风力发电机组集中式水冷系统设计方法
阅读说明：本技术 风力发电机组集中式水冷系统设计方法 (Design method of centralized water cooling system of wind generating set ) 是由 贺国凌 张洪溢 肖长远 余民姚 于 2021-09-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种风力发电机组集中式水冷系统设计方法,包括如下步骤：分别获取发热部件的冷却部的最大允许入口水温；判断任意两个允许入口水温之间的温差,若两两允许入口水温之间的温差均大于基准值,则将发热部件的冷却部按照允许入口水温由低到高的顺序串联设置；若两两允许入口水温之间的温差中至少有一个值大于基准值,则将允许入口水温最接近的两个发热部件的冷却部并联然后再与入口水温相差最大的发热部件的冷却部串联；若两两允许入口水温之间的温差均不大于基准值,则将发热部件的冷却部均并联设置。用于发电机、变频器、变压器集中冷却的系统原理布局和各节点参数设计,为发电机、变频器、变压器集中式水冷系统的开发应用提供支持。(The invention provides a design method of a centralized water cooling system of a wind generating set, which comprises the following steps: respectively acquiring the maximum allowable inlet water temperature of a cooling part of a heating part; judging the temperature difference between any two allowable inlet water temperatures, and if the temperature difference between every two allowable inlet water temperatures is larger than a reference value, serially connecting the cooling parts of the heating parts according to the sequence of the allowable inlet water temperatures from low to high; if at least one value in the temperature difference between every two allowable inlet water temperatures is larger than a reference value, the cooling parts of the two heating parts with the closest allowable inlet water temperatures are connected in parallel and then connected in series with the cooling part of the heating part with the largest difference in the inlet water temperatures; if the temperature difference between the two allowable inlet water temperatures is not greater than the reference value, the cooling parts of the heating parts are all arranged in parallel. The system principle layout and each node parameter design for the centralized cooling of the generator, the frequency converter and the transformer provide support for the development and application of the centralized water cooling system of the generator, the frequency converter and the transformer.)
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种风力发电机组集中式水冷系统设计方法。
背景技术
