25)之間的空腔接于液冷循環(huán)系統中。
2. 根據權利要求1所述大功率風力發(fā)電機機艙熱量節(jié)能調節(jié)系統，其特征是，所述液 冷循環(huán)系統中還串接有帶并聯管路的加熱換熱器(5)，所述加熱換熱器(5)位于變頻控制柜(6)、發(fā)電機(8)和齒輪箱(9)的載冷劑出口端，在加熱換熱器(5)端部及其并聯管路上均設置有電動二通閥。
3. 根據權利要求1或2所述大功率風力發(fā)電機機艙熱量節(jié)能調節(jié)系統，其特征是，構成中還包括設置在發(fā)電機機艙內的雙向換熱器(4)，所述雙向換熱器(4)的一端經兩條制冷劑管分別與壓縮機(1)的高低壓接口連接，另一端接主電磁膨脹閥(23)的高壓端并經副電磁膨脹閥(22)接冷凝器(2)的出口端，壓縮機(1)與冷凝器(2)之間、冷凝器(2)與主電磁膨脹閥(23)之間、雙向換熱器(4)與主電磁膨脹閥(23)之間、冷凝器(2)與副電磁膨脹閥(22)之間、雙向換熱器(4)與壓縮機(1)的高低壓接口之間均設置有電動二通閥。
4. 根據權利要求3所述大功率風力發(fā)電機機艙熱量節(jié)能調節(jié)系統，其特征是，所述蒸發(fā)器(3)的外管(25)的外表面設置有翅片(24)。
5. 根據權利要求4所述大功率風力發(fā)電機機艙熱量節(jié)能調節(jié)系統，其特征是，所述加熱換熱器(5)為翅片管式換熱器。
全文摘要
一種大功率風力發(fā)電機機艙熱量節(jié)能調節(jié)系統，用于解決風力發(fā)電機的熱量調節(jié)問題。其技術方案是它由制冷循環(huán)系統和液冷循環(huán)系統組成，所述制冷循環(huán)系統位于發(fā)電機機艙外部，是由壓縮機、冷凝器、主電磁膨脹閥和蒸發(fā)器構成的制冷劑閉合回路，所述液冷循環(huán)系統由變頻控制柜、發(fā)電機、齒輪箱、蒸發(fā)器和循環(huán)泵構成，變頻控制柜、發(fā)電機和齒輪箱并接在一起后再與蒸發(fā)器和循環(huán)泵接成載冷劑閉合回路，所述蒸發(fā)器由套裝在一起的內管和外管構成，所述內管接于制冷循環(huán)系統中，內管和外管之間的空腔接于液冷循環(huán)系統中。本發(fā)明將制冷與加熱裝置有機地結合在一起，冷卻能力強，制冷與加熱能耗低，能夠確保大功率風力發(fā)電機安全高效地運行。
文檔編號F03D11/00GK101705921SQ200910175300
公開日2010年5月12日 申請日期2009年12月1日 優(yōu)先權日2009年12月1日
發(fā)明者楊先亮, 范忠瑤, 論立勇, 謝英柏 申請人:華北電力大學(保定)