CN108518319A - 海上风力发电机组塔底冷却除湿系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海上风力发电机组塔底冷却除湿系统及控制方法，包括水冷循环和风冷循环，水冷和风冷循环在塔内的两个热交换器上进行耦合。根据风机的不同状态，此系统可自动切换冷却模式和除湿模式，塔内热交换器上方的吹风风扇驱动塔内空气进入通风管与热交换器表面接触，当管内冷却液温度达到冷凝温度时，空气中的水蒸气凝结成水，顺着热交换器下方的折弯管流出，达到除湿的目的。既保证了塔底部件及环境温度的调节又实现了塔内环境自动除湿，该系统不仅能够实现对塔底多个液冷部件、塔内环境温度的控制，同时可以实现几乎不增加成本地有效除湿，达到对塔内环境湿度的控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种设备除湿技术，特别涉及一种海上风力发电机组塔底冷却除湿系统及控制方法。
背景技术
随着风电技术的逐步成熟，风力发电在能源供给中所占的比例逐年增大，在调整我国能源供给状态中起着重要作用。近年来，陆上风资源开发趋于饱和，同时海上风电具有风资源稳定、可利用资源丰富、并网条件好等优点，海上风力发电逐渐成为我国资源开发的重点。然而，海上风电所处环境恶劣，海上空气湿度大，引起机组受腐蚀严重、除湿成本高昂等一系列弊端，高效除湿成为开发海上风电的关键挑战。
对于海上风电机组塔筒部分，目前我们采用的方法是：将塔筒内外隔开，尽量不从外界引风至塔内，塔内相对于塔外较独立，通过塔内散热器保证塔内空气与冷却介质的热交换，解决了塔内环境温度的控制问题。但此设计并不能保证塔内绝对密闭，高湿的大气仍然会从塔筒缝隙处进入塔筒，长此以往仍然会对塔内部件造成腐蚀。目前我们只能利用除湿机、通过人工定期出海对塔内环境空气进行除湿，保证塔内部件能够在良好环境中运行。但此方法会带来高昂的人工成本及出海费用，不利于长期实施。为了解决这一问题，降低海上风电除湿的投资成本，避免专门出海除湿带来的费用，我们结合现有的塔底冷却系统，充分利用塔内的热交换器，开发塔底冷却系统除湿功能，并通过控制手段，设计出塔底冷却除湿一体化自动控制系统。
发明内容
本发明是针对海上风力发电机组冷却除湿的问题，提出了一种海上风力发电机组塔底冷却除湿系统及控制方法，既保证了塔底部件及环境温度的调节又实现了塔内环境自动除湿，对改善塔底环境条件，降低风力发电机组运维成本具有重大实际意义。
本发明的技术方案为：一种海上风力发电机组塔底冷却除湿系统，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，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，塔内热交换器各带一风扇，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，通过两层平台隔板上的通风孔流入顶层平台，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两个塔内热交换器耦合；
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，泵站三通阀，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，一路接泵站三通阀，泵站三通阀另两通，一通接塔外热交换器出口，一通接循环泵入口；
在两个水冷功耗器件入口各设置一个电动三通阀，两个电动三通阀与两个水冷功耗器件出口之间分别设有一旁路管路，两风扇为吹风风扇，位于两个塔内热交换器上部，两个塔内热交换器下部各安装一折弯风管，风管出口朝向塔筒壁一侧，两个空气加热器位于中间一层，置于两通风管之间。
所述海上风力发电机组塔底冷却除湿系统控制方法，包括除湿模式控制和冷却模式控制，
循环泵出口有一个温度传感器，检测水冷循环泵出口温度；塔外热交换器出口处安装一个温度传感器，检测塔外冷却后的回水温度是否满足除湿条件；塔内远离热源的中间层平台上方安装一个温度传感器和一个湿度传感器，分别测量塔筒内环境的温度、湿度；
除湿模式控制：
1）当风机处于并网停机状态时，控制水冷功耗器件入口处的电动三通阀处于全关状态，水冷循环两个塔内热交换器上冷却水分别通过旁路管路进入管道，水冷循环不经过水冷功耗器件；
2）根据塔内环境的温度与湿度状态，确定冷凝温度，关闭泵站三通阀，两个塔内热交换器出水外循环，进入塔外热交换器，开启相应数量塔外散热器，保证水温达到冷凝温度，开启循环泵；
3）开启塔内散热器风扇，塔内空气在负压作用下被吸入通风管，通风管空气中的水蒸气碰触热交换器表面，与热交换器进行热交换，达到冷凝温度，即可凝结于塔内热交换器表面；
4）当塔内温度低于设定值时，开启塔内空气加热器，以保证水冷功耗器件处于正常工作环境温度范围；当塔内温度高于设定值时，关闭塔内空气加热器即可；
冷却模式控制：
当风机处于并网运行状态时，控制水冷功耗器件入口处的电动三通阀处于全开状态，水冷循环走水冷功耗器件内侧，开启冷却模式，
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，泵站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，泵站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；
