一种大功率海上风力发电机组塔底冷却系统及控制方法.pdf

本发明涉及一种大功率海上风力发电机组塔底冷却系统及控制方法，包括水冷循环和风冷循环系统，水冷循环系统的热交换器在塔外，其他部分都通过密闭在塔内，用两层平台隔板将塔内从上到下隔成三层，两个水冷耗能部件分别位于底层和最高层，两个风冷功耗器件位于中间层平台隔板上，两个塔内热交换器下方的风扇驱动塔内空气在通风管与两个风冷功耗器件形成循环风路，塔内热交换器中的冷却液与塔外热交换器进行冷热交换，塔内风路循环与水路循环通过塔内热交换器耦合。集成化闭式循环冷却系统，即保护塔内器件免受盐雾环境腐蚀，同时对塔底多个液冷部件进行冷却，并通过系统中塔内换热器配合塔内空气循环对塔底空气进行冷却，适合海上特殊环境同时节能。

权利要求书
1.  一种大功率海上风力发电机组塔底冷却系统，其特征在于，包括水冷循环系统和风冷循环系统，水冷循环系统的热交换器（12）在塔外，其他部分都通过塔筒（26）和顶层隔板（28）密闭在塔内，用两层平台隔板将塔内从上到下隔成三层，水冷循环系统中的两个水冷功耗部件分别位于底层（25）和最高层隔板（29）上，塔内热交换器（3、4）嵌于塔筒（26）两侧的两个通风管（27、32）底端，塔内热交换器（3、4）高度同中间一层的平台隔板（30），两个通风管（27、32）贯穿中间层和最高两层平台隔板，两个风冷功耗器件（23、24）位于中间层平台隔板（30）上，并位于两个通风管（27、32）中间，塔内热交换器（3、4）下部各带一风扇（31、33），塔内空气由两风扇（31、33）驱动，两个通风管（27、32）内空气通过两个塔内热交换器（3、4）中流出，通过中间层平台隔板上的通风孔吹向两个风冷功耗器件（23、24），然后通过最高平台隔板上的通风孔流入第三层平台，最后由负压吸入回两个通风管（27、32）之内，形成完整的循环风路，两个塔内热交换器（3、4）中的冷却液与塔外热交换器（12）进行冷热交换，塔内风路循环与水路循环通过两个塔内热交换器（3、4）耦合。

2.  根据权利要求1所述大功率海上风力发电机组塔底冷却系统，其特征在于，所述水冷循环系统包括两个并联的循环泵（8、9），过滤器（7），泄压阀（6），两个塔内热交换器（3、4），两个水冷功耗器件（1、2），三通阀（11），塔外热交换器（12），膨胀罐（10）和管路，泵入口管路上连接膨胀罐（10），泵出口管路串接过滤器（7）过滤冷却液中杂质；泵出口管路上连接有泄压阀（6），冷却液自泵流出后分为两路，通过管道分别进入两个塔内热交换器（3、4），通过两个热交换器（3、4）与塔内空气进行热交换后，分别接两个水冷功耗器件（1、2），两个水冷功耗器件（1、2）输出汇合后一路通过管路接塔外热交换器（12），一路接三通阀（11），三通阀（11）另两通，一通接塔外热交换器（12）出口，一通接循环泵（8、9）入口。

3.  根据权利要求2所述大功率海上风力发电机组塔底冷却系统，其特征在于，所述两个塔内热交换器（3、4），其中一个塔内热交换器（3）为线圈绕组式热交换器，另一个塔内热交换器（4）为晶体管式热交换器，晶体管式热交换器（4）与连接的水冷功耗器件（2）之间有加热器（5）。

4.  根据权利要求2所述大功率海上风力发电机组塔底冷却系统，其特征在于，所述两个并联的循环泵（8、9）采用双泵冗余配置，互为备份，其中一个泵失效后，另一个泵立即切入，双泵正常时每隔一定时间切换一次。

5.  根据权利要求2或3所述大功率海上风力发电机组塔底冷却系统，其特征在于，所述水冷循环系统循环泵进出口各有一个压力传感器，测量水冷循环泵进出口压力；循环泵进出口各有一个温度传感器，测量水冷循环泵进出口温度；两个水冷功耗器件（1、2）的出口处各有一个温度传感器，两个水冷功耗器件（1、2）输出汇合后管路上安装一个温度传感器，塔外热交换器（12）出口处安装一个温度传感器，塔内热交换器（3、4）上方安装一个温度传感器和一个湿度传感器，分别测量两个风冷功耗器件（23、24）周围空气温、湿度。