随着风力发电机组朝着大兆瓦、海上化方向不断发展，越来越多的机组的发电机、变压器、变流器，安装位置由以前分散在塔基、机舱各处转向为集中安装于机舱内部，使得针对这三大部件的集中式水冷系统的开发具备较大的可行性。目前行业内风电机组的发电机冷却系统、变频器冷却系统、变压器冷却系统相互独立，每一部分都有单独的散热末端、供水装置、连接管路及相关的传感器。由于零部件较多，设备初始投资成本较高，而且增加了故障点导致机组的维护成本增加，特别是对于海上机组，一次出海维护的费用不低，来回几次的运维费用有可能就能抵得上设备本身的成本。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的问题是提供一种风力发电机组集中式水冷系统设计方法，用于发电机、变频器、变压器集中冷却的系统原理布局和各节点参数设计，为发电机、变频器、变压器集中式水冷系统的开发应用提供理论支撑。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：本发明提供一种风力发电机组集中式水冷系统设计方法，用于风力发电机的发热部件发电机、变频器和变压器的冷却，包括如下步骤：
分别获取发热部件的冷却部的最大允许入口水温T1、T2、T3；
判断任意两个允许入口水温之间的温差T，并设置温差基准值N，将温差T与基准值N进行比较：
若两两允许入口水温之间的温差均大于基准值N，则将发热部件的冷却部按照允许入口水温由低到高的顺序串联设置；
若两两允许入口水温之间的温差中至少有一个值大于基准值，至少有一个小于基准值，则将允许入口水温最接近的两个发热部件的冷却部并联然后再与入口水温相差最大的发热部件的冷却部串联；
若两两允许入口水温之间的温差均不大于基准值N，则将发热部件的冷却部均并联设置。
进一步，冷却液在流经三个发热部件的冷却部后通过水泵和散热器后回流形成闭式循环，同时在冷却液流经每个发热部件的冷却部上并联设置流量调节机构控制发热部件的实际流量保持在额定流量运行。
进一步，若两两允许入口水温之间的温差均大于基准值N，若两两允许入口水温之间的温差均大于基准值N，则将发热部件的冷却部按照允许入口水温由低到高的顺序串联设置，根据如下步骤设置冷却系统的额定总流量：
按照冷却液的流动顺序，判断第一个冷却部的冷却液流出温度与第二个冷却部的允许入口温度大小；
通过增加对应冷却部并联的旁通支路的流量增加总流量直至其相等，同时得到一个系统总流量一；
然后判断第一、第二个冷却部件的额定流量的大小，通过增加与较小部件并联的旁通支路的流量来增加总流量，使得系统总流量等于较大部件的额定流量；
然后判断第二个冷却部件流出的冷却液的温度与第三个部件的允许入口温度的大小；
通过增加第一个或/和第二个冷却部件并联的流量调节机构的流量，使得第二个冷却部件流出的冷却液的温度与第三个部件的允许入口温度相等，并得到一个系统总流量二；
在根据系统总流量二和第三个冷却部件的额定流量量大小以及三个冷却部件的额定流量大小来确定额定系统总流量。
进一步，若两两允许入口水温之间的温差中至少有一个值大于基准值，至少有一个小于基准值，则将允许入口水温最接近的两个发热部件的冷却部并联然后再与入口水温相差最大的发热部件的冷却部串联，根据如下步骤设置冷却系统的额定总流量：
首先确定两个并联部件的额定流量之和以及并联部件出口的混合冷却水的水温；
比较混合冷却水的水温与串联冷却部的入口允许水温大小：
若合冷却水的水温大于串联冷却部的入口允许水温，通过改变并联冷却部件的旁通支路的流量调节机构的流量来增大总流量直至总流量等于串联部件的额定流量，此时冷却系统的额定总流量为串联部件的额定流量；
若冷却水的水温不大于串联冷却部的入口允许水温，且两个并联部件的额定流量之和小于串联冷却部的的流量，则通过增加并联冷却部件的旁通支路的流量调节机构的流量来增大总流量直至总流量等于串联部件的额定流量，此时冷却系统的额定总流量为串联部件的额定流量；
若冷却水的水温不大于串联冷却部的入口允许水温，且两个并联部件的额定流量之和大于等于串联冷却部的的流量，此时冷却系统的额定总流量为并联部件的额定流量之和。
进一步，若两两允许入口水温之间的温差均不大于基准值N，则冷却系统的额定总流量为所有冷却部的额定流量之和。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果：本发明提供一种风力发电机组集中式水冷系统设计方法，用于风力发电机的发热部件发电机、变频器和变压器的冷却，包括如下步骤：分别获取发热部件的冷却部的最大允许入口水温T1、T2、T3；判断任意两个允许入口水温之间的温差T，并设置温差基准值N，将温差T与基准值N进行比较：若两两允许入口水温之间的温差均大于基准值N，则将发热部件的冷却部按照允许入口水温由低到高的顺序串联设置；若两两允许入口水温之间的温差中至少有一个值大于基准值，至少有一个小于基准值，则将允许入口水温最接近的两个发热部件的冷却部并联然后再与入口水温相差最大的发热部件的冷却部串联；若两两允许入口水温之间的温差均不大于基准值N，则将发热部件的冷却部均并联设置。用于发电机、变频器、变压器集中冷却的系统原理布局和各节点参数设计，为发电机、变频器、变压器集中式水冷系统的开发应用提供理论支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明
具体实施方式
或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的实施例一的冷却系统原理图；
