CN101705921A - 大功率风力发电机机舱热量节能调节系统 - Google Patents

大功率风力发电机机舱热量节能调节系统 Download PDF

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Abstract

一种大功率风力发电机机舱热量节能调节系统，用于解决风力发电机的热量调节问题。其技术方案是：它由制冷循环系统和液冷循环系统组成，所述制冷循环系统位于发电机机舱外部，是由压缩机、冷凝器、主电磁膨胀阀和蒸发器构成的制冷剂闭合回路，所述液冷循环系统由变频控制柜、发电机、齿轮箱、蒸发器和循环泵构成，变频控制柜、发电机和齿轮箱并接在一起后再与蒸发器和循环泵接成载冷剂闭合回路，所述蒸发器由套装在一起的内管和外管构成，所述内管接于制冷循环系统中，内管和外管之间的空腔接于液冷循环系统中。本发明将制冷与加热装置有机地结合在一起，冷却能力强，制冷与加热能耗低，能够确保大功率风力发电机安全高效地运行。

Description

大功率风力发电机机舱热量节能调节系统
技术领域
本发明涉及一种热量调配系统，尤其是一种能确保风力发电机安全高效运行的兆瓦级风力发电机机舱热量节能调节系统，属风力发电机技术领域。
背景技术
自从20世纪80年代现代并网风力发电机组问世以来，随着风力机空气动力学、计算机技术、控制技术、发电机技术和新材料的发展，风力发电技术的发展非常迅速，单机容量从最初的数十千瓦级发展到现在的兆瓦级。在单机容量增大的同时，风力发电机的散热量也相应增大。在兆瓦级机组运行过程中很多部件都会产生热量，其中主要散热部件为齿轮箱、发电机和控制变频器。
若温度上升过高，会引起齿轮箱润滑油的性能变化，粘度降低、老化变质加快，换油周期变短。在负荷压力作用下，若润滑油膜遭到破坏而失去润滑作用，会导致齿轮啮合齿面或轴承表面损伤，最终造成设备事故。由此造成的停机损失和修理费用都是十分可观的。
发电机在工作过程中也会产生大量的热，目前提高单机容量的主要措施是增加线负荷，但增加线负荷的同时会增加线棒铜损，线圈的温度将增加，绝缘老化加剧，最终可能达到无法容许的程度。
控制变频器包括对系统运行进行实时监控的控制设备以及对发电机转子绕组输入电流与发电机输出电流进行变频处理的变频设备，随着风力发电机的发展，系统的辅助及控制装置越来越多，控制变频器所承担的任务也因此越来越复杂，产生的热量越来越大，为了保护风力发电机系统各部件长期稳定运行，需要及时对其进行冷却处理。
除齿轮箱、电机和控制变频器外，机舱内还有很多部件都会产生热量，这些发热部件也会引起机舱内温度升高，从而威胁到各零部件和电子器件的正常运行。
因此，控制齿轮箱、电机、控制变频器和机舱的温升是保证风力发电机持久可靠运行的必要条件。对于MW级的风力发电机系统而言，其齿轮箱与发电机的发热量较大，自然通风已经无法满足机组的冷却需求，故通常需采用液冷方式或采用对发电机和控制变频器进行液冷与对齿轮箱润滑油进行强制空冷相结合的冷却方式。这些冷却装置采用液体循环介质对齿轮箱、发电机定子绕组和控制变频器进行冷却，循环系统内部热量在机舱外部的普通散热器进行散热。由于风力发电场中采用大风轮面积的风力机比小的更加经济，因而风力机的容量不断增加。单机容量的增大将会导致风力发电机内部的齿轮箱、发电机及控制变频器等部件产生更多的热量。可以预见，目前对这些部件采用的冷却方式将难以满足下一代大容量风力发电机的冷却需求。
在北方冬季气温长期处于0℃以下，加之风电场往往建在海拔高的地区，齿轮箱润滑油会因粘度变低而无法飞溅到高速轴轴承上进行润滑，造成高速轴轴承损坏。许多冷脆性材料和电子元件在低温下不能正常工作。为提高风电机对低温的适应性，还需要额外的热源，即在机舱内部装设加热器。传统的加热器一般采用“加热电阻+风扇”的方式，加热器功率高、耗电量大，降低了整个风力发电机的效率。
此外，现有大功率风力发电机的冷却系统与加热系统彼此独立，不能进行统一调配，有时二者同时工作，一方面冷却系统将齿轮箱、电机、控制变频器产生的热量散发到机舱外，另一方面加热系统消耗电能为机舱加热，造成能量的浪费。
综上所述，现有大功率风力发电机的冷却系统难以满足下一代大容量风力发电机的冷却需求，而且加热系统能耗高，冷却系统与加热系统缺乏统一调配与控制，不能确保风力发电机安全高效运行，因此有必要对目前采用的冷却和加热方式进行优化和改进。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足、提供一种能确保风力发电机安全高效运行的大功率风力发电机机舱热量节能调节系统。
本发明所述问题是以下述技术方案实现的：
一种大功率风力发电机机舱热量节能调节系统，由制冷循环系统和液冷循环系统组成，所述制冷循环系统位于发电机机舱外部，是由压缩机、冷凝器、主电磁膨胀阀和蒸发器构成的制冷剂闭合回路，所述液冷循环系统由变频控制柜、发电机、齿轮箱、蒸发器和循环泵构成，变频控制柜、发电机和齿轮箱并接在一起后再与蒸发器和循环泵接成载冷剂闭合回路，所述蒸发器由套装在一起的内管和外管构成，所述内管接于制冷循环系统中，内管和外管之间的空腔接于液冷循环系统中。
上述大功率风力发电机机舱热量节能调节系统，所述液冷循环系统中还串接有带并联管路的加热换热器，所述加热换热器位于变频控制柜、发电机和齿轮箱的载冷剂出口端，在加热换热器端部及其并联管路上均设置有电动二通阀。