6.  根据权利要求5所述大功率海上风力发电机组塔底冷却系统的控制方法，其特征在于，包括水冷循环控制和风冷循环控制：
水冷循环控制：
1）当系统测得循环泵（8、9）出口温度低于设定值时，开启加热器（5），提高进入水冷功耗部件（2）的冷却液温度，同时三通阀（11）运动至全关状态，塔内循环，将系统散热能力降至最低；
2）当系统测得泵出口温度高于设定值时，三通阀（11）运动至全开状态，塔外循环开启，将系统散热能力升至最大，此时加热器（5）处于关闭状态；
3）根据两个水冷功耗器件（1、2）的出口处温度传感器，及两个水冷功耗器件（1、2）输出汇合后管路上温度传感器的检测，根据发热量的变化控制三通阀（11）开度，调节系统散热能力；
风冷循环控制：
A:当塔内空气温度高于设定值时，系统控制两个风扇（31、33）开启，塔内空气热量通过两个塔内热交换器（3、4）进入水循环；
B:当塔内空气温度低于设定值时，系统控制两个风扇（31、33）开启，同时开启水冷循环加热器（5），并将三通阀（11）调至全关状态，塔内循环，塔内空气通过两个塔内热交换器（3、4）从水循环吸热，以保证风冷功耗部件（23、24）工作在正常温度范围内；
C:当塔内空气相对湿度高于设定时，系统通过降低三通阀（11）开度或开启加热器（5）提升外循环水温，然后开启风扇（31、33），通过两个塔内热交换器（3、4）对塔内空气进行加热，以减小塔内空气的相对湿度，降低凝露风险。

说明书一种大功率海上风力发电机组塔底冷却系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种冷却系统，特别涉及一种大功率海上风力发电机组塔底冷却系统。
背景技术
随着陆上风资源开发日趋饱和，海上风电正逐渐成为各国风资源开发的重点。与陆上风电相比，海上风电具有风资源稳定、不占地、并网条件好等优势，同时也面临成本高、维护难、环境条件恶劣等挑战。
为降低海上风电单位千瓦投资成本，提升单机功率已经成为各大风机制造商的一致技术路线，目前我国批量投产海上风机主力机型单机功率集中在3~4MW左右，提升单机功率会使各子部件容量增大，发热量增多，增加整机散热难度。海上风力发电机塔底需要冷却部件较多，对于一些大功率元器件，为保证冷却效率，一般采用液冷方式；一些发热量较小的部件，直接采用空气冷却，降低成本，针对多部件散热，传统分散式冷却方式不仅成本高，且故障点多，这种弊端在海上机型尤为突出。为降低塔外平台建造成本，部分厂家在海上机型设计时将主变压器置于塔筒内部，并对塔筒进行密封设计以保护塔内部件免受海上盐雾环境腐蚀。高湿环境下，凝露导致电子元件短路是一种常见的失效模式，针对该问题，一般方法为安装抽湿机对塔内环境湿度进行调节，但这种方式会额外增加成本。另外，海上风机维护难度大，频次不宜过高，因此要求系统具备较高的可靠性。
综上所述，设计一套集成化冷却系统，对塔内所有液冷、风冷部件进行散热，同时精确调节塔内空气温度、湿度及整个塔底热环境，具有重大实际意义。
发明内容
本发明是针对大功率海上风力发电机冷却系统所面临的冷却容量大、可靠性要求高、降本要求高及防腐的问题，提出了一种大功率海上风力发电机组塔底冷却系统及控制方法，集成化闭式循环冷却系统，对整个塔底热环境进行整体控制。
