CN105927484A - 封闭式海上型风力发电机组机舱环境系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种封闭式海上型风力发电机组机舱环境系统及控制方法，整个机舱被机舱后部的隔舱分内外两个舱体，除了热交换器及贯穿隔舱连接热交换器的管路之外其他的所有器件均密封于封闭式的内舱体中,舱内风路循环与水路循环通过舱内热交换器耦合,通过舱外的热交换器进行外循环，在两个舱体分别形成水和风循环，能同时对机舱内部多个功耗部件进行冷却，并通过对三通阀、加热器及冷却风扇的耦合控制实现对封闭式机舱内部空气温湿度精确调整，封闭式机舱内部湿度在正常的工作湿度范围同时防止凝露发生；除舱尾外部热交换器进出水管道外，整个舱内系统与外界大气环境完全隔绝，保护舱内器件免受盐雾环境腐蚀；以提升整套系统可靠性。

Description

封闭式海上型风力发电机组机舱环境系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种环境调节技术，特别涉及一种封闭式海上型风力发电机组机舱环境系统及控制方法。

背景技术

随着风力发电技术迅猛发展，陆上风资源开发日趋饱和，海上风资源具有巨大的开发前景，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，同时由于海上风力发电机组一般矗立在偏远的近海及深海区域，存在维护难、防腐要求高等难点。

风力发电机组的大型机械设备主要集成在机舱，在正常运行过程中机舱的机械传动链及电气传动链均会产生大量的热量，为保证机组安全稳定地运行需及时、高效地将这些热量散发出并保证舱内环境温度在正常工作温度范围，目前海上风电一般采用液冷方式。海上风电在其生命周期内要经受各种恶劣的工况，这就要求机组运行要具有极高的可靠性及稳定性，现在风力发电机组设备为了散热，整体采用半封闭式，开通风口通风，但海上大气环境中具有高浓度的盐雾，盐雾会随着空气进入机舱内部腐蚀舱内设备，对设备的使用寿命及机组的安全运行形成巨大威胁；同时在高盐雾环境下电气设备易发生金属化学反应和凝露导致电气设备故障或损坏，因此现在所用设备和控制元件都要有很高的防腐等级，导致产品的价格居高不下。

发明内容

本发明是针对在恶劣环境中使用的风力发电机组为保证稳定运行而付出很高的成本问题，提出了一种封闭式海上型风力发电机组机舱环境系统及控制方法，保证机组散热效果的同时需充分考虑机组防腐及密封，创造一个温湿度相对稳定和密闭的空间，减低风力发电机组机舱内部设备的要求。

本发明的技术方案为：一种封闭式海上型风力发电机组机舱环境系统，包括水冷循环泵站、舱内热交换器、三通阀、热交换器、管路和传感器，整个机舱被机舱后部的隔舱分内外两个舱体，除了热交换器及贯穿隔舱连接热交换器的管路之外其他的所有器件均密封于封闭式的内舱体中；冷却液自泵站流出后分三路分别进入内舱体中的两个水冷功耗部件和舱内热交换器中进行冷热交换，冷热交换后的冷却液汇流进入管路，再经过后三通阀进行控制分流，一路直接回泵站，形成水冷内循环，另一路通过管路到外舱体热交换器进行冷热交换后回到泵站，形成水冷外循环；内舱体的热交换器悬挂安装在机舱罩横梁支架上，热交换器位于水冷功耗部件上方，热交换器上自带的风扇，风扇出风方向为水冷功耗部件上方，水冷功耗器件自带散热器安装在水冷功耗器件顶部，舱内调温空气经舱内风扇驱动通过舱内热交换器流出，流经水冷功耗器件和水冷功耗器件上表面吹向机舱尾部，遇到机舱尾部的隔舱后折返经舱内下部空间流回机舱前部，最后由负压吸回舱内热交换器，形成舱内风循环风路；热交换器位于外舱体与大气联通循环，形成外舱体风循环；舱内风路循环与水路循环通过舱内热交换器耦合；传感器包括温度、湿度和压力传感器，作为控制三通阀、泵站、舱内热交换器和热交换器的检测信号。