上述大功率风力发电机机舱热量节能调节系统，构成中还包括设置在发电机机舱内的双向换热器，所述双向换热器的一端经两条制冷剂管分别与压缩机的高低压接口连接，另一端接主电磁膨胀阀的高压端并经副电磁膨胀阀接冷凝器的出口端，压缩机与冷凝器之间、冷凝器与主电磁膨胀阀之间、双向换热器与主电磁膨胀阀之间、冷凝器与副电磁膨胀阀之间、双向换热器与压缩机的高低压接口之间均设置有电动二通阀。
上述大功率风力发电机机舱热量节能调节系统，所述蒸发器的外管的外表面设置有翅片。
上述大功率风力发电机机舱热量节能调节系统，所述加热换热器为翅片管式换热器。
本发明将制冷循环系统与液冷循环系统相结合，可在不增加风力发电机体积和重量的前提下满足大功率风力发电机不断提高的散热要求。制冷循环系统能够根据机舱外自然环境变化和机舱内各部件运行情况选择最优运行方式，通过双向换热器自动对舱内空气进行加热或冷却。液冷循环系统中的加热换热器可以利用机舱内部件散发的热量来加热机舱内空气，减少加热耗电量。舱外环境符合条件时，液冷循环系统还可以通过蒸发器外管上的翅片将发电机、齿轮箱和变频控制柜的热量散发到空气中，实现节能运行。本发明将制冷与加热装置有机地结合在一起，具有冷却能力强，制冷和加热能耗低等特点，能够确保大功率风力发电机安全高效地运行。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明系统示意图；
图2是蒸发器截面图。
图中各标号为：1、压缩机；2、冷凝器；3、蒸发器；4、双向换热器；5、加热换热器；6、变频控制柜；7、循环泵；8、发电机；9、齿轮箱；10、风轮叶片；11～21、电动二通阀；22、副电磁膨胀阀；23、主电磁膨胀阀；24、翅片；25、外管；26、内管。
具体实施方式
本发明对风力发电机机舱及发电机8、齿轮箱9和变频控制柜6采用基于制冷循环的冷却与加热综合调配方法，能够根据舱外自然环境变化与舱内部件运行情况自动选择最优运行方式，最大限度利用自然空气冷却与部件散热，实现风力发电机组节能、高效、安全稳定运行。
参看图1，本发明包括由压缩机1、冷凝器2、蒸发器3、双向换热器4、副电磁膨胀阀22、主电磁膨胀阀23组成的制冷系统和由蒸发器3、加热换热器5、变频控制柜6、载冷剂循环泵7、发电机8和齿轮箱9组成的载冷剂系统。其中蒸发器3是两个系统相结合的部件，实现热量由载冷剂液冷循环系统向制冷循环制冷系统的转移。
参看图1、图2，当环境温度比较高，机舱内空气温度超过设定范围，发电机8、齿轮箱9和变频控制柜6放热量比较大时，制冷工质被压缩机1压缩成高温高压气态进入冷凝器2，在冷凝器2内被机舱外空气冷却成高温高压液态后分成两路，一路经电动二通阀21、主电磁膨胀阀23膨胀变成低温低压汽液两相物质，再进入蒸发器3内管26，在内管26内吸收内管26与外管25之间流动的载冷剂放出的热量，转变成为低温低压气态；另一路经电动二通阀15后进入副电磁膨胀阀22膨胀，变成低温低压汽液两相物质进入双向换热器4，吸收机舱内空气热量成为低温低压气态后与蒸发器3出来的制冷工质汇合后被吸入压缩机1，此工况下电动二通阀11、14、15、21打开，12、13关闭。载冷剂经载冷剂循环泵7升压后分别进入变频控制柜6、发电机8和齿轮箱9相应的换热装置，吸热温度升高后经电动二通阀18进入蒸发器3，载冷剂在蒸发器3内管26与外管25间流动，一面通过内管壁面放热给内管26内流动的制冷工质，另一方面通过外管壁面的翅片24散热给机舱外空气，从而部分降低了制冷负荷，达到节能目的。此工况下电动二通阀16、17关闭，18、19、20打开。
仍参看图1、图2，随着环境温度降低，发电机8、齿轮箱9和变频控制柜6放出的热量通过蒸发器3外管25外表面的翅片24传给机舱外空气的量逐渐增大，这时根据蒸发器3载冷剂出口的温度调节压缩机1的排气量，环境温度逐渐降低，制冷负荷逐渐缩小。环境温度降低，机舱内空气温度也会降低，当机舱内空气温度降至设定范围之内不需要冷却时，双向换热器4停止工作。
仍参看图1，随着环境温度继续降低，发电机8、齿轮箱9和变频控制柜6放出的热量完全可以通过蒸发器3外表面翅片24传给机舱外空气，机舱内空气也不再需要冷却，这时制冷机停运，如果蒸发器3载冷剂出口温度低于一定温度，则降低载冷剂循环泵7转速。此工况下如果机舱内温度低于设定温度范围，则电动二通阀16、17打开，18关闭，这时吸热后的载冷剂进入翅片管式加热换热器5加热机舱内空气。
仍参看图1，当环境温度非常低时，如果通过翅片管式加热换热器5仍不能机舱内温度加热到设定范围之内，则启动压缩机1按热泵循环运行，电动二通阀11、14、15、21关闭，电动二通阀12、13打开，制冷工质被压缩机1压缩成高温高压气态经电动二通阀12进入双向换热器4加热机舱内空气，制冷工质被冷却成高温高压液态后经电动二通阀13后进入主电磁膨胀阀23膨胀变成低温低压汽液两相进入蒸发器3内管26内吸收在内管26与外管25之间流动的载冷剂放热成为低温低压气态，然后被吸入压缩机1。实现用发电机8、齿轮箱9和变频控制柜6放出热量来加热机舱内空气。
本发明可以在环境温度较高状态下满足大散热量要求，保证机组安全高效运行，环境温度较低需要加热时，能够最大限度利用机舱内各部件散热，与传统电加热方式相比可以节约大量电能，当环境温度极低时，能够消耗较少电量将机组加热至运行温度。整套系统结构紧凑，自动化程度高，能够对机舱各部件的冷却与加热综合调配。

