基于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱散熱系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力傳輸技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種基于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱散熱系統(tǒng)和風(fēng) 力發(fā)電機(jī)組。
【背景技術(shù)】
[0002] 一、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒電力傳輸電纜應(yīng)用的物理概況
[0003] 近年來,隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量的不斷增大,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒電力傳輸電纜傳 輸?shù)碾娏鞯燃?jí)越來越大,電力傳輸電纜的直徑和重量也不斷增大,設(shè)計(jì)中電流負(fù)荷估算、實(shí) 際運(yùn)行中電流導(dǎo)致的發(fā)熱情況以及銅價(jià)上漲所造成的成本壓力等因素,都是整機(jī)設(shè)計(jì)廠家 非常關(guān)心的問題。
[0004] 1.電力傳輸電纜設(shè)計(jì)的一般要求
[0005] 電力傳輸電纜的設(shè)計(jì)、制造要充分考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安裝、運(yùn)行特點(diǎn)(如風(fēng)的 不可控性、隨機(jī)性,有時(shí)瞬時(shí)變化可達(dá)10m/ S以上,隨風(fēng)速變化風(fēng)機(jī)負(fù)載波動(dòng)幅度大)。應(yīng) 考慮頻繁的投入和切出以及振動(dòng)的影響,考慮風(fēng)機(jī)運(yùn)行中所受的各類載荷(穩(wěn)定、周期、隨 機(jī)、瞬態(tài)、諧振載荷),以滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。
[0006] 2.電力傳輸電纜的工作環(huán)境
[0007] 電力傳輸電纜敷設(shè)在塔筒內(nèi),豎直懸空放置,承受自垂重力作用,工作中需要經(jīng)常 偏航對(duì)風(fēng)(電力傳輸電纜扭轉(zhuǎn))。電力傳輸電纜導(dǎo)體長(zhǎng)期允許工作溫度80°C~90°C或更 高。電力傳輸電纜工作環(huán)境的溫度范圍會(huì)處于-40°C~60°C,相對(duì)濕度高達(dá)到95%,海拔高 度超出2000m以上。電力傳輸電纜有低溫抗扭轉(zhuǎn)性能、低溫柔軟性能、抗紫外線性能、耐磨 性能、耐油性能、防化學(xué)腐蝕性能、阻燃、耐臭氧性能耐海水腐蝕性能等。
[0008] 3.電力傳輸電纜的優(yōu)點(diǎn)
[0009] 塔筒電力傳輸電纜是為安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒內(nèi)而設(shè)計(jì)的,用于額定電壓0. 6/ IkV(690V)系統(tǒng),作為電力傳輸電纜使用。電力傳輸電纜的使用歷史較長(zhǎng),技術(shù)成熟,歸納起 來有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):
[0010] ⑴電力傳輸電纜有專業(yè)的絕緣及防護(hù)外層,絕緣性能好,外層一般具有阻燃性, 絕緣不助燃。
[0011] ⑵電力傳輸電纜柔韌性好,運(yùn)輸方便,不易損壞;電力傳輸電纜長(zhǎng)度自由度大, 任意長(zhǎng)度連接方便。
[0012] (3)電力傳輸電纜的外層易于做到高防護(hù)等級(jí),不用另外再加防護(hù)。
[0013] (4)電力傳輸電纜按電壓等級(jí)分有額定電壓450/750V、0.6/lkV、1.8/3kV、 3. 6/6kV、8. 7/10kV 及 26/35kV 等。
[0014] 單芯規(guī)格從I. 5mm2~400mm2不等,多芯規(guī)格從I. 5mm2~300mm2不等,選擇余地較 大。
[0015] (5)電力傳輸電纜對(duì)于礦物油、合成齒輪油以及液壓油具有卓越的耐受性,更適合 于高濕度、高鹽霧環(huán)境條件。
[0016] 4.電力傳輸電纜的缺點(diǎn)
