一種大功率海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔底冷卻系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著陸上風(fēng)資源開發(fā)日趨飽和，海上風(fēng)電正逐漸成為各國風(fēng)資源開發(fā)的重點(diǎn)。與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電具有風(fēng)資源穩(wěn)定、不占地、并網(wǎng)條件好等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也面臨成本高、維護(hù)難、環(huán)境條件惡劣等挑戰(zhàn)。
[0003]為降低海上風(fēng)電單位千瓦投資成本，提升單機(jī)功率已經(jīng)成為各大風(fēng)機(jī)制造商的一致技術(shù)路線，目前我國批量投產(chǎn)海上風(fēng)機(jī)主力機(jī)型單機(jī)功率集中在3~4Mff左右，提升單機(jī)功率會(huì)使各子部件容量增大，發(fā)熱量增多，增加整機(jī)散熱難度。海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔底需要冷卻部件較多，對(duì)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(duì)多部件散熱，傳統(tǒng)分散式冷卻方式不僅成本高，且故障點(diǎn)多，這種弊端在海上機(jī)型尤為突出。為降低塔外平臺(tái)建造成本，部分廠家在海上機(jī)型設(shè)計(jì)時(shí)將主變壓器置于塔筒內(nèi)部，并對(duì)塔筒進(jìn)行密封設(shè)計(jì)以保護(hù)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(dǎo)致電子元件短路是一種常見的失效模式，針對(duì)該問題，一般方法為安裝抽濕機(jī)對(duì)塔內(nèi)環(huán)境濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，但這種方式會(huì)額外增加成本。另外，海上風(fēng)機(jī)維護(hù)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(shè)計(jì)一套集成化冷卻系統(tǒng)，對(duì)塔內(nèi)所有液冷、風(fēng)冷部件進(jìn)行散熱，同時(shí)精確調(diào)節(jié)塔內(nèi)空氣溫度、濕度及整個(gè)塔底熱環(huán)境，具有重大實(shí)際意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是針對(duì)大功率海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)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(duì)整個(gè)塔底熱環(huán)境進(jìn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔底冷卻系統(tǒng)，包括水冷循環(huán)系統(tǒng)和風(fēng)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(tái)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(gè)水冷功耗部件分別位于底層和最高層隔板上，兩個(gè)塔內(nèi)熱交換器嵌于塔筒兩側(cè)的兩個(gè)通風(fēng)管底端，塔內(nèi)熱交換器高度同中間一層的平臺(tái)隔板，兩個(gè)通風(fēng)管貫穿中間層和最高兩層平臺(tái)隔板，兩個(gè)風(fēng)冷功耗器件位于中間層平臺(tái)隔板上，并位于兩個(gè)通風(fēng)管中間，兩個(gè)塔內(nèi)熱交換器下部各帶一風(fēng)扇，塔內(nèi)空氣由兩風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)通風(fēng)管內(nèi)空氣通過兩個(gè)塔內(nèi)熱交換器中流出，通過中間層平臺(tái)隔板上的通風(fēng)孔吹向風(fēng)冷功耗器件，然后通過最高平臺(tái)隔板上的通風(fēng)孔流入第三層平臺(tái)，最后由負(fù)壓吸入回兩個(gè)通風(fēng)管之內(nèi)，形成完整的循環(huán)風(fēng)路，兩個(gè)塔內(nèi)熱交換器中的冷卻液與塔外熱交換器進(jìn)行冷熱交換，塔內(nèi)風(fēng)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(gè)并聯(lián)的循環(huán)栗，過濾器，泄壓閥，兩個(gè)塔內(nèi)熱交換器，兩個(gè)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(jìn)入兩個(gè)塔內(nèi)熱交換器，通過兩個(gè)熱交換器與塔內(nèi)空氣進(jìn)行熱交換后，分別接兩個(gè)水冷功耗器件，兩個(gè)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(gè)塔內(nèi)熱交換器，其中一個(gè)塔內(nèi)熱交換器為線圈繞組式熱交換器，另一個(gè)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(gè)并聯(lián)的循環(huán)栗采用雙栗冗余配置，互為備份，其中一個(gè)栗失效后，另一個(gè)栗立即切入，雙栗正常時(shí)每隔一定時(shí)間切換一次.所述水冷循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)栗進(jìn)出口各有一個(gè)壓力傳感器，測(cè)量水冷循環(huán)栗進(jìn)出口壓力；循環(huán)栗進(jìn)出口各有一個(gè)溫度傳感器，測(cè)量水冷循環(huán)栗進(jìn)出口溫度；兩個(gè)水冷功耗器件的出口處各有一個(gè)溫度傳感器，兩個(gè)水冷功耗器件(1、2)輸出匯合后管路上安裝一個(gè)溫度傳感器，塔外熱交換器出口處安裝一個(gè)溫度傳感器，兩個(gè)塔內(nèi)熱交換器上方安裝一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)濕度傳感器，分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)風(fēng)冷功耗器件(23、24)周圍空氣溫、濕度。
[0010]所述大功率海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔底冷卻系統(tǒng)的控制方法，包括水冷循環(huán)控制和風(fēng)冷循環(huán)控制:
水冷循環(huán)控制:
