Termisk optimering af design til styringskabinetter for platformmonterede transformatorer i havbaserede vindmøller

Global energiovergang stimulerer havvindkraft, men komplekse marine miljøer udfordrer turbinens pålidelighed. Afkøling af kabler i skab (PMTCCs) er kritisk - uafkølet varme forårsager komponentbeskadigelse. Optimering af PMTCC-afkøling forbedrer turbinens effektivitet, men forskningen fokuserer mest på landbaserede vindparker, hvilket gør offshore-parker overset. Derfor skal PMTCCs designes til offshore-forhold for at forhøje sikkerheden.

1 Optimering af PMTCC-afkøling
1.1 Tilføjelse af afkølingsenheder

For offshore PMTCCs, tilføj/optimér fuldstændigt tætte afkølingsenheder for at modstå saltsprik/skærm. Installeret ved siden af transformatorer, forbundet via specielle grænseflader, danner de effektive køleloop. Luftstrøm i enhederne: se figur 1.

På grund af særpræg i maritimt klima i offshore-vindparker, som store temperaturfluktuationer, høj fugtighed og saltsprik korrosion, stiller der sig strengere krav til afkølingsydeevnen af transformatorstyringskabine. For at opnå præcis optimering af kølelementdesign kombinerer denne studie innovativt ANSYS med MATLAB, udnyttende genetiske algoritmer til at optimere breddebetingelser for kølelementer.

På grund af begrænsninger i ANSYS' indbyggede parametrisk programmeringssprog i direkte integration af optimeringsalgoritmer, anvendes MATLAB som en mellemmand. Gennem udviklingen af et ANSYS sekundært udviklingsgrænseflade realiseres en naadløs forbindelse mellem ANSYS og MATLAB. Det antages, at den totale areal af kølelementet er 0.36 m², og forholdet mellem ryggen bredde a_z og sidekantbredde a_c af køleelementet defineres som:

Gennem detaljerede beregninger og simuleringer fastslås det optimale ryggen bredde af kølelementet at være 0.235 m, med bredden af de to sidekølelementer justeret til 1.532 m i overensstemmelse hermed. Denne optimering vedligeholder ikke kun den totale areal af kølelementet, men forbedrer også dets afkølingsydeevne.

1.2 Tvinget luftafkølingsteknologi

Tvinget luftafkøling bruger ventilatorer til at accelerere luftcirkulation, udvider temperaturforskelle gennem luftkonvektion for at forbedre afkøling. Den kontrollerer skabets temperatur sikkert, men står over for friktions-/lokale tab i rør. Optimeringer inkluderer udvidelse af rør bredde fra 100 til 120 mm og reduktion af hydraulisk diameter, minimere energitab og forbedre effektivitet. Kølet olie returnerer til tanken gennem bundrør, danner en lukket løkke for dobbelt afkøling. Se figur 2 for cirkulation.

For at optimere afkøling vælges en Olje Natur Luft Tvinget (ONAF) afkølingstilstand. Ventilatorer driver luftstrøm for at lade afkølingsluft strømme fra bunden til toppen, dækker effektivt hele radiators overflade.

1.3 Optimering af ind- og udluftning i hovedtransformatorscelle

Baseret på strømforspild i transformatorstyringskabinet og den forventede temperaturforskel mellem ind- og udluftning, beregnes den nødvendige luftstrøm ved hjælp af termodynamik. Formlen for luftstrøm V er:

I formel:

• Q er varmeafledning pr. time;

• ρ er luftdensitet;

• b er specifik varmekapacitet;

• ΔT er temperaturforskellen mellem ind- og udluftning.

Med henblik på potentielle nedgang i ventilationseffektivitet, sættes den målte luftstrøm til 1.6V. Formlen for at beregne effektiv indluftareal A er:

Hvor v repræsenterer luftfarten både ved ind- og udluftning. Efter at have klaret strømforspild i transformatorstyringskabinet og bestemt den forventede temperaturforskel mellem ind- og udluftning, beregnes den nødvendige luftstrøm V ved hjælp af termodynamiske principper. Til sidst, designes de specifikke dimensioner af ind- og udluftning baseret på luftstrøm V:

• Indluft: bredde på 0.200 m og højde på 0.330 m;

• Udluft: bredde på 0.250 m og højde på 0.264 m.

Analyse af sammenhængen mellem indtryksforspild og åbningsareal viser, at øgning af åbningsareal kan effektivt reducere gasforspild, dermed forbedre afkølingsydeevne. På forudsætning af at sikre kontrolskabets strukturelle styrke, sættes indtryksområdet til 0.066 m². For at forbedre effektiv ventilationsoverflade anvendes en metode, der kombinerer gitter og lamellædæk for at øge ventilationsgange, mens man undgår intråd af støv og regn. I nederste del af hovedtransformatorscelle installeres et ekstra indluftvindue ca. 40 cm over jorden for at yderligere udvide indluftområdet.