图3为本发明实施例一的设计流程图；
图4为本发明的实施例二的冷却系统原理图；
图5为本发明实施例二的设计流程图；
图6为本发明的实施例三的冷却系统原理图；
图7为本发明实施例一的具体实施例的流程图；
附图标记：1-流量调节机构。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
请参阅图1～7所示，一种风力发电机组集中式水冷系统设计方法，用于风力发电机的发热部件发电机、变频器和变压器的冷却，包括如下步骤：
分别获取发热部件的冷却部的最大允许入口水温T1、T2、T3；
根据风力发电机的发电机、变频器和变压器选取型号获取其发热源的冷却要求如下表所示：
发电机
变频器
变压器
发热功率/kW
Q1
Q2
Q3
允许最大入口水温/℃
T1
T2
T3
额定流量/(L/min)
q1
q2
q3
判断任意两个允许入口水温之间的温差T，并设置温差基准值N，将温差T与基准值N进行比较：
若两两允许入口水温之间的温差均大于基准值N，则将发热部件的冷却部按照允许入口水温由低到高的顺序串联设置；同时在每个发热部件上并联设置调节阀控制冷却液的流量，使得三大部件的实际流量保持在其额定流量运行。所述流量调节机构为调节阀。
具体的，由于三大部件允许的最大入口水温差值较大，利用不同梯度水温对用冷设备进行冷却。
实施例一，如任意两个允许入口水温之间的温差比较结果为T1-T2>N，T2-T3>N，则将用冷设备串联式分布，按照入口温度由低到高的顺序，冷却液先进入变压器，在经过变频器，最后流经发电机。发电机出来的冷却液经过散热器后有水泵输送回变压器，形成闭式循环。冷却液经过发电机、变频器和变压器的后温度值分别为t1、t2、t3，q0为系统最终确定的额定流量；
首先系统流量按照入口水温最低部件变压器的额定流量q3设定，判断流经变压器后的冷却液温度值t3是否大于变频器的最大允许入口水温T2：
若t3>T2则通过增加变压器旁通支路来增大流量，直至t3＝T2，此时总流量为q4，若q4>q2则通过调节变频器的旁通支路流量来调节总流量使得总流量q4＝q2；然后判断流经变频器后的冷却液温度值t2与发电机的最大允许入口水温T1的大小：若t2>T1，则增大总流量，直至t2≤T1，此时总流量为q5，若q5<q1，系统最终确定的额定流量q0＝q1；若q5＝q1，则系统最终确定的额定流量q0＝q5；若q5<q1，则通过增加发电机旁通支路的流量来增加流量，直至流过发电机的总流量等于q5，然后系统最终确定的额定流量q0＝q5。
若q4<q2则通过调节变压器的旁通支路流量来调节总流量使得总流量q4＝q2；同时记录变压器的旁通支路的流量值以及每次的调节值；然后判断流经变频器后的冷却液温度值t2与发电机的最大允许入口水温T1的大小：若t2>T1则通过增加变频器旁通支路来增大总流量，直至t2＝T1，此时总流量为q5：若q5<q1，则系统最终确定的额定流量q0＝q1；若q5＝q1，则系统最终确定的额定流量q0＝q5；若q5<q1，则通过增加发电机旁通支路的流量来增加流量，直至总流量等于q5，然后系统最终确定的额定流量q0＝q5；若t2<T1且q2<q1，则通过增加变频器旁通支路的流量来增大总流量，直至总流量等于q1，然后系统最终确定的额定流量q0＝q1；若t2<T1且q2＝q1，则系统最终确定的额定流量q0＝q2；若t2<T1且q2>q1，通过增加发电机旁通支路的流量来增打总流量直至总流量等q2，则系统最终确定的额定流量q0＝q2。
若t3≤T2，且q3≥q2，这通过增加变频器旁通支路的流量来增大总流量，直至总流量等于q3，然后判断流经变频器后的冷却液温度值t2与发电机的最大允许入口水温T1的大小；若t2>T1，则通过增加变频器和变压器旁通支路的理论在增大总流量直至t2＝T1，此时总流量为q5，若q5<q1，则系统最终确定的额定流量q0＝q1；若q5＝q1，则系统最终确定的额定流量q0＝q5；若q5<q1，则通过增加发电机旁通支路的流量来增加流量，直至总流量等于q5，然后系统最终确定的额定流量q0＝q5；
若t3≤T2，且q3<q2，则通过增加变压器旁通支路的流量来增大总流量，直至总流量等于q2；然后判断流经变频器后的冷却液温度值t2与发电机的最大允许入口水温T1的大小；若t2>T1则通过增加变频器旁通支路来增大总流量，直至t2＝T1，此时总流量为q5：若q5<q1，则系统最终确定的额定流量q0＝q1；若q5＝q1，则系统最终确定的额定流量q0＝q5；若q5<q1，则通过增加发电机旁通支路的流量来增加流量，直至总流量等于q5，然后系统最终确定的额定流量q0＝q5；若t2<T1且q2<q1，则通过增加变频器旁通支路的流量来增大总流量，直至总流量等于q1，然后系统最终确定的额定流量q0＝q1；若t2<T1且q2＝q1，则系统最终确定的额定流量q0＝q2；若t2<T1且q2>q1，通过增加发电机旁通支路的流量来增打总流量直至总流量等q2，则系统最终确定的额定流量q0＝q2。
