CN106121939B - 一种风电机组液冷系统多并联支路的流量调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电机组液冷系统多并联支路的流量调节方法，包括S01、根据风电机组电气柜中各电气部件的设计发热功率得到对应各电气部件的散热量，再根据散热量得到各电气部件对应的标准冷却液流量；S02、根据各电气部件对应的标准冷却液流量以及实际冷却液流量，得到对应电气部件上冷却液管道上接头的标准孔径；S03、在不更换原有冷却液管道的情况下，将各电气部件对应的冷却液管道中的原有接头更换为标准孔径的接头，实现冷却液流量的调节。本发明的流量调节方法具有操作简便、改动小以及可靠性高等优点。

Description

一种风电机组液冷系统多并联支路的流量调节方法

技术领域

本发明主要涉及风力发电技术领域，特指一种风电机组液冷系统多并联支路的流量调节方法。

背景技术

通常在风电机组液冷系统设计时，多并联的各支路根据实际散热量进行流量设计，并为了减少漏点及节约成本没有在各支路上安装流量调节装置，设计完成后的多并联液冷支路往往不能对单个支路的流量进行调节。随着被冷却部件运行年限增长，液冷系统冷却性能下降，被冷却部件热阻增大，热负载较大的支路上部件散热无法满足要求而过温，导致部件限功或无法运行。

目前大多通过并联一个散热器增加散热面积来提高散热能力，但液冷系统或被冷却部件结构紧凑，无足够空间进行安装，且成本较高；或者在每个支路上增加球阀，减小其他支路流量，增大特定支路流量，从而满足散热要求，但增加支路球阀会增大额外转接头，增加液冷系统漏点，且因增加球阀和转接头后，流阻增大且原液冷系统支路水冷管长度会发生变化，可能无法满足现有系统的安装尺寸要求。

另外，在已经投入运行的未安装流量调节装置的液冷系统中，因运行过程中每个支路热负载不一样，热阻发生改变，此时热负载较大的支路会因冷却能力下降而产生过热故障。目前改善液冷系统多并联支路部件过温方法之一为并联散热器增大散热面积来增大系统散热能力，但该方式成本较高、受安装空间限制且不能有针对性地改善某一支路的散热效果；也有通过在单个支路上增加球阀来改善液冷系统各支路流量调节的方式，但增加支路球阀会增加额外转接头，进而增加液冷系统漏点，且因增加球阀和转接头后，原液冷系统支路水冷管长度及布局会发生偏差，可能会受限于安装空间。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种操作简便、改动小、可靠性高的风电机组液冷系统多并联支路的流量调节方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种风电机组液冷系统多并联支路的流量调节方法，包括以下步骤：

S01、根据风电机组电气柜中各电气部件的设计发热功率得到对应各电气部件的散热量，再根据散热量得到各电气部件对应的标准冷却液流量；

S02、根据各电气部件对应的标准冷却液流量以及实际冷却液流量，得到对应电气部件上冷却液管道上接头的标准孔径；

S03、在不更换原有冷却液管道的情况下，将各电气部件对应的冷却液管道中的原有接头更换为标准孔径的接头，实现冷却液流量的调节。

优选地，所述步骤S01中各电气部件的散热量的计算过程为：

S11、根据风电机组电气柜中各电气部件的设计发热功率，以及散热材质的特性，按照公式(1)得到对应电气部件在额定工况下的温升ΔT_m；

ΔT_m＝(T1-T2)＝RQ₁ (1)

其中ΔT_m为温升，Q₁为设计发热功率；R＝R₀+R_S；R₀为散热材料的热阻；R_S为散热材料与电气部件之间的接触电阻；

S12、将ΔT_m代入公式(2)中，得到冷却液出口温度；

ΔT_m＝(ΔT₁-ΔT₂)/ln(ΔT₁-ΔT₂) (2)

其中ΔT₁为冷却液进口温度减去冷流出口温度；ΔT₂为冷却液出口温度减去冷流进口温度；

S13、根据冷却液出口温度计算冷却液温差ΔT，并根据传热公式(3)，计算得到散热量Q₂：

Q₂＝C*M*ΔT (3)

其中Q₂为散热量；C为冷却液比热；ΔT为冷却液温差；M为冷却液流量。

优选地，根据散热量得到各电气部件对应的标准冷却液流量的过程为：在步骤S13中，在散热量大于设计发热功率并预留余量的基础上，根据式(3)得到各电气部件对应的标准冷却液流量。

