Термална оптимизация на проектирането за контролни кабини на трансформатори с монтиране на платформа в офшорни вятрови турбини

Глобалната енергийна преходност подпомага офшорната вятърна енергия, но сложните морски условия предизвикват проблеми за надеждността на турбините. Разпространението на топлина от кабините за контрол на трансформатори (PMTCCs) е критично – неразпространената топлина причинява повреди на компонентите. Оптимизирането на разпространението на топлината в PMTCC-овете подобрява ефективността на турбините, но изследванията се фокусират главно върху вятърните паркове на сушата, пренебрегвайки офшорните. Ето защо е необходимо да се проектират PMTCC-ове за офшорни условия, за да се подобри безопасността.

1 Оптимизация на разпространението на топлината в PMTCC
1.1 Добавяне на устройства за разпространение на топлината

За офшорните PMTCC-ове, добавете/оптимизирайте напълно герметични устройства за разпространение на топлината, за да противодействат на солените блика и влажността. Установени до трансформаторите, свързани чрез специални интерфейси, те формират ефективни охлаждащи цикли. Въздушният поток в устройствата: вижте фиг. 1.

В резултат на спецификите на морския климат в офшорните вятърни паркове, като големи колебания на температурата, висока влажност и корозия от солен блик, се поставят по-строги изисквания към производителността на разпространението на топлината в кабините за контрол на трансформаторите. За да се постигне точна оптимизация на дизайна на радиаторите, това изследване иновативно комбинира ANSYS с MATLAB, използвайки генетични алгоритми за оптимизация на параметрите на ширината на радиаторите.

Поради ограниченията на вграденият параметричен програмен език на ANSYS при директното интегриране на оптимизационни алгоритми, MATLAB се приема като посредник. Чрез разработването на вторичен интерфейс на ANSYS, се осъществява безшовна връзка между ANSYS и MATLAB. Предполага се, че общата площ на радиатора е 0.36 м², и се дефинира връзката между задната ширина a_z и страничната ширина a_c на радиатора като:

Чрез подробни изчисления и симулации, оптималната задна ширина на радиатора се определя на 0.235 м, а ширините на двата странични радиатора се коригират до 1.532 м. Тази оптимизация не само поддържа общата площ на радиатора, но и подобрява неговата производителност при разпространението на топлината.

1.2 Технология за принудително въздушно охлаждане

Принудителното въздушно охлаждане използва вентилатори, за да ускори въздушния поток, разширявайки температурните различия чрез въздушна конвекция, за да подобри разпространението на топлината. То контролира температурата на кабината безопасно, но се сблъсква с триене и локални загуби в каналите. Оптимизации включват разширяване на ширината на каналите от 100 до 120 мм и намаляване на хидравлическия диаметър, минимизирайки енергийните загуби и подобрявайки ефективността. Охладената мацерия се връща в резервоара през дънните тръби, формирайки затворен цикъл за двойно охлаждане. Вижте фигура 2 за циркулацията.

За оптимизация на разпространението на топлината, е избран режим на охлаждане с естествено въздушно принудително охлаждане (ONAF). Вентилаторите задвижват въздуха, за да направят охлаждащия въздух да се движи от долната част към горната, ефективно покривайки цялата повърхност на радиатора.

1.3 Оптимизация на входа и изхода в главната камера на трансформатора

На основата на загубите на мощността в кабината за контрол на трансформатора и очакваната температурна разлика между входа и изхода, необходимият въздушен поток се изчислява с термодинамика. Формулата за въздушния поток V е:

В формулата:

• Q е разпространението на топлината в единица време;

• ρ е плътността на въздуха;

• b е специфичната топлоемкост;

• ΔT е температурната разлика между входа и изхода.

Учителвайки потенциалното спадане на ефективността на вентилацията, измереният въздушен поток се установява на 1.6V. Формулата за изчисление на ефективната входна площ A е:

Където v представлява скоростта на въздуха както при входа, така и при изхода. След като са изяснени загубите на мощността в кабината за контрол на трансформатора и е определена очакваната температурна разлика между входа и изхода, необходимият въздушен поток V се изчислява чрез принципите на термодинамиката. Накрая, конкретните размери на входа и изхода се проектират на основата на въздушния поток V:

• Вход: ширина 0.200 м и височина 0.330 м;

• Изход: ширина 0.250 м и височина 0.264 м.

Анализът на корелацията между загубите на налягането при входа и отворната площ показва, че увеличаването на отворната площ може ефективно да намали загубите на газово налягане, което води до подобряване на ефективността на разпространението на топлината. При условие, че е гарантирана конструктивната сила на кабината за контрол, отворната площ при входа се установява на 0.066 м². За да се увеличи ефективната площ за вентилация, се приема метод, комбиниращ решетки и жалюзи, за да се увеличат вентилационните пасажи, докато се предотврати проникването на прах и дъжд. В долната част на главната камера на трансформатора, е инсталиран допълнителен въздушен входен прозорец, разположен приблизително 40 см над земята, за да се разшири площта на входа.