1)當(dāng)系統(tǒng)測(cè)得循環(huán)栗出口溫度低于設(shè)定值時(shí)，開啟加熱器，提高進(jìn)入水冷功耗部件的冷卻液溫度，同時(shí)三通閥運(yùn)動(dòng)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(dāng)系統(tǒng)測(cè)得栗出口溫度高于設(shè)定值時(shí)，三通閥運(yùn)動(dòng)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(shí)加熱器處于關(guān)閉狀態(tài)；
3)根據(jù)兩個(gè)水冷功耗器件的出口處溫度傳感器，及兩個(gè)水冷功耗器件輸出匯合后管路上溫度傳感器的檢測(cè)，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(fēng)冷循環(huán)控制:
A:當(dāng)塔內(nèi)空氣溫度高于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)控制風(fēng)扇開啟，塔內(nèi)空氣熱量通過兩個(gè)塔內(nèi)熱交換器進(jìn)入水循環(huán)；
B:當(dāng)塔內(nèi)空氣溫度低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)控制兩個(gè)風(fēng)扇開啟，同時(shí)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(gè)塔內(nèi)熱交換器從水循環(huán)吸熱，以保證兩個(gè)風(fēng)冷功耗部件工作在正常溫度范圍內(nèi)；
C:當(dāng)塔內(nèi)空氣相對(duì)濕度高于設(shè)定時(shí)，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(gè)風(fēng)扇，通過兩個(gè)塔內(nèi)熱交換器對(duì)塔內(nèi)空氣進(jìn)行加熱，以減小塔內(nèi)空氣的相對(duì)濕度，降低凝露風(fēng)險(xiǎn)。
[0011]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明大功率海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔底冷卻系統(tǒng)及控制方法，該系統(tǒng)能同時(shí)對(duì)塔底多個(gè)液冷部件進(jìn)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(duì)塔底空氣進(jìn)行冷卻，然后利用塔底空氣對(duì)空冷器件進(jìn)行散熱，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)塔底熱環(huán)境的控制；系統(tǒng)通過對(duì)三通閥、加熱器及冷卻風(fēng)扇的耦合控制實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)，防止凝露發(fā)生；除塔外散熱器進(jìn)出水管道外，整個(gè)塔底系統(tǒng)與外界環(huán)境完全隔絕，保護(hù)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(shè)計(jì)，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(fēng)路示意圖；
圖3為本發(fā)明系統(tǒng)塔底三層平臺(tái)冷卻系統(tǒng)布局圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]—種大功率海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)冷循環(huán)組成，水冷循環(huán)與風(fēng)冷循環(huán)之間進(jìn)行集成耦合，對(duì)整個(gè)塔底熱環(huán)境進(jìn)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(gè)系統(tǒng)提供循環(huán)動(dòng)力，栗在整個(gè)水冷系統(tǒng)中非常關(guān)鍵且容易失效，設(shè)計(jì)上采用雙栗冗余配置，互為備份，其中一個(gè)栗失效后，另一個(gè)栗立即切入，雙栗正常時(shí)每隔一定時(shí)間切換一次，以保證兩個(gè)栗壽命基本一致；栗入口管路上連接膨脹罐10，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行壓力補(bǔ)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(duì)系統(tǒng)起保護(hù)作用，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過設(shè)定值時(shí)，6開啟進(jìn)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(jìn)入塔內(nèi)熱交換器3，一路通過管道14進(jìn)入塔內(nèi)熱交換器4，通過熱交換器3、4與塔內(nèi)空氣進(jìn)行熱交換；熱交換器3中冷卻液通過管路15進(jìn)入水冷功耗部件1，與水冷功耗部件I進(jìn)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(jìn)入加熱器5，然后進(jìn)入水冷功耗部件2，與水冷功耗部件2進(jìn)行熱交換后自管路18流出，由于水冷功耗部件2對(duì)低溫非常敏感，當(dāng)流入的冷卻液溫度較低時(shí)，需要開啟加熱器5對(duì)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(duì)低溫非常敏感，要求入口冷卻液溫度必須高于0°C，所以當(dāng)水冷循環(huán)冷卻液溫度較低時(shí)，需要開啟加熱器5對(duì)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(jìn)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(shí)，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(shí)現(xiàn)，三通閥全開，冷卻液全部流入外旁路，此時(shí)系統(tǒng)散熱能力最強(qiáng)，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(fēng)路圖，主要由塔內(nèi)熱交換器3、4，通風(fēng)管32、27，風(fēng)扇31、33，功耗器件23、24構(gòu)成，熱交換器3、4分別位于通風(fēng)管32、27底部，其中功耗器件23、24為風(fēng)冷型，功耗器件23、24位于兩個(gè)通風(fēng)管32、27中間，直接與塔內(nèi)空氣進(jìn)行換熱，風(fēng)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(fēng)扇31、33驅(qū)動(dòng)，由塔內(nèi)熱交換器