优选地，在步骤S02中，如果标准冷却液流量小于实际冷却液流量，则所述标准孔径按公式(4)进行选取：

其中d_新为标准孔径，Q_新为标准冷却液流量；Q_旧为实际冷却液流量；d_旧为原有接头的孔径。

优选地，在步骤S02中，计算各孔径的接头在不同流量下的压力损失ΔP₁，以及在不同流量下冷却液管道的压力损失ΔP₂；则对应单支软管的压力损失ΔP₃为：

ΔP₁＝2.25*ξ*ρ*Q²/d_旧 ⁴ (5)

ΔP₂＝6.78*Q*υ*L*ρ/d_管 ⁴ (6)

ΔP₃＝2(ΔP₁+ΔP₂) (7)

其中Q为冷却液流量；ξ为接头的阻力系数；υ为冷却液粘度；ρ为冷却液密度，L为单支软管的长度；d_管为管道的通径；

在只更换接头而不更换管道的模式下，ΔP₂忽略不计的情况下，要求更换后的接头压力ΔP_新>ΔP₃，即2.25*ξ*ρ*Q_新 ²/d_新 ⁴>2*2.25*ξ*ρ*Q_旧 ²/d_旧 ⁴，从而得到标准孔径。

优选地，在步骤S03中，更换标准孔径的接头后，风电机组电气柜中的冷却液总流量与初始总流量基本保持一致。

优选地，所述接头为即插式管接头。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的风电机组液冷系统多并联支路的流量调节方法，在不改变原有管道以及接口形式的前提下，通过改变各并联支路接头的孔径大小，调节各并联支路的冷却液流量，改动小、可靠性高、适用于现有系统的改造。

附图说明

图1为本发明中水冷系统的结构示意图。

图2为本发明方法中得到冷却液流量的方法流程图。

图3为本发明方法中得到孔径的方法流程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1至图3所示，本实施例的风电机组液冷系统多并联支路的流量调节方法，适用于已经投入运行的未安装流量调节装置的液冷系统中，具体包括以下步骤：

S01、根据风电机组电气柜中各电气部件的设计发热功率得到对应各电气部件的散热量，再根据散热量得到各电气部件对应的标准冷却液流量；

S02、根据各电气部件对应的标准冷却液流量以及实际冷却液流量，得到对应电气部件上冷却液管道上接头的标准孔径；

S03、在不更换原有冷却液管道的情况下，将各电气部件对应的冷却液管道中的原有接头更换为标准孔径的接头，实现冷却液流量的调节。

本发明的风电机组液冷系统多并联支路的流量调节方法，在不改变原有管道以及接口形式的前提下，通过改变各并联支路接头的孔径大小，调节各并联支路的冷却液流量，改动小、可靠性高、适用于现有系统的改造。

本实施例中，步骤S01中各电气部件的散热量的计算过程为：

S11、根据风电机组电气柜中各电气部件的设计发热功率，以及散热材质的特性，按照公式(1)得到对应电气部件在额定工况下的温升ΔT_m；

ΔT_m＝(T1-T2)＝RQ₁ (1)

其中ΔT_m为温升，Q₁为设计发热功率；R＝R₀+R_S；R₀为散热材料的热阻；R_S为散热材料与电气部件之间的接触电阻；

S12、将ΔT_m代入公式(2)中，得到冷却液出口温度；

ΔT_m＝(ΔT₁-ΔT₂)/ln(ΔT₁-ΔT₂) (2)

其中ΔT₁为冷却液进口温度减去冷流出口温度；ΔT₂为冷却液出口温度减去冷流进口温度；

S13、根据冷却液出口温度计算冷却液温差ΔT，并根据传热公式(3)，计算得到散热量Q₂：

Q₂＝C*M*ΔT (3)

其中Q₂为散热量；C为冷却液比热；ΔT为冷却液温差；M为冷却液流量；

本实施例中，根据散热量得到各电气部件对应的标准冷却液流量的过程为：在步骤S13中，在散热量大于设计发热功率并预留余量的基础上，根据式(3)得到各电气部件对应的标准冷却液流量。

本实施例中，在步骤S02中，如果标准冷却液流量小于实际冷却液流量，则所述标准孔径按公式(4)进行适当选取：

其中d_新为标准孔径，Q_新为标准冷却液流量；Q_旧为实际冷却液流量；d_旧为原有接头的孔径。

本实施例中，在步骤S02中，计算各孔径的接头在不同流量下的压力损失ΔP₁，以及在不同流量下冷却液管道的压力损失ΔP₂；则对应单支软管的压力损失ΔP₃为：

ΔP₁＝2.25*ξ*ρ*Q²/d_旧 ⁴ (5)

ΔP₂＝6.78*Q*υ*L*ρ/d_管 ⁴ (6)

ΔP₃＝2(ΔP₁+ΔP₂) (7)