本发明的技术方案为：一种大功率海上风力发电机组塔底冷却系统，包括水冷循环系统和风冷循环系统，水冷循环系统的热交换器在塔外，其他部分都通过塔筒和顶层隔板密闭在塔内，用两层平台隔板将塔内从上到下隔成三层，水冷循环系统中的两个水冷功耗部件分别位于底层和最高层隔板上，两个塔内热交换器嵌于塔筒两侧的两个通风管底端，塔内热交换器高度同中间一层的平台隔板，两个通风管贯穿中间层和最高两层平台隔板，两个风冷功耗器件位于中间层平台隔板上，并位于两个通风管中间，两个塔内热交换器下部各带一风扇，塔内空气由两风扇驱动，两个通风管内空气通过两个塔内热交换器中流出，通过中间层平台隔板上的通风孔吹向风冷功耗器件，然后通过最高平台隔板上的通风孔流入第三层平台，最后由负压吸入回两个通风管之内，形成完整的循环风路，两个塔内热交换器中的冷却液与塔外热交换器进行冷热交换，塔内风路循环与水路循环通过塔内热交换器耦合。
所述水冷循环系统包括两个并联的循环泵，过滤器，泄压阀，两个塔内热交换器，两个水冷功耗器件，三通阀，塔外热交换器，膨胀罐和管路，泵入口管路上连接膨胀罐，泵出口管路串接过滤器过滤冷却液中杂质；泵出口管路上连接有泄压阀，冷却液自泵流出后分为两路，通过管道分别进入两个塔内热交换器，通过两个热交换器与塔内空气进行热交换后，分别接两个水冷功耗器件，两个水冷功耗器件输出汇合后一路通过管路接塔外热交换器，一路接三通阀，三通阀另两通，一通接塔外热交换器出口，一通接循环泵入口。
所述两个塔内热交换器，其中一个塔内热交换器为线圈绕组式热交换器，另一个塔内热交换器为晶体管式热交换器，晶体管式热交换器与连接的水冷功耗器件之间有加热器。
所述两个并联的循环泵采用双泵冗余配置，互为备份，其中一个泵失效后，另一个泵立即切入，双泵正常时每隔一定时间切换一次.
所述水冷循环系统循环泵进出口各有一个压力传感器，测量水冷循环泵进出口压力；循环泵进出口各有一个温度传感器，测量水冷循环泵进出口温度；两个水冷功耗器件的出口处各有一个温度传感器，两个水冷功耗器件（1、2）输出汇合后管路上安装一个温度传感器，塔外热交换器出口处安装一个温度传感器，两个塔内热交换器上方安装一个温度传感器和一个湿度传感器，分别测量两个风冷功耗器件（23、24）周围空气温、湿度。
所述大功率海上风力发电机组塔底冷却系统的控制方法，包括水冷循环控制和风冷循环控制：
水冷循环控制：
1）当系统测得循环泵出口温度低于设定值时，开启加热器，提高进入水冷功耗部件的冷却液温度，同时三通阀运动至全关状态，塔内循环，将系统散热能力降至最低；
2）当系统测得泵出口温度高于设定值时，三通阀运动至全开状态，塔外循环开启，将系统散热能力升至最大，此时加热器处于关闭状态；
3）根据两个水冷功耗器件的出口处温度传感器，及两个水冷功耗器件输出汇合后管路上温度传感器的检测，根据发热量的变化控制三通阀开度，调节系统散热能力；
风冷循环控制：
A:当塔内空气温度高于设定值时，系统控制风扇开启，塔内空气热量通过两个塔内热交换器进入水循环；
B:当塔内空气温度低于设定值时，系统控制两个风扇开启，同时开启水冷循环加热器，并将三通阀调至全关状态，塔内循环，塔内空气通过两个塔内热交换器从水循环吸热，以保证两个风冷功耗部件工作在正常温度范围内；
C:当塔内空气相对湿度高于设定时，系统通过降低三通阀开度或开启加热器（5）提升外循环水温，然后开启两个风扇，通过两个塔内热交换器对塔内空气进行加热，以减小塔内空气的相对湿度，降低凝露风险。
本发明的有益效果在于：本发明大功率海上风力发电机组塔底冷却系统及控制方法，该系统能同时对塔底多个液冷部件进行冷却，并通过系统中塔内换热器配合塔内空气循环装置对塔底空气进行冷却，然后利用塔底空气对空冷器件进行散热，以实现对整个塔底热环境的控制；系统通过对三通阀、加热器及冷却风扇的耦合控制实现对塔内空气温湿度精确调整，维持电子元器件正常工作温度范围同时，防止凝露发生；除塔外散热器进出水管道外，整个塔底系统与外界环境完全隔绝，保护塔内器件免受盐雾环境腐蚀；水冷系统的中主泵及塔外散热器均采用冗余设计，以提升整套系统可靠性。