所述热交换器位于外舱体下部，热交换器底部自带多组风扇，风扇运转，带动气流通过外舱体机舱尾部的百叶窗及机舱尾部底板上的格栅与大气联通循环，形成舱外风循环。

所述热交换器位于外舱体上部，由自然风形成一次自然风冷。

所述泵站包括并联的两个主循环泵、过滤器、泄压阀、膨胀罐和加热器，两个主循环泵，给整个系统提供循环动力，两个主循环泵采用双泵冗余配置，互为备份，主循环泵入口管路上连接膨胀罐，对整个系统进行压力补偿或缓冲；主循环泵出口管路串接过滤器过滤冷却液中杂质；过滤器后的管路上连接有泄压阀，对系统起压力保护作用，泵站入水管道还连接有加热器。

所述水冷循环泵站进、出口各配置一个压力传感器P，测量水冷泵进、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，3个位于水冷功耗部件和舱内热交换器的出水管路上，测量出口水温，1个安装于两个功耗部及舱内热交换器出水汇合的管路上，测量三路混合后的水温，位于内舱体尾部上方配置一个温度传感器和一个湿度传感器，分别测量封闭式机舱内部空气温湿度。

所述封闭式海上型风力发电机组机舱环境系统的控制方法，包括水冷循环控制和风冷循环控制，

水冷循环控制包括：

1）水冷循环泵站出口温度传感器测得泵出口温度低于低温设定值时，开启加热器使得系统供水温度达到正常工作温度范围，同时三通阀运动至全关状态，系统进行水冷内循环，将系统散热能力降至最低；

2）水冷循环泵出口温度传感器测得泵出口温度高于高温设定值时，三通阀运动至全开状态，系统进行水冷外循环，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，而水冷功耗部件发热量时刻变化，根据两个水冷功耗器件的出口处温度传感器，及两个功耗部及舱内热交换器出水汇合的管路上温度传感器的检测，控制三通阀的开度，调节舱内温度。

风冷循环控制包括：

a）当封闭式机舱内空气温度高于高温设定值时，控制风扇开启，封闭式机舱内部空气热量经过风循环通过舱内热交换器进入水循环；

b）当封闭式机舱内空气温度低于低温设定值时，系统控制风扇开启，同时开启水冷循环加热器，并将三通阀调至全关状态，封闭式机舱内空气通过舱内热交换器外循环从水循环散热，以保证封闭式机舱内温度在正常温度范围内；

c）当封闭式机舱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循环水温，并开启风扇，通过舱内热交换器对封闭式机舱内空气进行加热，以降低封闭式机舱内空气的相对湿度，降低凝露风险。

当热交换器底部自带多组风扇时，与舱体外形成强对流换热，风扇的启停个数根据两个水冷功耗器件的出口处温度传感器，及两个功耗部及舱内热交换器出水汇合的管路上温度传感器的检测水温控制。

本发明的有益效果在于：本发明封闭式海上型风力发电机组机舱环境系统及控制方法，能同时对机舱内部多个功耗部件进行冷却，并通过系统中舱内风冷换热器对封闭式机舱内部空气进行冷却；系统通过对三通阀、加热器及冷却风扇的耦合控制实现对封闭式机舱内部空气温湿度精确调整，封闭式机舱内部湿度在正常的工作湿度范围同时防止凝露发生；除舱尾外部热交换器进出水管道外，整个舱内系统与外界大气环境完全隔绝，保护舱内器件免受盐雾环境腐蚀；水冷系统的中主泵及舱尾外部热交换器均采用冗余设计，以提升整套系统可靠性。

附图说明

图1为本发明封闭式海上型风力发电机组机舱环境系统工作原理图；

图2为本发明封闭式海上型风力发电机组机舱环境系统布局图；

图3为本发明封闭式海上型风力发电机组机舱环境系统另一实施例布局图；

图4为本发明封闭式海上型风力发电机组机舱环境系统机舱内部循环风路示意图。

具体实施方式

一种封闭式海上型风力发电机组机舱环境系统主要由一套水冷循环及一套封闭式机舱内部风冷循环组成，水冷循环与风冷循环之间进行集成耦合，对整个封闭机舱内部热环境进行调节。