На основата на принципа за впуск на въздух отдолу и изхвърляне отгоре, се оптимизира разположението на входа и изхода. Входът е установен в долната част на главната камера на трансформатора, а изходът е разположен в горната част, формирайки естествена конвекция. Това позволява горещия въздух да се издига гладко и да се изхвърля през изхода, докато студеният въздух влиза през входа, създавайки ефективен въздушен цикъл, за да се подобри ефективността на разпространението на топлината.

1.4 Оптимизация на структурата на кабината за контрол

За да се справят с уникалните предизвикателства, свързани с солта, влажността и корозивните вещества в офшорните вятърни паркове, се използват високопроизводителни антикорозивни материали и напредъкни технологии за запечатване, за да се подобри общата защита на кабината за контрол.

Подобрен дизайн за разпространение на топлината:

• Оптимизирани вентилационни прозорци: За да се реши недостатъчното разпространение на топлината, причинено от недостатъчните изходни прозорци, допълнителни вентилационни отвори се разполагат стратегически на горната и страничните части. Изчисленията определят оптималните размери и количество, за да се максимизира въздушният поток, докато се поддържа конструктивната целост:

• 80 горни вентилационни отвора (1.0 м x 0.2 м всеки);

• 20 странични вентилационни отвора (2.0 м x 0.15 м всеки).

Оптимизация на входа на кабели и въздушния поток:

• Правоъгълни входове: Правоъгълни входове за кабели са обработени в ъглесталната рама на основата, опростявайки монтажа на кабелите и подобрявайки пътеките на въздушния поток.

• Съвместима основна плоча: Съвместима основна плоча облекчава маршрутизацията на кабелите към терминалите, докато се поддържа ефективно запечатване, гарантирайки, че вътрешните компоненти останат защитени.

Тези оптимизации довеждат до структурирана, добре разделена разположба на кабелите, която подобрява както термалното управление, така и надеждността на системата.

2 Експериментално потвърждение
2.1 Експериментална поставка

За да се потвърди жизнеспособността на дизайна за разпространение на топлината, е построена експериментална платформа, за да се моделира комплексно околната среда на офшорния вятърен парк. Две вентилатори са използвани, за да имитират офшорните вятърни скорости и посоки. Експерименталното оборудване е изброено в таблица 1.

За да се моделира околната среда на офшорния вятърен парк, когато се използват вентилатори, за да имитират вятърните скорости и посоки, трябва да се обърне внимание на равномерността на вятърната скорост и разнообразието на посоките. Равномерната вятърна скорост е ключова за точната оценка на производителността на разпространението на топлината в кабината за контрол, а разнообразните вятърни посоки могат по-комплексно да моделират промените в офшорните вятърни посоки. Ето защо, по време на експеримента, вентилаторите трябва да бъдат точно контролирани, за да се гарантира, че вятърната скорост и посоката съответстват на реалните характеристики на офшорния вятърен парк.

2.2 Експериментални резултати и анализ

След оптимизацията на разпространението на топлината в офшорната вятърна турбина с кабина за контрол на трансформатора, е регистрирана ефективността на разпространението на топлината в различните части на кабината за контрол преди и след оптимизация, както е показано в таблица 2.

2.3 Резултати и обсъждане

На основата на експерименталните данни в таблица 2, ефективността на разпространението на топлината в офшорната вятърна турбина с кабина за контрол на трансформатора показва значителни подобрения след оптимизация:

• Подобрения в ключови области:

• Горен вентилационен прозорец: ефективността се увеличи от 772 W·℃⁻¹ до 1,498 W·℃⁻¹;

• Страничен вентилационен прозорец: ефективността се подобри от 735 W·℃⁻¹ до 1,346 W·℃⁻¹;

• Областта на входа на кабели: ефективността се увеличи от 892 W·℃⁻¹ до 1,683 W·℃⁻¹.
  Тези резултати потвърждават ефективността на системата за принудително охлаждане и оптимизиран дизайн на входа и изхода.

• Максимално подобрение в радиатора:
  Ефективността на вътрешния радиатор се увеличи най-значително – от 980 W·℃⁻¹ до 1,975 W·℃⁻¹ – демонстрирайки ключовата роля на оптимизираните параметри на ребрата и структурата на кабината в подобряването на термалната производителност.

3 Заключение

Това изследване анализира влиянието на суровата околната среда в офшорните вятърни паркове върху разпространението на топлината в кабината за контрол. Под ръководството на принципите на прехода на топлината, е предложена целевата оптимизационна схема, която е валидирана експериментално. Оптимизираният дизайн не само подобрява ефективността на разпространението на топлината и намалява вътрешните температури, но и подобрява устойчивостта към корозията и продължава срока на ползване. Тези мерки предоставят силна техническа подкрепа за устойчивата операция на офшорните вятърни паркове.