1.5MW風(fēng)電機(jī)組塔筒通風(fēng)散熱系統(tǒng)研究及改造探析

吳小鋒

（國能思達(dá)科技有限公司，北京 100089）

1 背景介紹

近些年，風(fēng)電行業(yè)發(fā)展飛快，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量越來越大，1.5MW雙饋機(jī)型作為早期服役的主力，設(shè)備運(yùn)行年限大多已經(jīng)超過10年，隨著機(jī)組服役年限的增加，各個(gè)部件逐漸老化，運(yùn)行效率下降，機(jī)組損耗增加發(fā)熱量自然隨之增加。早期機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)為適應(yīng)北方寒冷天氣機(jī)組考慮嚴(yán)寒較多，而高溫通常以環(huán)境溫度35℃為基準(zhǔn)進(jìn)行散熱計(jì)算，但現(xiàn)在夏季高溫很多時(shí)候超過此數(shù)值（40℃甚至以上），原有設(shè)計(jì)的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)已無法滿足機(jī)組的散熱要求。在北方地區(qū)為防止風(fēng)沙進(jìn)入機(jī)組，塔筒門均加有濾網(wǎng)和密封膠條，塔筒上一層平臺也有蓋板，留置的通風(fēng)間隙較小，這導(dǎo)致通風(fēng)效果下降，熱源在狹小的空間內(nèi)，散發(fā)的熱量無法及時(shí)排出，塔筒內(nèi)溫度逐漸升高，夏季高溫天氣可達(dá)50℃左右，故在塔基平臺處放置的變頻柜和電控柜出現(xiàn)高溫故障的頻率很高?；緫?yīng)對措施諸如開柜門運(yùn)行、開塔筒門運(yùn)行等嚴(yán)重影響機(jī)組的運(yùn)行安全，本文通過分析散熱原理提出相應(yīng)的解決方案，防止夏季高溫時(shí)機(jī)組報(bào)過溫故障。

上述這類機(jī)組都要面對設(shè)備部件老化、備件停產(chǎn)、運(yùn)行故障率高、檢修頻率高等影響機(jī)組可利用率和風(fēng)電場生產(chǎn)效益的問題。深入分析散熱系統(tǒng)故障產(chǎn)生原因和失效模式，提出解決方案和技改措施對于機(jī)組運(yùn)行有現(xiàn)實(shí)意義。

2 1.5MW雙饋機(jī)組塔基冷卻系統(tǒng)介紹

2.1 空-空冷卻系統(tǒng)

空-空冷卻是應(yīng)用最早最廣泛的風(fēng)冷技術(shù)，不需要添加冷卻介質(zhì)，無需考慮系統(tǒng)運(yùn)行壓力和介質(zhì)過期問題。其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定性高、檢修維護(hù)方便，在風(fēng)電機(jī)組中有其廣泛的應(yīng)用。基本原理是利用空氣流動將柜體內(nèi)的熱空氣帶走，可分為自然風(fēng)冷和強(qiáng)制風(fēng)冷。

自然風(fēng)冷在早期機(jī)組中應(yīng)用較多，因?yàn)槌跗跈C(jī)組容量小，發(fā)熱量也不大，通常利用“煙囪效應(yīng)”將熱量帶走。隨著風(fēng)電機(jī)組容量的增加，風(fēng)電機(jī)組需要散熱的功率也隨之增加，自然風(fēng)冷無法滿足設(shè)計(jì)要求，因此出現(xiàn)了強(qiáng)制風(fēng)冷。強(qiáng)制風(fēng)冷主要通過軸流風(fēng)機(jī)等各種風(fēng)機(jī)增強(qiáng)氣流循環(huán)增加散熱能力，在具體實(shí)施時(shí)還可根據(jù)系統(tǒng)散熱量的大小和各部件的散熱選用不同的冷卻方式，通常可分為循環(huán)強(qiáng)制風(fēng)冷和非循環(huán)強(qiáng)制風(fēng)冷。

但是，此冷卻技術(shù)的缺陷也一直伴隨其發(fā)展，空氣作為傳熱的介質(zhì)，比熱較小故溫度控制響應(yīng)反饋速度較慢，導(dǎo)致機(jī)組溫度積累溫升增加繼而報(bào)高溫故障。且其受環(huán)境、氣候和地理位置的影響。再者該技術(shù)必須設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，使得沙塵和鹽霧更易于進(jìn)入到機(jī)組內(nèi)，降低器件的使用壽命及穩(wěn)定性。

2.2 空-水冷卻系統(tǒng)