如图1所示为系统工作原理图，系统给两个功耗器件1、2提供密闭温度稳定的工作环境，两个功耗器件1、2分别为发电机和齿轮箱，系统包括主循环泵7、8，过滤器9，泄压阀25，舱内热交换器5，加热器26，三通阀27，热交换器3，膨胀罐24、管路和传感器，其中泄压阀25、过滤器9、并联的两主循环泵7、8和膨胀罐24集成于水冷循环泵站之内，热交换器3位于舱尾外部，舱外热交换器3通过贯穿舱内外的管路17、28与舱内相连，其余元件全部安装于全密封的机舱内部。两并联主循环泵7、8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，因此为防止运行过程中泵失效，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；主循环泵入口管路上连接膨胀罐24，对整个系统进行压力补偿或缓冲；主循环泵出口管路串接过滤器9过滤冷却液中杂质；过滤器9后管路上连接有泄压阀25，对系统起压力保护作用，当系统压力超过设定值时，泄压阀25开启，对系统进行排液，释放系统压力，泵站入水管道还连接有加热器26。冷却液自泵站流出后分为三路，一路通过管道19进入水冷功耗部件1进行热交换后自管路20流出，一路通过管路22进入水冷功耗部件2进行热交换后自管路21流出，另一路通过管路31进入舱内热交换器5进行热交换后自管路32流出；管路20、21、32中冷却液汇流后进入管路29，管路29流出后通过三通阀27分为两路管路30、28，三通阀27处于全开状态下，管路28与管路29通过三通阀相通，管路30与管路29连接切断，冷却液通过管路28流入舱尾外部热交换器3，在舱尾热交换器3进行热交换后经管路17流出汇入管路30，流回泵站，形成外循环；三通阀27处于全关状态时，管路30与与管路29通过三通阀连通，管路28与管路29连接切断，冷却液直接通过三通阀27流入管路30，最后流回泵站，形成内循环。舱尾外部热交换器3，管路28、17称为外旁路，外旁路将系统热量带出封闭式机舱，通过舱尾外部热交换器3将热量传递到大气环境中；外旁路冷却液流量通过三通阀27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，水冷功耗部件1、2和舱内热交换器5的出水管路20、21、32上都有温度传感器，管路29上也有测温度传感器，在泵站中进水和出水处均有温度和压力传感器。

如图2所示系统布局图，整个机舱被机舱后部的隔舱12分内外两个舱体，热交换器3位于外舱体下部，热交换器3底部带多组风扇4，风扇4运转，带动气流通过外舱体机舱尾部的百叶窗11及机舱尾部底板上的格栅14与大气联通循环，形成舱尾外部环境，内舱体形成封闭式的舱内环境。除了热交换器3及贯穿隔舱连接热交换器3的管路17、28之外其他的所有器件均密封于封闭式的内舱体中。水冷功耗部件1、2体积较大且是封闭式机舱中主要的发热部件，水冷功耗部件2、1前后搁置，舱内热交换器5悬挂安装在机舱罩13横梁支架，舱内热交换器5位于水冷功耗部件2上方，舱内热交换器5上有风扇6，风扇6出风方向为水冷功耗部件1上方，水冷功耗器件2自带散热器10安装在水冷功耗器件2顶部，水冷液经泵站流出后分别进入水冷功耗部件1、2及舱内热交换器5进行热交换，然后分别由管路20、21、32流出并汇流于管路29，管路29直接与三通阀连接，系统根据管路29安装的温度传感器测试回水温度进行判断和控制三通阀的开度，综合调节经管路28流经舱尾外部热交换器3的冷却液流量，从而实现对系统散热能力的调节。封闭式机舱内风路循环与水路循环通过舱内热交换器5进行耦合，舱内调温空气经舱内风扇6驱动通过舱内热交换器5流出，流经水冷功耗器件2和水冷功耗器件1上表面吹向机舱尾部，遇到机舱尾部的隔舱12时舱内空气流动方向发生改变，舱内空气折返经舱内下部空间流回机舱前部，最后由负压吸回舱内热交换器5，形成完整的循环风路。整个机舱系统通过机舱罩13、机舱底板16、隔舱12与机舱衔接处密封罩15完全密封于封闭式环境中，防止外部高湿度、强腐蚀空气进入机舱；系统热量通过管路17、28传递至外旁路散入外界大气中。