具体实施例，由热平衡公式Q＝q·ρ·cp·Δt，计算可得实际流过变压器、变频器、发电机冷却液的出口水温为t1、t2、t3，式中：Q为发热部件发热量，q为流过发热部件的流量；ρ为冷却液密度；cp为冷却液的定压比热容；Δt为冷却液流经发热部件前后的温度差值。
某风力发电机组，其发电机、变频器、变压器采用空水冷方式进行冷却，输入参数如下表所示；其中N的取值为2℃。
发电机
变频器
变压器
柜体数量/个
1
2
1
每个柜体发热功率/kW
230
100
80
允许的最大入口水温/℃
55
50
45
每个柜体额定流量/(L/min)
450
300
260
额定流量下的内部压损/bar
1
2
0.52
根据以上参数可知本系统属于实施例一，按实施例一将用冷设备串联式分布，按照入口温度由低到高的顺序，冷却液先进入变压器，再经过变频器，然后流经发电机，最后经过散热器后由水泵输送回变压器，形成闭式循环。再按实施例一的流程图对集中式冷却系统进行设计，具体的如图7所示，系统流量先按变压器流量选取，入口水温按变压器允许的最大入口水温45℃要求，冷却液以45℃流入变压器，带走变压器热量后，水温上升4.4℃，变压器出口水温为49.4℃，满足变频器入口水温要求，但由于变频器额定流量为600L/min，大于变此时的系统流量，故需增加变压器旁通调节支路，使系统流量保持600L/min,此时的变压器出口水温为46.9℃。冷却液流过变频器后，水温上升4.8℃，变频器出口水温为51.7℃，小于发电机最大入口水温55℃，满足发电机冷却要求，冷却液可直接流入发电机。由于变流器流量大于发电机额定流量，故需增加发电机旁通调节支路，使系统流量保持600L/min，此时的发电机出口水温为57.2℃。散热器将发电机出口冷却液温度由57.2℃降低为45℃，然后再流回变压器。本方案采用串联的方式，散热器前后温差为12.2℃，主体部件的总压损为△P＝△P1+△P2+△P3+△P4＝4.6bar。
实施例二，若两两允许入口水温之间的温差中至少有一个值大于基准值，至少有一个小于基准值，则将允许入口水温最接近的两个发热部件的冷却部并联然后再与入口水温相差最大的发热部件的冷却部串联；
将入口水温要求接近的两个发热部件——变频器、变压器并联，再与入口水温相差较大的发电机串联，充分利用不同梯度水温的同时，还可以平衡发电机和变频变压器并联支路总流量。假设0≤T2-T3≤N，T1-T2>N(变量互换，设计方法类似)，按照入口温度由低到高的顺序，冷却液先同时流过变频器和变压器，出口水温分别为t2、t3，混合后水温为t4，再流过发电机，发电机出口水温为t5。最后经过散热器后由水泵输送回变频器、变压器，形成闭式循环，其中变频器、变压器支路各有一个调节阀，用于将变频器、变压器实际流量控制为其额定流量。与发电机并联的调节阀、与变频器并联的调节阀，共同作用控制发电机实际流量为其额定流量。
具体的，将系统流量按变频器、变压器的额定流量之和设定，判断t4与T1的大小：
若t4>T1，则通过增加变压器旁通支路来增大总流量，直至t4＝T1，此时总流量为q4，若q4<q1，则通过增加变压器旁通支路流量，直至q4＝q1，则系统最终确定的额定流量q0＝q1；若q4≥q1，则系统最终确定的额定流量q0＝q4。
若t4≤T1，且q2+q3<q1，则通过增加变压器旁通支路来增大流量，直至总流量等于q1，则系统最终确定的额定流量q0＝q1；
若t4≤T1，且q2+q3≥q1，则通过增加发电架旁通支路流量来增大总流量，直至总流量等于q2+q3，则系统最终确定的额定流量q0＝q2+q3。
其中q0为系统最终确定的额定流量。在对发热部件增加支路调节流量时，需保证发热部件自身在额定流量下运行。通过流该设计方法，最终可以得到在情况二的初始条件下，各种不同状态时，集中式冷却系统对应的原理图和流量分配设计关系，为集中式冷却系统的搭建、各部件的选型提供参考。
实施例三，若两两允许入口水温之间的温差均不大于基准值N，则将发热部件的冷却部均并联设置；根据入口水温要求接近的特点，将发电机、变频器、变压器并联，使相同水温的冷却液同时流进用冷设备。用冷设备入口水温按发电机、变频器、变压器允许的最大入口水温中最小值选取，假设变压器入口水温最小，其原理图如图所示。冷却液按T3水温分别流过发电机、变频器、变压器。通过各支路的调节阀，控制发电机、变频器、变压器实际流量为其额定流量，其出口水温分别为t1、t2、t3，混合后水温为t4，冷却液再经过散热器后由水泵输送回发电机、变频器、变压器，形成闭式循环。系统总流量q0＝q1+q2+q3。
通过本方案的设计方法，可得到实现系统功能的主体部件的选型要求、系统布置以及系统内各节点的流量、温度情况，根据设计结果，配置对应冷却能力的散热器、对应性能的水泵等。也可再配合适量程的温度、流量传感器等辅助监测设备等。
通过本发明方法获得的集中式水冷系统，可以将发电机冷却系统、变频器冷却系统、变压器冷却系统这三部分水冷系统共用一个散热末端、采用一个供水装置、一套管路及一套传感器，资源集成利用，由于冷却部件的减少，故障出现的概率更低，成本也会降低。最终达到降低设备及维护成本并提高机组运行可靠性的目的。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。