Baseret på princippet om bundluftindtrængning og top-luftudledning, optimeres placeringen af ind- og udluft. Indluft sættes i nederste del af hovedtransformatorscelle, og udluft placeres i øverste del, danner naturlig konvektion. Dette tillader, at varm luft let stiger og udledes fra udluft, mens kold luft indtrænger fra indluft, skaber en effektiv luftcirkulation for at forbedre afkølingsydeevne.

1.4 Kontrolskabstruktoptimering

For at tackle de unikke udfordringer i forhold til salt, fugt og korrodere stoffer i offshore-vindparker, anvendes høje-ydelses anti-korrosionsmaterialer og avancerede tætnings teknologier for at forbedre det samlede beskyttelse af kontrolskabet.

Forbedret afkølingsdesign:

• Optimerede ventilation vinduer: For at løse utilstrækkelig afkøling forårsaget af utilstrækkelige udluftningsvinduer, placeres yderligere ventiler strategisk på toppen og siderne. Beregninger fastlægger optimal størrelse og antal for at maksimere luftstrøm, mens strukturel integritet bevares:

• 80 topmonterede ventiler (1.0 m × 0.2 m hver);

• 20 side-monterede ventiler (2.0 m × 0.15 m hver).

Kabelindgang og luftstrømoptimering:

• Rektangulære indgange: Rektangulære kabelindgangsporter maskineres i kanalstålrammen, strømliner kableinstallation og forbedrer luftstrømsbaner.

• Glidebundsplade: En glidebundsplade faciliterer kablerouting til terminaler, mens effektiv tætning sikres, så interne komponenter forbliver beskyttet.

Disse optimeringer resulterer i en struktureret, velorganiseret kabellayout, der forbedrer både termisk management og systemets pålidelighed.

2 Eksperimentel verifikation
2.1 Eksperimentel opsætning

For at bekræfte muligheden for afkølingsdesignet blev en eksperimentel platform konstrueret for at omfattende simulere offshore-vindparkmiljøet. To ventilatorer blev anvendt til at replikere offshore-vindhastigheder og retninger. Eksperimentelt udstyr er opført i tabel 1.

For at simulere offshore-vindparkmiljøet, når der bruges ventilatorer til at imitere vindhastighed og retning, bør der lægges mærke til vindens uniformitet og retningers mangfoldighed. Uniform vindhastighed er afgørende for præcis vurdering af kontrolskabets afkølingsydeevne, og mange retninger kan mere omfattende simulere offshore-vindretningers ændringer. Derfor, under forsøget, skal ventilatorerne præcist styres for at sikre, at vindhastighed og retning matcher de faktiske offshore-vindpark karakteristika.

2.2 Eksperimentelle resultater og analyse

Efter at have optimeret afkølingen af offshore-vindpark-vindturbin-boks-transformator-styringskabinet, blev afkølingsydeevnen af forskellige dele af kontrolskabet før og efter optimering registreret, som vist i tabel 2.

2.3 Resultater og diskussion

Baseret på eksperimentelle data i tabel 2, viser afkølingsydeevnen af offshore-vindturbin-PMTCC betydelige forbedringer efter optimering:

• Nøgleområdes forbedringer:

• Top ventilation vindue: Effektivitet øget fra 772 W·℃⁻¹ til 1,498 W·℃⁻¹;

• Side ventilation vindue: Effektivitet forbedret fra 735 W·℃⁻¹ til 1,346 W·℃⁻¹;

• Kabelindgangsområde: Effektivitet steg fra 892 W·℃⁻¹ til 1,683 W·℃⁻¹.
  Disse resultater bekræfter effektiviteten af tvinget kolde lufts-systemet og det optimerede ind- og udluftningsdesign.

• Maksimal forbedring i radiator:
  Intern radiator effektivitet øget mest betydeligt—fra 980 W·℃⁻¹ til 1,975 W·℃⁻¹—viser den afgørende rolle, som optimerede fin-parametre og skabstruktur spiller i forbedring af termisk ydeevne.

3 Konklusion

Denne studie analyserede virkningen af offshore-vindparkens hårde miljø på kontrolskabets afkøling. Guidet af varmetransferprincipper, blev et målrettet optimeringsprogram foreslået og valideret eksperimentelt. Det optimerede design forbedrer ikke kun afkølingsydeevnen og reducerer interne temperaturer, men forbedrer også korrosionsbestandighed og forlænger servicelevetid. Disse foranstaltninger giver robust teknisk støtte til bæredygtig drift af offshore-vindparker.