如图3系统另一实施例布局图，将省掉热交换器3自带的风扇4，热交换器3位于外舱体上部，依靠自然风冷进行散热，形成舱外风循环。

如图4所示系统机舱内部循环风路示意图，封闭式机舱内部调温空气经风扇6驱动，由舱内热交换器5中流出，流经水冷功耗器件2和水冷功耗器件1上表面吹向机舱尾部，遇到机舱尾部的隔舱时舱内空气流动方向发生改变，舱内空气折返经舱内下部空间流回机舱前部，最后由负压吸回舱内热交换器5，形成完整的循环风路，舱内热交换器5中的冷却液与舱尾外部热交换器3进行冷热交换，舱内风路循环与水路循环通过舱内热交换器5耦合。舱外热交换器3与大气接触，采用多风扇智能调节水温的设计，保证系统稳定，与舱内隔离，并且置于舱尾，维修更换方便。

如图1所示，水冷循环泵站进、出口各配置一个压力传感器P，测量水冷泵进、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，3个位于管路20、21、32上，分别测量功耗部1、2及舱内热交换器5的出口水温，一个安装于管路29上，测量管路20、21、32混合后的水温。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，位于内舱体尾部上方，分别测量封闭式机舱内部空气温湿度。

水冷循环控制主要包括以下内容：1）水冷循环泵出口温度传感器测得泵出口温度低于低温设定值时，开启加热器26使得系统供水温度达到正常工作温度范围，同时三通阀27运动至全关状态，系统进行舱内循环，将系统散热能力降至最低；2）水冷循环泵出口温度传感器测得泵出口温度高于高温设定值时，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和舱内热交换器5冷却液输出汇合后管路29上温度传感器的检测，系统根据发热量的变化控制三通阀27的开度，实现对系统散热能力地调节；4）热交换器3底部自带多组风扇4，与舱体外形成强对流换热，风扇的启停个数由管路29上温度传感器所测水温决定。

风冷循环控制主要包括以下内容：1）当封闭式机舱内空气温度高于高温设定值时，系统控制风扇6开启，封闭式机舱内部空气热量经过风循环通过舱内热交换器5进入水循环；2）当封闭式机舱内空气温度低于低温设定值时，系统控制风扇6开启，同时开启水冷循环加热器26，并将三通阀调至全关状态，封闭式机舱内空气通过舱内热交换器5外循环从水循环散热，以保证封闭式机舱内温度在正常温度范围内；3）另外，当封闭式机舱内空气相对湿度高于设定时，系统通过降低三通阀27开度或开启加热器26提升循环水温，并开启风扇6，通过舱内热交换器5对封闭式机舱内空气进行加热，以降低封闭式机舱内空气的相对湿度，降低凝露风险。

Claims (7)

1.一种封闭式海上型风力发电机组机舱环境系统，其特征在于，包括水冷循环泵站、舱内热交换器（5）、三通阀（27）、热交换器（3）、管路和传感器，整个机舱被机舱后部的隔舱（12）分内外两个舱体，除了热交换器（3）及贯穿隔舱连接热交换器（3）的管路之外其他的所有器件均密封于封闭式的内舱体中；冷却液自泵站流出后分三路分别进入内舱体中的两个水冷功耗部件（1、2）和舱内热交换器（5）中进行冷热交换，冷热交换后的冷却液汇流进入管路，再经过后三通阀（27）进行控制分流，一路直接回泵站，形成水冷内循环，另一路通过管路到外舱体的热交换器（3）进行冷热交换后回到泵站，形成水冷外循环；内舱体的热交换器（5）悬挂安装在机舱罩（13）横梁支架上，热交换器（5）位于水冷功耗部件（2）上方，热交换器（5）上自带的风扇（6），风扇（6）出风方向为水冷功耗部件（1）上方，水冷功耗器件（2）自带散热器（10）安装在水冷功耗器件（2）顶部，舱内调温空气经舱内风扇（6）驱动通过舱内热交换器（5）流出，流经水冷功耗器件（2）和水冷功耗器件（1）上表面吹向机舱尾部，遇到机舱尾部的隔舱（12）后折返经舱内下部空间流回机舱前部，最后由负压吸回舱内热交换器（5），形成舱内风循环风路；热交换器（3）位于外舱体与大气联通循环，形成外舱体风循环；舱内风路循环与水路循环通过舱内热交换器（5）耦合；传感器包括温度、湿度和压力传感器，作为控制三通阀（27）、泵站、舱内热交换器（5）和热交换器（3）的检测信号。