（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泵站三通阀开度，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，同时将泵站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，系统通过降低泵站三通阀开度提升外循环水温，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：本发明海上风力发电机组塔底冷却除湿系统及控制方法，为了快速、低成本除湿，保证功率耗件在适宜的温湿度环境中工作，提出的一种塔底冷却除湿一体化控制方法及系统。该系统中功率耗件入口处的三通阀能够根据冷却液温度自动调节流量，避免在功率耗件内部发生凝露；塔内热交换器上部的吹风风扇，可以有效避免凝结水打湿风扇电机；塔内热交换器下部的折弯管，能够保证冷凝水与管壁完全接触，从而顺着管壁流出，而不至于飞溅。通过对功率耗件入口三通阀、塔内热交换器风扇、塔外热交换器风扇的自动调节，该系统不仅能够实现对塔底多个液冷部件、塔内环境温度的控制，同时可以实现几乎不增加成本地有效除湿，达到对塔内环境湿度的控制。
附图说明
图1为本发明海上风力发电机组塔底冷却除湿系统原理图；
图2为本发明塔内循环风路示意图；
图3为本发明海上风力发电机组塔底冷却除湿系统布局图。
具体实施方式
海上风力发电机组塔底冷却除湿系统主要由水冷循环、塔内热交换器、塔外热交换器以及一套塔内风冷循环组成，水冷循环与风冷循环在塔内热交换器上进行热交换，通过一套冷却除湿自动控制方法，实现整个塔底冷却模式与除湿模式全程自动化切换。
如图1所示为本发明海上风力发电机组塔底冷却除湿系统原理图，包括主循环泵8、9，过滤器7，泄压阀6，塔内热交换器3、4，功耗器件1、2，功耗器件入口三通阀34、35，泵站三通阀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；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直接与泵站三通阀11连接，泵站三通阀11处于全开状态下，管路22与泵站三通阀11连通，管路21与泵站三通阀11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汇入泵站三通阀11，最后由泵站三通阀11流回泵站，形成循环；泵站三通阀11处于全关状态时，管路21与泵站三通阀11连通，管路22与泵站三通阀11的连接切断，冷却液直接通过管路21流向泵站三通阀11，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泵站三通阀11调节实现，泵站三通阀11全开，冷却液全部流入外旁路，此时系统散热能力最强，泵站三通阀11全关，流入外旁路冷却液流量为0，系统散热能力最弱，此为水冷循环。
当风力发电机组处于并网停机状态时，控制功率耗件入口处的三通阀34、35处于全关状态，水冷循环走功率耗件外侧管路36、38，开启除湿模式。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的同时，空气中的水蒸气凝结于两个热交换器表面。热交换器3中冷却液先后通过管路15、旁通管36、17，热交换器4中冷却液先后通过管路16、旁通管38、18后，两路水冷液汇合于管路19。同时保证泵站入口处的泵站三通阀11处于全开状态，管路21与泵站三通阀11切断，冷却液全部通过管路20进入塔外热交换器12，根据塔筒内环境温度与湿度数据，确定冷凝温度，自动开启相应数量塔外热交换器12，保证水温达到冷凝温度，达到塔内空气中水蒸气凝结的效果。冷却液从塔外热交换器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。当风机处于运行状态时，控制功率耗件入口处的三通阀34、35处于全开状态，水冷循环走功率耗件内侧，开启冷却模式。
如图2所示为本发明塔内循环风路示意图，主要由塔内热交换器4、3，通风管32、27，风扇33、31，空气加热器23、24及导风管42、43构成。通风管32、27分别位于热交换器4、3上部，风扇33、31分别安装在塔内热交换器4、3上方，导风管42、43为L型或Z型弯折结构，安装于热交换器下方。塔筒内部空气经塔内风扇33、31驱动，经由塔内热交换器4、3中吹出，在热交换器4、3附近形成负压区，塔筒内空气经风管32、27内负压作用，被引至塔顶进入风管内部，进而被风扇33、31吹出，从导风管42、43导出，形成风循环。如图2所示，塔内中间层平台空旷处，配置一个温度传感器和一个湿度传感器，分别测量塔筒内空气温度、湿度，此数据决定了水温控制方案，当热交换器3、4内部液体温度满足水蒸气凝结条件时，塔内空气中的水蒸气碰触热交换器3、4表面，与热交换器3、4进行热交换，达到冷凝温度，即可凝结于塔内热交换器3、4表面，达到除湿的效果。当塔内温度低于设定值时，开启塔内空气加热器23、24，以保证功率耗件1、2处于正常工作环境温度范围，当塔内温度高于设定值时，关闭塔内空气加热器23、24即可。
如图3所示为本发明塔底冷却除湿系统布局图。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，空气加热器23、24位于第二层内，置于两通风管32、27之间，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。水冷液自循环泵流出后分别经管路13、14流入塔内热交换器3、4，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贯穿中间层和顶层平台；水冷液流出塔内热交换器3、4之后，分别经管路15、16进入位于顶层平台水冷功耗部件2入口处的三通阀34和底层平台水冷功耗部件1入口处的三通阀35。当处于除湿模式时，水冷液经管路36、38后从管路17、18流出，17、18中的冷却液汇流后通过管路20流向塔外热交换器12，然后经管路22流出至泵站三通阀11，最后回流至主循环泵8、9。塔内风路循环与水路循环通过塔内热交换器3、4耦合，风管32、27内的空气由风扇31、33驱动后吹向底层，塔内底层平台和中间层的空气在负压的作用下，通过隔板上的通风孔流向顶层平台，最后由负压吸入至通风管27、32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。