Claims (5)

1.一种大功率风力发电机机舱热量节能调节系统，其特征是，它由制冷循环系统和液冷循环系统组成，所述制冷循环系统位于发电机机舱外部，是由压缩机(1)、冷凝器(2)、主电磁膨胀阀(23)和蒸发器(3)构成的制冷剂闭合回路，所述液冷循环系统由变频控制柜(6)、发电机(8)、齿轮箱(9)、蒸发器(3)和循环泵(7)构成，变频控制柜(6)、发电机(8)和齿轮箱(9)并接在一起后再与蒸发器(3)和循环泵(7)接成载冷剂闭合回路，所述蒸发器(3)由套装在一起的内管(26)和外管(25)构成，所述内管(26)接于制冷循环系统中，内管(26)和外管(25)之间的空腔接于液冷循环系统中。
2.根据权利要求1所述大功率风力发电机机舱热量节能调节系统，其特征是，所述液冷循环系统中还串接有带并联管路的加热换热器(5)，所述加热换热器(5)位于变频控制柜(6)、发电机(8)和齿轮箱(9)的载冷剂出口端，在加热换热器(5)端部及其并联管路上均设置有电动二通阀。
3.根据权利要求1或2所述大功率风力发电机机舱热量节能调节系统，其特征是，构成中还包括设置在发电机机舱内的双向换热器(4)，所述双向换热器(4)的一端经两条制冷剂管分别与压缩机(1)的高低压接口连接，另一端接主电磁膨胀阀(23)的高压端并经副电磁膨胀阀(22)接冷凝器(2)的出口端，压缩机(1)与冷凝器(2)之间、冷凝器(2)与主电磁膨胀阀(23)之间、双向换热器(4)与主电磁膨胀阀(23)之间、冷凝器(2)与副电磁膨胀阀(22)之间、双向换热器(4)与压缩机(1)的高低压接口之间均设置有电动二通阀。
4.根据权利要求3所述大功率风力发电机机舱热量节能调节系统，其特征是，所述蒸发器(3)的外管(25)的外表面设置有翅片(24)。
5.根据权利要求4所述大功率风力发电机机舱热量节能调节系统，其特征是，所述加热换热器(5)为翅片管式换热器。
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