[0017] 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒電力傳輸電纜,由幾十米長(zhǎng)(一般60~I IOm不等或更高)從機(jī) 艙到塔筒底部的整個(gè)電流傳輸長(zhǎng)度的若干電力傳輸電纜組成,電力傳輸電纜的敷設(shè)有分段 敷設(shè)和整體敷設(shè)兩種方式。一般分段安裝是將電力傳輸電纜分為幾段(一般按每節(jié)塔筒一 段來分),在塔筒的連接處將電力傳輸電纜連接;整體敷設(shè)的電力傳輸電纜一般是塔筒吊 裝完畢后從機(jī)艙向塔筒下部敷設(shè)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電力傳輸電纜一般為銅芯電力傳輸電纜, 隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量不斷增大,兆瓦級(jí)低壓風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(額定電壓為1000V以下)的 塔筒內(nèi)電力傳輸電纜敷設(shè)有以下幾個(gè)缺點(diǎn):
[0018] (1)由于塔筒不斷增高,整根電力傳輸電纜敷設(shè)時(shí)自重增大,尤其固定不方便。
[0019] (2)電力傳輸電纜的載流量增大,其截面積也會(huì)相應(yīng)增大;載流量受電力傳輸電 纜直徑限制,直徑太大造成安裝的困難;所以,對(duì)大容量發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力要求,由于電力傳 輸電纜直徑太大,也造成了安裝困難。
[0020] (3)塔筒內(nèi)電力傳輸電纜整根敷設(shè)難度大、現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)周期長(zhǎng);分段敷設(shè)時(shí),電力傳 輸電纜接頭處壓接制作工藝要求高,后期存在故障檢測(cè)、修復(fù)困難等。
[0021] (4)電力傳輸電纜機(jī)械強(qiáng)度低,電力傳輸電纜在機(jī)艙與塔筒中敷設(shè)時(shí)需要安裝相 應(yīng)的電力傳輸電纜橋架等配套設(shè)施,無形中增加了機(jī)組成本。
[0022] (5)有些標(biāo)準(zhǔn)電力傳輸電纜中含有鹵族元素或PVC,不環(huán)保,阻燃電力傳輸電纜的 絕緣和護(hù)套在火焰下雖然不助燃,但也會(huì)燃燒。
[0023] (6)電力傳輸電纜受到線芯和絕緣材料的限制,其單根載流量通常只有幾百安培, 所以在大容量輸電時(shí),只能多根并聯(lián),這樣又會(huì)大大增加塔筒與機(jī)架的承重能力,并且占用 過多操作空問,使得本來就窄小的操作窄間變的更加擁擠。
[0024] (7)使用標(biāo)準(zhǔn)電力傳輸電纜電磁干擾較大,布線時(shí)要注意電力傳輸電纜與控制電 力傳輸電纜以及需要模擬信號(hào)傳輸?shù)碾姎庠3忠欢ň嚯x,否則電力傳輸電纜會(huì)對(duì)其產(chǎn) 生較大影響。
[0025] (8)在變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,長(zhǎng)線電力傳輸電纜傳輸使脈寬調(diào)制(PffM) 變流器的輸出信號(hào)在電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生過電壓經(jīng)電力傳輸電纜到達(dá)發(fā)電機(jī)的電壓可達(dá)2250V 左右,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致繞組和轉(zhuǎn)子集電環(huán)過早地?fù)p壞。
[0026] (9)電力傳輸電纜的檢修、維護(hù)和故障判斷無法分段檢測(cè),遇故障需更換時(shí)必須更 換整根電力傳輸電纜,成本高,工程量大。
[0027] (10)電力傳輸電纜的絕緣層時(shí)間長(zhǎng)了有老化的問題。使用壽命一般為15-20年左 右,后期投入大。
[0028] (11)從成本考慮,全球銅價(jià)逐年上漲,銅價(jià)波動(dòng)較大,直接影響電力傳輸電纜成本 也隨之頻繁的波動(dòng),增加整機(jī)廠的成本控制。有些風(fēng)力發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)廠在生產(chǎn)大容量(3MW 以上)的機(jī)組時(shí),為了減少低壓電力傳輸電纜用量而采用中高壓電力傳輸電纜作為動(dòng)力傳 輸介質(zhì),如會(huì)選用3000V,6000V及35kV電力傳輸電纜傳輸,這樣在傳輸功率不變的條件下 升高了額定電壓,相應(yīng)地減小了傳輸電力傳輸電纜的載流量,電力傳輸電纜的截面積與數(shù) 量也會(huì)減少。這種選用中高壓電力傳輸電纜傳輸?shù)臋C(jī)組一般會(huì)分為兩種方式將額定電壓升 高。一種是選用中壓或高壓發(fā)電機(jī),即發(fā)電機(jī)出口所發(fā)出功率的電壓是3000V或6000V,這 樣可選用電力傳輸電纜導(dǎo)體截面積較小的電力傳輸電纜,但這種方式缺點(diǎn)是:可以與高壓 發(fā)電機(jī)匹配的變流器很少或者造價(jià)很貴,雖然電力傳輸電纜的成本節(jié)省了一些,但是發(fā)電 機(jī)和變流器的成本卻大幅提高,得不償失,這種高壓傳輸?shù)姆绞竭x用的較少。第二種方式是 將原來在塔筒外面放置的箱變安放到機(jī)艙內(nèi)部,將所發(fā)出的低壓功率直接轉(zhuǎn)化成高壓功率 (多為35kV),再經(jīng)導(dǎo)體截面積較小的高壓電力傳輸電纜傳輸?shù)诫娋W(wǎng)中,這種方法也會(huì)有效 的減小原有的電力傳輸電纜線徑過大,電力傳輸電纜數(shù)量過多的問題。但這種方法的缺點(diǎn) 是:
