大功率海上風(fēng)電中壓變頻器水冷裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蒙元楷，洪春鳳，李志道，劉建偉，羅毅強(qiáng)

(廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司，廣東 廣州 510663)

隨著人類社會的不斷發(fā)展，對能源的需求與日俱增。在中國，對以化石能源為代表的一次能源和以電能為代表的二次能源的消耗不斷創(chuàng)出新高。傳統(tǒng)化石能源(在中國主要為煤炭)作為發(fā)電燃料時(shí)，不僅污染大，與構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展社會的理念不符，且是對這類珍貴的工業(yè)原料的浪費(fèi)。尋找更清潔的發(fā)電能源用于替代穿透活力發(fā)電，早早就成為了國家基礎(chǔ)投資的新方向。

風(fēng)能作為一種利用歷史悠久的能源，用作發(fā)電的形式起步很早。經(jīng)過多年的開發(fā)，從“三北地區(qū)”到沿海風(fēng)區(qū)到南方低速風(fēng)區(qū)，中國陸上風(fēng)電的開發(fā)潛能已接近瓶頸。風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)向?yàn)┩康貐^(qū)、近海、深海發(fā)展已成為必然的趨勢。

圖1 本實(shí)例設(shè)備外形圖

目前國內(nèi)主流的風(fēng)力發(fā)電整機(jī)提供商，其主流海上機(jī)型單臺裝機(jī)容量已達(dá)到了5 MW，現(xiàn)在也正在向10 MW以上邁進(jìn)。變流(頻)器作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心部件之一，隨著裝機(jī)容量的上升，其散熱需要也水漲船高。采用液冷冷卻方式已是大功率機(jī)組的必然選擇。本文通過對某大功率海上中壓變頻器配套水冷設(shè)備的設(shè)計(jì)說明，談幾點(diǎn)海上風(fēng)電設(shè)備的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 九折柜式裝置

大功率變頻器占地較大，為了加強(qiáng)系統(tǒng)的集成、模塊化，可以采用將水冷裝置與變流柜并柜，這樣既可加強(qiáng)機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模塊化，亦可為電氣元器件的集成提供很好的連接模式。為了并柜后外形的統(tǒng)一、美觀，本實(shí)例水冷裝置柜和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變頻器柜都使用了九折柜。

九折柜指的是框架采用標(biāo)準(zhǔn)九折型材制作而成的柜子，而“九折型材”，指的采用了“九折工藝”制作而成的標(biāo)準(zhǔn)型材。而“九折工藝”，指的是鋼板到型材的過程中，總共加工了九次，即有九道折彎工序(圖2)。九折型材為德國RITTAL公司首創(chuàng)，九折彎是幾何學(xué)在工業(yè)制造的鮮活應(yīng)用，為承重型柜體的骨架提供了既廉價(jià)又實(shí)用的技術(shù)方案。

經(jīng)過多年的發(fā)展，九折柜的拓展性不斷豐富，已廣泛應(yīng)用于工控等領(lǐng)域。由于九折柜結(jié)構(gòu)的特性，若要求兩個(gè)或多個(gè)九折柜并柜時(shí)，只能采取左右并柜的形式。

本例裝置采用九折柜作為外框，裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須結(jié)合九折柜結(jié)構(gòu)和尺寸的特點(diǎn)，如：

(1)九折柜采用的是“25模數(shù)”，兩個(gè)型材安裝孔之間的距離是25 mm而不會是其他任意值。

(2)確定好長、寬、深尺寸的九折柜，其安裝孔位置、長深高三個(gè)方向的可用空間等都值都是固定下來的。本實(shí)例中柜體的外形尺寸為：800 mm(W)×1450 mm(D)×2100 mm(H)；則此柜體的對外安裝孔尺寸為735 mm×1375 mm，可用空間為712 mm(W)×1352 mm(D)×2012 mm(H)。

(3)九折柜具有強(qiáng)大的拓展性，需要對九折柜的配套件有一定的了解，如側(cè)邊拓展使用的73 mm×23 mmPS沖孔型材(有帶法蘭和不帶法蘭之分)、裝置固定在九折柜上的嵌入式螺母等。