空-水冷卻技術(shù)使用防凍液作為傳熱介質(zhì)比熱容高，散熱能力和響應(yīng)速度優(yōu)勢明顯。其結(jié)構(gòu)更緊湊，能有效解決有限的塔基和機(jī)艙空間與大型機(jī)組功耗增加的矛盾。此冷卻系統(tǒng)可外置散熱板片，將塔基和機(jī)艙設(shè)計(jì)為密封性更加良好的空間，可減少沙塵、蚊蟲等進(jìn)入機(jī)組，提高機(jī)組的使用壽命和可靠性。但由于增加了換熱器與冷卻介質(zhì)的費(fèi)用，大大增加了成本，且體積龐大，給機(jī)艙架高、承重、運(yùn)輸、安裝、維修都帶來困難。

空-水冷卻系統(tǒng)構(gòu)成部件主要有：①管路系統(tǒng)；②水泵組件；③散熱板片；④溫度傳感器、溢流閥等其他附件，如圖1所示。

圖1 空-水冷系統(tǒng)原理圖

空-水冷卻系統(tǒng)工作原理：水泵、加熱器、溫控閥、蓄能器和輔件集成為一個(gè)緊湊的單元，放置在塔底。熱交換器位于塔外部，固定在塔壁上，由于熱交換器暴露在環(huán)境中，需配置一個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動風(fēng)扇；冷卻介質(zhì)通過水泵流經(jīng)變流柜，在變流器下方管路分為2路，一路連接到冷卻介質(zhì)的外部水-空熱交換器，冷卻介質(zhì)冷卻。另一路通到加熱器，以便低溫情況時(shí)對設(shè)備進(jìn)行預(yù)加熱。加熱器的開關(guān)由PLC控制，同時(shí)PLC通過壓力繼電器探測意外泄漏情況；系統(tǒng)配置一個(gè)機(jī)械溫控閥切換2條管路來控制介質(zhì)的溫度。

3 溫升的原因分析

3.1 空-空冷型變頻柜溫升原因分析

采用空-空冷卻的變流器，多是利用熱空氣上升的原理，因煙囪效應(yīng)熱空氣升至機(jī)艙或上部平臺。在環(huán)境溫度較高時(shí)，上部機(jī)艙溫度也較高，將導(dǎo)致對流效果下降、通風(fēng)不足，造成變流器周圍空間溫度過高，嚴(yán)重影響到變流器的運(yùn)行。同時(shí)，若第一層平臺與塔基間距離較小，熱空氣更容易在此集聚，則更容易出現(xiàn)變頻器高溫故障。還有就是常年服役的機(jī)組電器部件和線路老化發(fā)熱量增加，超過風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)值，即使塔筒內(nèi)通風(fēng)滿足要求，也會導(dǎo)致變頻器高溫故障。

3.2 空-水冷卻型變頻柜溫升原因分析

3.2.1 柜體原因

（1）柜體內(nèi)部灰塵較多，通道堵塞或者界面變小，柜內(nèi)循環(huán)不暢。

（2）柜內(nèi)元器件老化發(fā)熱量增加或者繼電器、接觸器損壞部分風(fēng)扇停止旋轉(zhuǎn)。

3.2.2 冷卻介質(zhì)

（1）冷卻介質(zhì)超過使用年限沒有及時(shí)更換，冷卻效果下降明顯。

（2）冷卻介質(zhì)有泄漏，運(yùn)行壓力不足。

（3）分支管路流量與設(shè)計(jì)流量有較大差別，部分器件散熱效果下降明顯。

（4）介質(zhì)變質(zhì)有物質(zhì)析出，使管路截面積變小或堵塞，引起散熱不足。

3.2.3變流器熱量無法及時(shí)散發(fā)

（1）外圍電路老化引起諧波過大或者元器件老化發(fā)熱量大。（2）散熱需求超過原設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)散熱不足。（3）散熱板片因灰塵或柳絮堵塞，導(dǎo)致散熱能力下降。

4 解決方案

為保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要定期對冷卻系統(tǒng)及其相關(guān)部件進(jìn)行檢查、更換或者維修。

對于運(yùn)行多年的機(jī)組，需做一些通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)的技改。本文以某風(fēng)電場技改項(xiàng)目為例進(jìn)行簡要介紹。

4.1 項(xiàng)目概況

該風(fēng)場有1.5MW雙饋機(jī)組33臺，總?cè)萘?9.5MW，此機(jī)組第一層平臺和塔基之間的距離較小，放置變頻柜和控制柜后空間更狹窄，如圖2所示。該機(jī)組控制柜和變頻柜采用強(qiáng)制風(fēng)冷卻，出風(fēng)口設(shè)置在其后部，如圖3所示。

圖2 塔基平臺與第一層平臺間距較小

圖3 變頻柜背面出風(fēng)口

前變頻柜夏季高溫故障占年故障率20%左右，嚴(yán)重影響機(jī)組年發(fā)電量和機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 原因分析