其中Q为冷却液流量；ξ为接头的阻力系数；υ为冷却液粘度；ρ为冷却液密度，L为单支软管的长度；d_管为管道的通径；

在只更换接头而不更换管道的情况下，ΔP₂忽略不计的情况下，要求更换后的接头压力ΔP_新>ΔP₃，即2.25*ξ*ρ*Q_新 ²/d_新 ⁴>2*2.25*ξ*ρ*Q_旧 ²/d_旧 ⁴，从而得到标准孔径。

本实施例中，在步骤S03中，更换标准孔径的接头后，风电机组电气柜中的冷却液总流量与初始总流量基本保持一致，接头为即插式管接头。

以1.65MW双馈风电机组水冷系统为例，如图1所示，各电气部件发热功率如表1所示，

表1：

IGBT	11.35KW	机侧8.652KW，网侧2.699KW
			电阻板	2.8KW
电抗器	1.1KW
			电容	150W
熔断器	150W
			接触器	350W
偏航变频器	300W
			接线端子	500W

根据机侧、网侧发热及其散热结构推算出机侧、网侧IGBT基板的温升。

模块与散热器之间通过有效接触的热传导面积传导热量，散热器通过水冷方式将热量散发出去。

根据公式ΔT_m＝(T1-T2)＝RQ₁ (1)

其中R＝R₀+R_S；R₀为散热材料的热阻；R_S为散热材料与电气部件之间的接触电阻；按照基板尺寸计算得1.51，RS选取经验参数为0.5，从而得到机侧ΔT_m＝(1.51+0.5)×8.65＝17.39℃；而网侧的ΔT_m＝(1.51+0.5)×2.7＝5.42℃。其中散热材料厚度L由元件自身参数拱度L1及散热器加工精度平整度L2决定，L＝L1+L2。如IGBT紧固后拱度≤80μm，散热器平整度≤30μm，LMAX＝110mm。LMAX将决定涂敷工艺参数或导热垫材料厚度选择。

针对机侧，可根据ΔT_m代入式(2)反推散热量如下：

ΔT_m＝(ΔT₁-ΔT₂)/ln(ΔT₁-ΔT₂)，其中ΔT_m＝17.39℃(计算所得IGBT基板温升)，冷流(空气侧)进口温度：27.6℃(实验时实测数据)；冷流(空气侧)出口温度：40.9℃(实验时实测数据)；热流(水侧)进口温度：45℃(实验时实测数据)，从而推导出热流(水侧)出口温度为：58.3℃。

此时介质(冷却液)对应的温差ΔT＝58.3-45＝13.3℃，代入公式(3)中，可计算得到：

当流量为10L/min时，

现有结构机侧散热板的散热量为9333W＞8652.4W,余量为7.8％；

现有结构网侧散热板的散热量为9333W＞2699W，余量为245.8％；

当流量为11L/min时，

现有结构机侧散热板的散热量为10267W＞8652.4W,余量为18％；

现有结构网侧散热板的散热量为10267W＞2699W，余量为280.4％；

当流量为12L/min时，

现有结构机侧散热板的散热量为11200W＞8652.4W,余量为29.4％；

现有结构网侧散热板的散热量为11200W＞2699W，余量为315％。

由此，为保证一定的散热余量，机侧IGBT流量应≥12L/M，而网侧IGBT流量只需8L/M即可。

如图3所示，根据现有冷却液流量、接头管径，经过相应计算，最终得到标准管径，具体过程为：

单只直通接头压力损失△P1：

已知：

管道内的流量：Q＝10L/min
	接头的孔径：d＝9mm
阻力系数：直接接头：ξ＝1.12
	介质密度：ρ＝1.06kg/dm3(50％水+50％乙二醇混合液的粘度)

由公式ΔP₁＝2.25*ξ*ρ*Q²/d_旧 ⁴得到单只直通接头压力损失ΔP₁＝0.005bar

单位长度(1m)管道上的压力损失ΔP₂

已知：

管道内的流量：Q＝10L/min
	管道的通径：d＝15mm
介质粘度：υ＝10mm<sup>2</sup>/s(根据查表计算水+乙二醇混合液的粘度)
	单位长度：L＝1000mm
介质密度：ρ＝1.06kg/dm3(50％水+50％乙二醇混合液的粘度)

由公式ΔP₂＝6.78*Q*υ*L*ρ/d_管 ⁴得出：单位长度(1m)管道上的压力损失ΔP₂＝0.001bar；

单根支路软管长度为2米的压力损失为ΔP₃＝2(ΔP₁+ΔP₂)＝0.012bar(假设单根软管支路流量为10L/min)。

由此，如果要调整单根支路流量小于10L/min，就必须增大单根支路的压力损失＞0.012bar，由以上计算公式ΔP₁＝2.25*ξ*ρ*Q²/d_旧 ⁴可知，可通过减小支路接头孔径的办法进行。