附图说明
图1为本发明塔底闭式循环水冷却系统工作原理图；
图2为本发明塔内循环风路示意图；
图3为本发明系统塔底三层平台冷却系统布局图。
具体实施方式
一种大功率海上风力发电机组塔底冷却系统主要由一套水冷循环及一套密闭式风冷循环组成，水冷循环与风冷循环之间进行集成耦合，对整个塔底热环境进行综合控制。
如图1所示为塔底冷却系统中的水冷循环原理图，包括主循环泵8、9，过滤器7，泄压阀6，塔内热交换器3、4，加热器5，功耗器件1、2，三通阀11，塔外热交换器12，膨胀罐10和管路，其中泄压阀6、过滤器7、并联的两主循环泵8、9和膨胀罐10集成于泵站之内，热交换器12位于塔筒外部，由贯穿塔筒的管路20、22与之相连，其余元件全部安装于塔筒内部。主循环泵8、9为水冷泵，给整个系统提供循环动力，泵在整个水冷系统中非常关键且容易失效，设计上采用双泵冗余配置，互为备份，其中一个泵失效后，另一个泵立即切入，双泵正常时每隔一定时间切换一次，以保证两个泵寿命基本一致；泵入口管路上连接膨胀罐10，对系统进行压力补偿或缓冲；泵出口管路串接过滤器7过滤冷却液中杂质；泵出口管路上连接有泄压阀6，对系统起保护作用，当系统压力超过设定值时，6开启进行压力释放。冷却液自泵站流出后分为两路，一路通过管道13进入塔内热交换器3，一路通过管道14进入塔内热交换器4，通过热交换器3、4与塔内空气进行热交换；热交换器3中冷却液通过管路15进入水冷功耗部件1，与水冷功耗部件1进行热交换后自管路17流出；热交换器4中冷却液通过管路16首先进入加热器5，然后进入水冷功耗部件2，与水冷功耗部件2进行热交换后自管路18流出，由于水冷功耗部件2对低温非常敏感，当流入的冷却液温度较低时，需要开启加热器5对冷却液升温（水冷功耗部件1内主要发热体为线圈绕组，水冷功耗部件2内主要发热体为晶体管，因此水冷功耗部件2对低温非常敏感，要求入口冷却液温度必须高于0℃，所以当水冷循环冷却液温度较低时，需要开启加热器5对水冷功耗部件2支路冷却液升温）；管路17、18中冷却液合流进入管路19，管路19流出后分为两路管路20、21，管路21直接与三通阀11连接，三通阀11处于全开状态下，管路22与三通阀连通，管路21与三通阀的连接切断，冷却液通过管路20流向塔外热交换器12，从塔外热交换器12流出后经管路22汇入三通阀11，最后由三通阀11流回泵站，形成循环；三通阀11处于全关状态时，管路21与三通阀连通，管路22与三通阀的连接切断，冷却液直接通过管路21流向三通阀，最后流回泵站。塔外热交换器12，管路20、22称为外旁路，其中塔外热交换器12位于塔筒外部，管路20、22贯穿塔筒，外旁路将系统热量带出塔外，然后通过塔外热交换器12将热量传递给外界环境；外旁路冷却液流量通过三通阀11调节实现，三通阀全开，冷却液全部流入外旁路，此时系统散热能力最强，三通阀全关，流入外旁路冷却液流量为0，系统散热能力最弱。
如图2所示为塔底冷却系统中的塔内循环风路图，主要由塔内热交换器3、4，通风管32、27，风扇31、33，功耗器件23、24构成，热交换器3、4分别位于通风管32、27底部，其中功耗器件23、24为风冷型，功耗器件23、24位于两个通风管32、27中间，直接与塔内空气进行换热，风扇31、33分别安装在塔内热交换器3、4下方，所有器件均密闭于塔筒内部，避免受到外界海上盐雾环境侵蚀。塔内部空气经塔内底部风扇31、33驱动，由塔内热交换器3、4中流出，然后分散流经风冷功耗部件23、24表面进行热交换，最后通过风管27、32顶部负压区吸入至风管内部，形成循环。由于塔内底部空间高度较大，布置通风管27、32可以防止空气在塔内循环过程中发生短路，整个塔内风冷系统上下循环，而水冷如图1、2所示管路中循环，整个塔内风冷系统通过热交换器3、4与水冷系统进行热耦合。