變頻柜和控制柜雖然采取了強(qiáng)制風(fēng)冷卻，但對整個(gè)塔基部分的空氣流道考慮不足，熱空氣從變流柜出風(fēng)口被強(qiáng)制排出后，熱量都堆積在塔筒內(nèi)，依靠塔筒壁對外換熱降溫，熱量散發(fā)有效性差，會使塔內(nèi)溫度升高。另外，空氣在靠近塔筒壁附近的速度，變流柜出口側(cè)較高，變流柜進(jìn)風(fēng)側(cè)較低。出風(fēng)口處空氣流動快，不會形成渾沌狀態(tài)，而是向上沿著塔筒壁面形成貼附流，但由于層高較低，高速熱空氣未冷卻即受到阻礙向下，在塔筒底部的一側(cè)形成渦旋區(qū)，該區(qū)域?yàn)閾Q熱死區(qū)。

4.3 技改方案

為滿足塔筒內(nèi)變流器等電氣部件的散熱需求，可增加其他通風(fēng)冷卻設(shè)施，在塔筒內(nèi)和塔筒門設(shè)置軸流風(fēng)機(jī)，利用煙囪效應(yīng)將塔底部件的熱損耗以熱空氣的形式從塔頂或機(jī)艙排至塔筒外面，方案整體示意圖如圖4所示，變頻柜改造后結(jié)構(gòu)如圖5所示，塔筒門改造結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖4 示意圖

圖5 散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖6 塔筒門改造結(jié)構(gòu)圖

（1）用設(shè)計(jì)好的錐形罩收集變流器產(chǎn)生的熱空氣，替換原有的冷卻風(fēng)扇，并在一層平臺安裝1個(gè)軸流風(fēng)扇，用通風(fēng)軟管連接錐形罩，將熱風(fēng)送入一層平臺上方，通過煙囪效應(yīng)將熱空氣引入頂部排出。

（2）通過安裝在塔筒門的2個(gè)離心式風(fēng)扇將塔筒外部冷空氣吹進(jìn)塔筒底部。

（3）軸流風(fēng)扇的控制電路如圖7所示，使用雙路輸出溫控器接入主控控制軸流風(fēng)機(jī)啟停，溫控器可設(shè)定2個(gè)溫度閥值。

圖7 軸流風(fēng)扇的控制電路圖

風(fēng)場機(jī)組全部并網(wǎng)時(shí)間2011年12月，改造

（4）當(dāng)溫度在20～30℃時(shí)，繼電器 1 吸合輸出（一層平臺軸流風(fēng)扇啟動），當(dāng)溫度大于或等于30℃時(shí)，繼電器2吸合輸出（塔筒門軸流風(fēng)扇啟動）。

4.4 效果驗(yàn)證

技改無故障運(yùn)行3個(gè)月之后，選取夏季高溫（塔外環(huán)境溫度接近40℃）時(shí)段，技改機(jī)組（8#）及其附近的另外4臺未技改機(jī)組進(jìn)行對比分析，提取數(shù)據(jù)后繪制的塔外溫度折線圖如圖8所示。

圖8 塔外溫度折線圖

從圖8可以看出，8#風(fēng)機(jī)及附近區(qū)域機(jī)組對應(yīng)的環(huán)境溫度基本一致，在此情況下可用此數(shù)據(jù)作為參考依據(jù)分析相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖9為8#(改造樣機(jī))風(fēng)機(jī)和4#、5#、7#、11#、12#風(fēng)機(jī)（未改造機(jī)組）在相同時(shí)間段的塔底溫度變化曲線。

圖9 塔底溫度折線圖

從圖9可知，經(jīng)過技改的8#風(fēng)機(jī)溫度曲線在最下方，在環(huán)境溫度較高階段（圖8中3個(gè)峰值區(qū)域）8#機(jī)組塔筒底部的溫度明顯低于其他機(jī)組，塔筒底部整體平均溫度低于其他機(jī)組約5～10℃，有明顯的降溫效果。

技改后運(yùn)行期間8#機(jī)組未報(bào)高溫故障或出現(xiàn)限功率運(yùn)行情況，說明改造后的散熱系統(tǒng)有效且降低了塔底設(shè)備高溫故障率。

5 結(jié)語

本文簡要分析1.5MW雙饋機(jī)組變頻柜高溫故障原因，介紹了一種應(yīng)用于實(shí)踐且行之有效的可降低變頻柜高溫故障率的改造技術(shù)方案；通過技術(shù)改造和技術(shù)升級，消除變頻器溫度偏高的運(yùn)行隱患、降低變頻柜內(nèi)溫度、提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性、降低故障維修成本、提高風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行效率和發(fā)電量，延長變頻器的使用壽命。