[0029] ①變壓器和變流器需要放置到機(jī)艙中,這樣會(huì)使整個(gè)機(jī)組重量變大,機(jī)艙內(nèi)的空 間與機(jī)架的體積也要隨之增大,加大了機(jī)架、塔筒的承重載荷,機(jī)架與塔筒要設(shè)計(jì)的更重, 空間更大才能安放并承受機(jī)架上的零部件,這樣無形中就增加機(jī)架與塔筒的成本,也加大 了機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)吊裝的難度。
[0030] ②生產(chǎn)35kV風(fēng)力發(fā)電機(jī)組用耐扭轉(zhuǎn)的電力傳輸電纜的生產(chǎn)商較少,由于生產(chǎn)工 藝要求較復(fù)雜,國內(nèi)電力傳輸電纜生產(chǎn)廠家較少,多以國外生產(chǎn)商為主,造價(jià)比1000V以下 的風(fēng)機(jī)用電力傳輸電纜高3~5倍不等,電力傳輸電纜的節(jié)省的成本有限。這種升壓傳輸 方式多用于海上機(jī)組。
[0031] 二、塔筒電力傳輸電纜傳統(tǒng)敷設(shè)方案的簡(jiǎn)要說明
[0032] 通常,機(jī)艙內(nèi)發(fā)電機(jī)開關(guān)柜電力傳輸電纜沿著機(jī)艙底座下部電力傳輸電纜槽至塔 筒上部入口,并用"電力傳輸電纜掉網(wǎng)"將每根電力傳輸電纜網(wǎng)掛在機(jī)艙底部,從機(jī)艙內(nèi)懸 掛點(diǎn)至馬鞍面部分電力傳輸電纜按照如圖1和圖2方式安裝,至馬鞍面10的電力傳輸電纜 1同時(shí)還需滿足扭轉(zhuǎn)性能,電力傳輸電纜1安裝于空心電力傳輸電纜護(hù)圈內(nèi),經(jīng)由馬鞍面10 過渡至塔筒壁預(yù)制的夾具電力傳輸電纜夾板內(nèi)的凹槽中。此段電力傳輸電纜會(huì)受到機(jī)艙偏 航影響會(huì)經(jīng)常扭轉(zhuǎn)。沿著馬鞍面至塔底的電力傳輸電纜采用電力傳輸電纜夾板固定。在電 力傳輸電纜夾板穿孔固定的圓柱形電力傳輸電纜線束之間的間距為線徑的2. 5倍以上。如 圖2所示,電力傳輸電纜1沿著塔筒內(nèi)壁"一個(gè)固定的圓周方位"向下敷設(shè)、分段固定在塔 筒壁附近。
[0033] 三、塔筒電力傳輸電纜傳統(tǒng)敷設(shè)方案存在電力傳輸電纜過熱的問題
[0034] 在塔筒電力傳輸電纜傳統(tǒng)敷設(shè)方案中,電力傳輸電纜借助電力傳輸電纜夾板在塔 筒內(nèi)壁一個(gè)固定方位成組下落敷設(shè),單純考慮與固定在塔筒內(nèi)部的梯子靠近,便于安裝。但 是,沒有專門考慮將塔筒作為建筑行業(yè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)來對(duì)待,也沒有專門考慮系統(tǒng)化散熱。現(xiàn) 有技術(shù)中,尤其是在夏季容易出現(xiàn)電力傳輸電纜過熱的問題,影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn) 行,降低了對(duì)風(fēng)能的可利用率,縮短了電力傳輸電纜的使用壽命。
[0035] 四、電力傳輸電纜過熱的原因分析
[0036] 1.塔筒電力傳輸電纜傳統(tǒng)敷設(shè)方案在散熱方面存在缺點(diǎn),主要表現(xiàn)在以下方面:
[0037] (1)經(jīng)由馬鞍面過渡至塔筒壁預(yù)制的夾具電力傳輸電纜夾板內(nèi)的凹槽中,之后電 力傳輸電纜以傳統(tǒng)方式平行于塔筒內(nèi)表向下豎直敷設(shè)。電力傳輸電纜自下向上(塔頂)延 伸過程中,沒有明確有利于電力傳輸電纜散熱的定向固定方位;下段電力傳輸電纜表面被 加熱的氣流在受浮升力作用上升過程中對(duì)電力傳輸電纜的上段冷氣流介入電力傳輸電纜 表面進(jìn)行冷卻所起的干擾阻撓作用很大,來自下段、上升的氣熱流對(duì)上段電力傳輸電纜有 加劇"圍繞包裹電力傳輸電纜"的作用。
[0038] (2)多跟電力傳輸電纜并行豎直排布所占據(jù)的塔筒內(nèi)壁附近的周向弧長(zhǎng)(或橫向 寬度)也有限,電力傳輸電纜自身產(chǎn)熱后表面附近的熱空氣受到浮升力作用后向上運(yùn)動(dòng), 上升的熱空氣運(yùn)動(dòng)過程可以帶動(dòng)、摻混的塔筒壁面附近的空氣所占據(jù)的周向弧長(zhǎng)也較小, 傳統(tǒng)敷設(shè)布置沒有發(fā)揮背陰面塔筒壁及其附近溫度較低的空氣構(gòu)成的這個(gè)"冷源"的作用。 "冷源"是相對(duì)于"熱源"來講的,"熱源"在這里指電力傳輸電纜以及工作的電氣設(shè)備,"冷 源"指背陰側(cè)塔筒壁和內(nèi)側(cè)空氣及其背陰側(cè)塔筒壁外部空間環(huán)境,包括塔筒外空氣、自然環(huán) 境。