如图1所示，水冷循环泵站出口配置一个压力传感器P，测量水冷泵出口压力；配置6个温度传感器，2个位于泵站进出口，测量水冷循环泵进出口温度，2个位于管路17、18上，分别测量功耗部1、2的出口水温，一个安装于管路19上，测量17、18混合后水温，一个安装于管路22上，测量塔外热交换器出口温度。如图2所示，风冷循环配置一个温度传感器和一个湿度传感器，分别测量被冷却器件23、24周围空气温、湿度。
水冷循环控制主要包括以下内容：1）当系统测得泵出口温度低于设定值时，开启加热器5以保证进入水冷功耗部件2的冷却液温度，同时三通阀11运动至全关状态，塔内循环，将系统散热能力降至最低；2）当系统测得泵出口温度高于设定值时，三通阀运动至全开状态，将系统散热能力升至最大，此时加热器处于关闭状态；3）由于风力发电机组功率随外界风速变化而变化，而水冷功耗部件1、2发热量又由机组功率决定，所以水冷功耗部件1、2的发热量时刻变化，为保证水冷系统冷却液温度维持在合理范围内，根据两个水冷功耗器件1、2的出口处温度传感器，及两个水冷功耗器件1、2输出汇合后管路上温度传感器的检测，需要根据发热量的变化控制三通阀11开度，调节系统散热能力。
风冷循环控制主要包括以下内容：1）当塔内空气温度过高时，系统控制风扇31、33开启，塔内空气热量通过塔内热交换器3、4进入水循环；2）当塔内空气温度过低时，系统控制风扇31、33开启，同时开启水冷循环加热器，并将三通阀调至全关状态，塔内空气通过塔内热交换器3、4从水循环吸热，以保证风冷功耗部件23、24工作在正常温度范围内；3）另外，当塔内空气相对湿度高于设定时，系统通过降低三通阀开度或开启加热器提升外循环水温，然后开启风扇31、33，通过塔内热交换器3、4对塔内空气进行加热，以减小塔内空气的相对湿度，降低凝露风险。
如图3所示为一种海上风力发电机组塔底冷却系统布局图。在发热部件1、2、23、24中，水冷功耗部件1、2体积较大且发热量多，为降低热量密度，优化空间结构，整个塔底采用三层平台布局方式。水冷功耗部件1位于底层平台25上，风冷功耗器件23、24位于第二层平台30上，水冷功耗部件2位于第三层平台29上，这样布局使得整个塔底的热量分布相对均匀，避免局部过温。泵站安装于第二层平台上，水冷液自泵站流出后分别经管路13、14流入塔内热交换器，塔内热交换器3、4嵌于通风管27和32底端，两个通风管32、27贯穿第二、三层平台；水冷液流出塔内热交换器3、4之后，分别经管路15、16进入位于一层平台的水冷功耗部件1和三层平台的水冷功耗部件2，与水冷功耗部件1、2进行热交换后由管路17、18流出，17、18中的冷却液汇流后分为两条支路，一路通过管路20流向塔外散热器12，然后经管路22流出至三通阀11，最后回流至泵站；另一路直接流向三通阀11，最后流入泵站，形成循环，两条支路流量分配由三通阀开度决定，当三通阀11全开时，冷却液全部通过管路21流入11；当三通阀11全关时，冷却液全部通过20、12、22流入11。塔内风路循环与水路循环通过塔内热交换器3、4耦合，塔内空气由风扇31、33驱动后首先进入第一层平台内部，通过第二层平台隔板上的通风孔吹向风冷功耗器件23、24，然后通过第三层平台隔板上的通风孔流入第三层平台，最后由负压吸入至通风管27、32之内，形成完整的循环风路。整个塔底系统通过塔筒26、顶层隔板28与外界及塔筒上部分隔离，防止外部高湿度、强腐蚀空气进入；系统热量通过20、12、22组成的水冷外循环传递至外界空气。