循环泵出口有一个温度传感器，检测水冷循环泵出口温度；塔外热交换器出口处安装一个温度传感器，检测塔外冷却后的回水温度是否满足除湿条件；塔内远离热源的中间层平台上方安装一个温度传感器和一个湿度传感器，分别测量塔筒内环境的温度、湿度，当需要进入除湿模式时，可以根据此数据判断塔外热交换器开启数量。
所述大功率海上风力发电机组塔底冷却除湿系统的控制方法，包括除湿模式控制和冷却模式控制：
除湿模式控制：
1. 当风机处于并网停机状态时，控制功率耗件入口处的三通阀门处于全关状态，水冷循环走功率耗件外侧，开启除湿模式。
2. 根据塔内环境的温度与湿度状态，确定冷凝温度，关闭泵站三通阀，冷却液走外循环，关闭泵站加热器，开启相应数量塔外散热器，保证水温达到冷凝温度，开启泵。
3. 开启塔内散热器风扇，塔内空气在负压作用下被吸入通风管，通风管空气中的水蒸气碰触热交换器表面，与热交换器进行热交换，达到冷凝温度，即可凝结于塔内热交换器表面。
4. 当塔内温度低于设定值时，开启塔内空气加热器，以保证功率耗件处于正常工作环境温度范围；当塔内温度高于设定值时，关闭塔内空气加热器即可。
冷却模式控制：
当风机处于并网运行状态时，控制功率耗件入口处的三通阀门处于全开状态，水冷循环走功率耗件内侧，开启冷却模式。
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，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。
Claims (2)
1.一种海上风力发电机组塔底冷却除湿系统，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（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，塔内热交换器（3、4）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，通过两层平台隔板上的通风孔流入顶层平台，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；
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），泵站三通阀（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），一路接泵站三通阀（11），泵站三通阀（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；
其特征在于，在两个水冷功耗器件（1、2）入口各设置一个电动三通阀（34、35），两个电动三通阀（34、35）与两个水冷功耗器件（1、2）出口之间分别设有一旁路管路（36、38），两风扇（31、33）为吹风风扇，位于两个塔内热交换器上部，两个塔内热交换器下部各安装一折弯风管（42、43），风管出口朝向塔筒壁一侧，两个空气加热器（23、24）位于中间一层，置于两通风管（27、32）之间。
2.根据权利要求1所述海上风力发电机组塔底冷却除湿系统控制方法，其特征在于，包括除湿模式控制和冷却模式控制，
循环泵出口有一个温度传感器，检测水冷循环泵出口温度；塔外热交换器（12）出口处安装一个温度传感器，检测塔外冷却后的回水温度是否满足除湿条件；塔内远离热源的中间层平台上方安装一个温度传感器和一个湿度传感器，分别测量塔筒内环境的温度、湿度；
除湿模式控制：
1）当风机处于并网停机状态时，控制水冷功耗器件（1、2）入口处的电动三通阀（34、35）处于全关状态，水冷循环两个塔内热交换器（3、4）上冷却水分别通过旁路管路（36、38）进入管道，水冷循环不经过水冷功耗器件（1、2）；
2）根据塔内环境的温度与湿度状态，确定冷凝温度，关闭泵站三通阀（11），两个塔内热交换器（3、4）出水外循环，进入塔外热交换器（12），开启相应数量塔外散热器，保证水温达到冷凝温度，开启循环泵；
3）开启塔内散热器风扇（31、33），塔内空气在负压作用下被吸入通风管（27、32），通风管（27、32）空气中的水蒸气碰触热交换器（3、4）表面，与热交换器（3、4）进行热交换，达到冷凝温度，即可凝结于塔内热交换器（3、4）表面；
4）当塔内温度低于设定值时，开启塔内空气加热器（23、24），以保证水冷功耗器件（1、2）处于正常工作环境温度范围；当塔内温度高于设定值时，关闭塔内空气加热器（23、24）即可；
冷却模式控制：
当风机处于并网运行状态时，控制水冷功耗器件（1、2）入口处的电动三通阀（34、35）处于全开状态，水冷循环走水冷功耗器件（1、2）内侧，开启冷却模式，
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，泵站三通阀（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，泵站三通阀（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；
（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泵站三通阀（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，系统控制风扇开启，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，同时将泵站三通阀（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，系统通过降低泵站三通阀（11）开度提升外循环水温，然后开启两个风扇（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。
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