因只更换接头，不更换管道，管道压力损失ΔP₁可以忽略不计，则总压力损失计算公式可以简化如下：

ΔP₃＝2(ΔP₁+ΔP₂)≈2ΔP₁。

原则上要求更换接头后导致的接头压力损失ΔP_新>ΔP₃，

即2.25*ξ*ρ*Q_新 ²/d_新 ⁴>2*2.25*ξ*ρ*Q_旧 ²/d_旧 ⁴，

简化后即得：需更换的接头孔径再按照接头规格选取接头。

以上述例子进行说明：原管道通径为15、接头孔径为φ9，流量为10L/M的支路，要使该管道通径为15的支路流量减少到6L/M,则更换的新接头孔径d_新＜5.86，按照接头规格(一般取整)，选取接头孔径为φ5。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种风电机组液冷系统多并联支路的流量调节方法，适用于已经投入运行的未安装流量调节装置的液冷系统中，其特征在于，包括以下步骤：

S01、根据风电机组电气柜中各电气部件的设计发热功率得到对应各电气部件的散热量，再根据散热量得到各电气部件对应的标准冷却液流量；

S02、根据各电气部件对应的标准冷却液流量以及实际冷却液流量，得到对应电气部件上冷却液管道上接头的标准孔径；

S03、在不更换原有冷却液管道的情况下，将各电气部件对应的冷却液管道中的原有接头更换为标准孔径的接头，实现冷却液流量的调节；

所述步骤S01中各电气部件的散热量的计算过程为：

S11、根据风电机组电气柜中各电气部件的设计发热功率，以及散热材质的特性，按照公式(1)得到对应电气部件在额定工况下的温升ΔT_m；

ΔT_m＝(T1-T2)＝RQ₁ (1)

其中ΔT_m为温升，Q₁为设计发热功率；R＝R₀+R_S；R₀为散热材料的热阻；R_S为散热材料与电气部件之间的接触电阻；

S12、将ΔT_m代入公式(2)中，得到冷却液出口温度；

ΔT_m＝(ΔT₁-ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) (2)

其中ΔT₁为冷却液进口温度减去冷流出口温度；ΔT₂为冷却液出口温度减去冷流进口温度；

S13、根据冷却液出口温度计算冷却液温差ΔT，并根据传热公式(3)，计算得到散热量Q₂：

Q₂＝C*M*ΔT (3)

其中Q₂为散热量；C为冷却液比热；ΔT为冷却液温差；M为冷却液流量。

2.根据权利要求1所述的风电机组液冷系统多并联支路的流量调节方法，其特征在于，根据散热量得到各电气部件对应的标准冷却液流量的过程为：在步骤S13中，在散热量大于设计发热功率并预留余量的基础上，根据式(3)得到各电气部件对应的标准冷却液流量。

3.根据权利要求1至2中任意一项所述的风电机组液冷系统多并联支路的流量调节方法，其特征在于，在步骤S02中，如果标准冷却液流量小于实际冷却液流量，则所述标准孔径按公式(4)进行选取：

其中d_新为标准孔径，Q_新为标准冷却液流量；Q_旧为实际冷却液流量；d_旧为原有接头的孔径。

4.根据权利要求3所述的风电机组液冷系统多并联支路的流量调节方法，其特征在于，在步骤S02中，计算各孔径的接头在不同流量下的压力损失ΔP₁，以及在不同流量下冷却液管道的压力损失ΔP₂；则对应单支软管的压力损失ΔP₃为：

ΔP₁＝2.25*ξ*ρ*Q²/d_旧 ⁴ (5)

ΔP₂＝6.78*Q*υ*L*ρ/d_管 ⁴ (6)

ΔP₃＝2(ΔP₁+ΔP₂) (7)

其中Q为冷却液流量；ξ为接头的阻力系数；υ为冷却液粘度；ρ为冷却液密度，L为单支软管的长度；d_管为管道的通径；

在只更换接头而不更换管道的模式下，ΔP₂忽略不计的情况下，要求更换后的接头压力ΔP_新>ΔP₃，即2.25*ξ*ρ*Q_新 ²/d_新 ⁴>2*2.25*ξ*ρ*Q_旧 ²/d_旧 ⁴，从而得到标准孔径。

5.根据权利要求1至2中任意一项所述的风电机组液冷系统多并联支路的流量调节方法，其特征在于，在步骤S03中，更换标准孔径的接头后，风电机组电气柜中的冷却液总流量与初始总流量基本保持一致。

6.根据权利要求1至2中任意一项所述的风电机组液冷系统多并联支路的流量调节方法，其特征在于，所述接头为即插式管接头。