康贝尔(天津)化工科技有限公司

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风电装置中载冷剂的应用

  早期的风力发电机由于功率小.主要数据要部件发热量不大,只需要通过简单的自然通风就可以达到冷却要求.随着风力发电机组的功率逐步增大.自然通风已经无法满足机组的散热需求,需要使用更高效或更有针对性的冷却方式。兆瓦级发电机内所采用绝缘漆的绝缘性能可达到H级,能满足180℃环境下的长期使用:齿轮箱润滑油在温度不高于80℃的工作情况下仍然能保持良好的粘稠度和润滑系数,在工作中这两部件的热负荷非常大,由于不需要对其作严格的控温要求.所以目前主要采用以液体为冷媒的循环冷却方式。然而控制系统中的变频器功率模块却由于受行业需求和技术条件不成熟等各方面限制。在本身需要有极高可靠性的同时还需要配备辅助设备用于维持变频器的一定工作温度区间.变频器—般的运行环境温度为40℃.如果温度高了会使变频器容易老化.一般到了50℃必须降能运行,如果温度高于60℃,那必须要使用降温设备降温,否则将直接被烧毁。为了解决变频器的散热问题,行业内出现了各式各样的散热设备,主要包括了强排风开放式冷却系统、液体热交换密闭冷却系统等。

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  1、强排风开放式冷却系统

  强排风开放式冷却系统是指在放置有变频器的控制柜柜体上补加对称的通风孔,在其中一侧设置过滤网和强排风风机。通过风机将柜外温度相对较低的空气输送到变频器,依靠变频器较高的本体温度与低温空气进行热交换,交换后的热空气经过另一侧的通风孔排到柜外。如简图四所示。根据冷却系统的热平衡方程为:Q=Cm・Vm・△T,式中Q为系统变频器的散热量,cm为冷却空气在相应温度范围内的平均定压质量比热,数值大小与冷却介质物理特性相关.以空气作为冷却介质,质量比热cm=1.008(kJ/kg・℃)【在温度为20摄氏度.压力为—个标准大气压的条件下】,:Vm为冷却空气的质量流量,数值的大小取决于风机的排风量:△T为经过变频器前后的温差。从公式中可得出,当冷却介质不变且维持一定换热温差的情况下,换热量与空气的质量流量成正比.也就是说换热量越大所需要的风机就越大。

  强排风开放式冷却系统有以下几个缺点:

  1).结构形式的开放性.使得控制柜的lP防护等级降低.随着散热系统的运行,外环境的高湿度空气以及空气中的大量悬浮粉尘将直接进入控制柜,尤其对近海及海上的风力发电机而言。高盐碱度的空气将导致控制元件腐蚀,损坏,严重的将产生高压电弧而将设备烧毁。

  2).散热能力直接受环境温度的影响,无法实现定温控制。由于风力发电主要安装在空旷边远的高山地带,昼夜温差明显,由此产生的较大幅度的温度波动,容易引起变频器故障和缩短使用寿命。

  散热效率低,如果需要满足大热负荷散热的要求,风机的选配将非常大,风机体积的增大会占用更大的控制柜空问.从而影响了整体结构的设计。

  2、液体热交换密闭冷却系统

  液体热交换密闭冷却系统主要由中间冷却器,输送泵.排风风机及连接管组成.如简图五所示。从图可知外界环境空气对中间冷却器中的载冷液体进行冷却,冷却后的载冷液体将由输送泵送至变频器冷却板.在冷却板中载冷液体将被升温。升温后的载冷液体再送回到中间冷却器与外环境空气进行热交换。通过载冷液体在中间散热器和变频器之间不断循环,将变频器热量传递到外环境空气,从而实现对变频器的降温目的。

  液体热交换密闭冷却系统虽然有效的解决了强排风开放式冷却系统影响控制柜的防护等级问题.但仍然存在以下几个缺点:

  1).依靠载冷液体对变频器进行冷却,虽然提高了变频器侧的换热系数,但载冷液体与外环境空气还需要进行第二次换热.使总的换热系数未得到明显改善.所以仍然体积较大.不利于整体结构的设计。

  2).由于冷却方式的限制,这类系统只能单一冷却变频器,由于整个控制柜内的发热量也相当大.热量聚集在控制柜内,会导致变频器表面温度过高,影响使用寿命。

  3).受环境温度影响明显.无法实现温度控制,尤其在环境温度非常低的情况下。载冷液体温度非常低.在外部出现结露现象.损坏变频器。

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  3、风力发电载冷技术展望

  由于风力发电机工作环境有其独有的区域分布广、运行位置高、机舱内振动频率高、振动幅度大和设备安装空间极其有限等特点,现有的冷却方式将难以满足下—代大容量风力发电机控制器的冷却需求。因此在现有风力发电机冷却方式的基础上,提出强制冷却控温系统。

  在实际应用中,强制冷却控温系统将对风境,具体表现如下:

  1).载冷剂控温总承对环境温度,变频器内部温度及载冷剂温度的采集并且通过作相关的信息处理.有针对性的对载冷剂进行冷却和控温。无论环境温度如何波动,仍然可以维持变频器运行在27。31℃的理想工作环境当中。

  2).载冷剂控温总承为压缩式制冷循环制冷机,其通过建立冷凝侧和蒸发侧的压力差,提升冷凝侧与环境空气的换热温差,结合热平衡公式Q=cm・Vm・△T。

  可以得出,采用相同的强排风机时.温差的增大直接使换热量大大提高,故可以使整体结构变得更紧凑。

  3).通过添加控制柜控温模块,极大的改善了控制柜内的工作环境,合理的选℃之间.延长了电气件的使用和稳定性能。

  4).整个系统采用了间接冷却方式,了控制柜内一定的相对湿度和一定的粉尘5).’强制冷却控温系统采用分体结构,通过绕性软管连接,这样不仅提高空间的利用率.而且增强了整个系统的抗振性。

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2018-12-22

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