2.根据权利要求1所述封闭式海上型风力发电机组机舱环境系统，其特征在于，所述热交换器（3）位于外舱体下部，热交换器（3）底部自带多组风扇（4），风扇（4）运转，带动气流通过外舱体机舱尾部的百叶窗（11）及机舱尾部底板上的格栅（14）与大气联通循环，形成舱外风循环。

3.根据权利要求1所述封闭式海上型风力发电机组机舱环境系统，其特征在于，所述热交换器（3）位于外舱体上部，由自然风形成一次自然风冷。

4.根据权利要求1至3任意一项所述封闭式海上型风力发电机组机舱环境系统，其特征在于，所述泵站包括并联的两个主循环泵（7、8）、过滤器（9）、泄压阀（25）、膨胀罐（24）和加热器（26），两个主循环泵（7、8），给整个系统提供循环动力，两个主循环泵采用双泵冗余配置，互为备份，主循环泵入口管路上连接膨胀罐（24），对整个系统进行压力补偿或缓冲；主循环泵出口管路串接过滤器（9）过滤冷却液中杂质；过滤器（9）后的管路上连接有泄压阀（25），对系统起压力保护作用，泵站入水管道还连接有加热器（26）。

5.根据权利要求4所述封闭式海上型风力发电机组机舱环境系统，其特征在于，所述水冷循环泵站进、出口各配置一个压力传感器P，测量水冷泵进、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，3个位于水冷功耗部件（1、2）和舱内热交换器（5）的出水管路上，测量出口水温，1个安装于两个功耗部及舱内热交换器（5）出水汇合的管路上，测量三路混合后的水温，位于内舱体尾部上方配置一个温度传感器和一个湿度传感器，分别测量封闭式机舱内部空气温湿度。

6.根据权利要求5所述封闭式海上型风力发电机组机舱环境系统的控制方法，其特征在于，包括水冷循环控制和风冷循环控制，

水冷循环控制包括：

1）水冷循环泵站出口温度传感器测得泵出口温度低于低温设定值时，开启加热器（26）使得系统供水温度达到正常工作温度范围，同时三通阀（27）运动至全关状态，系统进行水冷内循环，将系统散热能力降至最低；

2）水冷循环泵出口温度传感器测得泵出口温度高于高温设定值时，三通阀（27）运动至全开状态，系统进行水冷外循环，将系统散热能力升至最大，此时加热器（26）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）发热量时刻变化，根据两个水冷功耗器件（1、2）的出口处温度传感器，及两个功耗部及舱内热交换器（5）出水汇合的管路上温度传感器的检测，控制三通阀（27）的开度，调节舱内温度；

风冷循环控制包括：

a）当封闭式机舱内空气温度高于高温设定值时，控制风扇（6）开启，封闭式机舱内部空气热量经过风循环通过舱内热交换器（5）进入水循环；

b）当封闭式机舱内空气温度低于低温设定值时，系统控制风扇（6）开启，同时开启水冷循环加热器（26），并将三通阀（27）调至全关状态，封闭式机舱内空气通过舱内热交换器（5）外循环从水循环散热，以保证封闭式机舱内温度在正常温度范围内；

c）当封闭式机舱内空气相对湿度高于设定时，系统通过降低三通阀（27）开度或开启加热器（26）提升循环水温，并开启风扇（6），通过舱内热交换器（5）对封闭式机舱内空气进行加热，以降低封闭式机舱内空气的相对湿度，降低凝露风险。

7.根据权利要求6所述封闭式海上型风力发电机组机舱环境系统的控制方法，其特征在于，当热交换器（3）底部自带多组风扇（4）时，与舱体外形成强对流换热，风扇的启停个数根据两个水冷功耗器件（1、2）的出口处温度传感器，及两个功耗部及舱内热交换器（5）出水汇合的管路上温度传感器的检测水温控制。