圖2 九折型材的折彎成形過程

圖3 九折型材“死邊”區(qū)域

2 嚴(yán)酷的防腐要求

海上風(fēng)電產(chǎn)品對鹽霧防腐的要求極為苛刻，按ISO12944-2的環(huán)境分類，海上風(fēng)電外部件的防腐等級要求要達(dá)到CX-H。綜合考慮系統(tǒng)可靠性、成本等因素，一般海上風(fēng)電生產(chǎn)廠家要求塔(筒)外設(shè)備的防腐等級要達(dá)到CX-H，塔(筒)內(nèi)設(shè)備防腐等級要達(dá)到C4-H，(位于塔筒內(nèi)的密封)柜內(nèi)，防腐等級要達(dá)到C3-H。本例裝置位于九折柜內(nèi)，整體防腐要求達(dá)到C3-H即可，九折柜位于塔筒內(nèi)，要求防腐等級為C4-H。

按照ISO12944-5的涂料體系，普通鋼材表面涂層厚度達(dá)到240 μm以上可滿足C4-H防腐要求。但是由于九折型材成形的特殊性，有多處采用“拍死邊”工藝形成的“死邊”(圖3)，涂料是無法進(jìn)入。若還是使用普通材料制作柜體，“死邊”處會留下一定的隱患。故而本例設(shè)備的九折柜，型材基材材質(zhì)選用的是不銹鋼。

3 可靠的性能保證

海上風(fēng)電設(shè)備由于維護(hù)性差，對設(shè)備的可靠性要求很高。本例中，柜體深度達(dá)到了1450 mm，由于深度較大，考慮到強(qiáng)度要求，九折柜柜體框架中部需要增加必要的加強(qiáng)筋，九折型材的連接處，也需要增加必要的加強(qiáng)連接件(圖4)。

圖4 九折型材連接處加強(qiáng)件及安裝示意

在本例裝置中，水冷自帶的控制元件與其他設(shè)備都位于同一個(gè)柜內(nèi)。為了設(shè)備能夠安全可靠的運(yùn)行，做好“水電隔離”是需要著重考慮的。

如圖5為本例裝置水電隔離的實(shí)現(xiàn)說明：電氣安裝板用于放置各類電氣元件(控制用的PLC、相應(yīng)的斷路器、接觸器等)；電氣隔離板用以隔離電氣安裝板背部、頂部可能影響到電氣元件的液體、雜質(zhì)進(jìn)入；柜體中隔板不僅可用于外部進(jìn)出線，配合IP56的電纜夾緊接頭、通風(fēng)濾網(wǎng)，可以隔離電氣安裝板底部可能影響到電氣元件的液體、雜質(zhì)進(jìn)入。

圖5 “三大板”的安裝示意圖

4 良好的人機(jī)交互

作為一款優(yōu)秀的工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，良好的人機(jī)交互是非常必要的，對于本設(shè)備來說，主要的人機(jī)交互點(diǎn)在于操作的便利性和維護(hù)性。

需要操作、維護(hù)的點(diǎn)有：電氣元件(例如斷路器、PLC)的操作，流量閥門的調(diào)整、水泵運(yùn)行狀態(tài)的常規(guī)檢查、設(shè)備排氣閥的操作、過濾器的清洗、離子交換混床樹脂的更換、氣囊式穩(wěn)壓罐的維護(hù)等。

本裝置與大功率變流器并柜連接，只有三個(gè)面作為維護(hù)面：前門，后門及可拆卸的右側(cè)極(圖6)。

圖6 裝置可用維護(hù)面

由于設(shè)備空間有限，綜合考慮設(shè)備的性能、零件的使用、維護(hù)周期等因素，將電氣元器件、流量閥門、水泵、過濾器、設(shè)備排氣閥等常用元件置于前后門處(圖7、8)。

對于離子交換混床、氣囊式穩(wěn)壓罐等，其維護(hù)檢修周期較長(≥180天)。將這類零部件置于裝置的側(cè)面，檢修維護(hù)時(shí)需要拆除柜體側(cè)板(圖9)。對檢修維護(hù)來說，半年或者一年一次的檢修，屬于年度大檢，只有在大檢時(shí)才需要拆除側(cè)板(且九折柜的側(cè)板拆裝比較容易)。

圖7 電氣元件與水泵置于裝置前門

圖8 流量調(diào)節(jié)閥門與過濾器位于裝置后面

圖9 離子交換混床和氣囊式穩(wěn)壓罐位于裝置側(cè)面

5 小結(jié)

隨著大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組逐漸成為裝機(jī)主流，關(guān)鍵設(shè)備的冷卻采用液冷冷卻已成為必然趨勢。對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變頻(流)器，并柜式的液冷設(shè)備，具有換熱效率高、成本較低、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，越來越為眾多廠家所青睞。

本文通過對項(xiàng)目實(shí)例的分析，總結(jié)了幾項(xiàng)并柜式變頻器水冷設(shè)備的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。希望本文能對九折并柜式設(shè)備的設(shè)計(jì)提供一定的幫助。