Lämpöoptimointisuunnittelu merituulivoimaloiden pad-perustettujen muuntajien ohjauskabinetille

Maailmanlaajuinen energian siirtymä edistää merituulivoiman kehitystä, mutta monimutkaiset meriympäristöt haastavat turbiinien luotettavuutta. Pad-muotoisen kappaleen muuntamisen ohjauskabinetit (PMTCC) lämpökuormituksen hallinta on kriittistä — ei hajoittunut lämpö aiheuttaa komponenttien vaurioitumista. PMTCC:n lämpökuormituksen optimointi parantaa turbiinin tehokkuutta, mutta tutkimus keskittyy pääasiassa maan päällä oleviin tuulivoimaloihin, jättäen huomiotta merellä sijaitsevat. Siksi suunnittele PMTCC:t merellä vallitseviin olosuhteisiin parantaaksesi turvallisuutta.

1 PMTCC:n lämpökuormituksen optimointi
1.1 Lämpökuormituksen hävittämislaitteiden lisääminen

Merellä sijaitseville PMTCC:lle lisää/täydennä täysin suljettuja lämpökuormituksen hävittämislaitteita vastustamaan suolapylyä/kosteutta. Asennetaan muuntajien vierelle, yhdistetään erityisillä liitäntöillä, ne muodostavat tehokkaan jähdytyssilmukan. Laitteissa ilmavirtaus: katso kuva 1.

Merituulivoimaloiden merenkäyntiklimaan liittyvien erityispiirteiden, kuten suurten lämpötilavaihtelujen, korkean kosteuden ja suolapylyn korroosion vuoksi, asetetaan tiukempia vaatimuksia muuntajan ohjauskabinetin lämpökuormituksen hävittämiseen. Tarkkojen jähdytinrakenteiden optimointiin tätä tutkimusta innovatiivisesti yhdistetään ANSYS-ohjelmisto MATLAB:iin, hyödyntäen geneettisiä algoritmeja jähdytinsäleiden leveyden parametreihin.

ANSYS:n sisäänrakennetun parametrin ohjelmointikielen rajallisten kykyjen vuoksi integroida optimointialgoritmeja, käytetään MATLAB:ia välittäjänä. ANSYS:n toissijaisen kehitysrajapinnan avulla toteutetaan ANSYS:n ja MATLAB:n välille sileä yhteys. Oletetaan, että jähdytin kokonaispinta-ala on 0,36 m², ja jähdytinsäleiden takapuolen leveys a_z ja sivupuolen leveys a_c määritellään seuraavasti:

Yksityiskohtaisilla laskutoimituksilla ja simuloinneilla määrätään jähdytinsäleen optimoitua takaleveyksiä 0,235 m, ja kahden sivujähdytinsäleen leveys säädellään vastaavasti 1,532 m. Tämä optimointi ylläpitää jähdytinsäleen kokonaispinta-alaa ja parantaa sen lämpökuormituksen hävittämistä.

1.2 Pakotettu ilmajäähdytysteknologia

Pakotettu ilmajäähdytys käyttää tuuletintejä nopeuttamaan ilmavirtausta, laajentaa lämpötila-eroja ilmankierroksen kautta parantaakseen lämpökuormituksen hävittämistä. Se kontrolloi kabinetin lämpötilaa turvallisesti, mutta kohtaa kitkan/paikalliset tappiot putkissa. Optimoinnit sisältävät putkien leveyden laajentamisen 100 mm:stä 120 mm:ksi ja nestehydraulisen halkaisijan pienentämisen, minimoiden energian tappiot ja parantaen tehokkuutta. Jäähdytetty öljy palaa tankkiin alaosan putkien kautta, muodostaen suljetun silmukan kaksinkertaiseen jähdyttämiseen. Katso virtauskuvaaja 2.

Lämpökuormituksen hävittämisen optimointiin valitaan Öljyn Luonnollinen Ilma Pakotettuna (ONAF) jähdytystila. Tuuletin ajaa ilmaa tehdäkseen jähdytysilman virtaavan alas ylös, kattamaan tehokkaasti koko säteen pinnan.

1.3 Päämuuntajan kamerin sisäänpääsy- ja ulospääsyn optimointi

Muuntajan ohjauskabinetin teho-ongelman ja odotetun lämpötilaeron perusteella sisäänpääsy- ja ulospääsyvälin välillä tarvittava ilmavirtaus lasketaan termodynamiikan periaatteilla. Ilmavirtauksen kaava V on:

Kaavassa:

• Q on lämpökuormitus yksikköaikana;

• ρ on ilman tiheys;

• b on ominaislämmönkapasiteetti;

• ΔT on lämpötilaero sisäänpääsy- ja ulospääsyvälin välillä.

Ottaen huomioon mahdollisen puhalluskyvyn heikkenemisen, mitattu ilmavirtaus asetetaan 1,6V:ksi. Tehokkaan sisäänpääsyalueen A laskemiseen käytetty kaava on:

Jossa v edustaa ilman nopeutta sekä sisäänpääsy- että ulospääsyvälin kautta. Muuntajan ohjauskabinetin teho-ongelman ja odotetun lämpötilaeron selvittämisen jälkeen tarvittava ilmavirtaus V lasketaan termodynamiikan periaatteilla. Lopuksi sisäänpääsy- ja ulospääsyvälin tarkat mitat suunnitellaan ilmavirtauksen V perusteella:

• Sisäänpääsy: leveys 0,200 m ja korkeus 0,330 m;

• Ulospääsy: leveys 0,250 m ja korkeus 0,264 m.

Sisäänpääsyvedyn painepotkujen ja avaamisalan välisten yhteyksien analyysi osoittaa, että avaamisalan lisääminen voi tehokkaasti vähentää kaasun painepotkuja, mikä parantaa lämpökuormituksen hävittämistä. Ohjauskabinetin rakenteellisen vahvuuden varmistamisen edellytyksenä sisäänpääsyavaus asetetaan 0,066 m². Tehokkaan puhallusalan parantamiseksi käytetään ruudun ja ripsilevyn yhdistelmää lisäämään puhallusreittejä ja estää pöly- ja sadepuolesta pääsy. Päämuuntajan kamariin asennetaan lisäksi noin 40 cm maan pinnasta alaosassa oleva ilman sisäänpääsyikkuna laajentaakseen sisäänpääsyaluetta.

Alaosan sisäänpääsy- ja yläosan ulospääsyperiaatteen mukaan sisäänpääsy- ja ulospääsyvälin asettelua optimoidaan. Sisäänpääsy asetetaan päämuuntajan kamarian alaosassa, ja ulospääsy on sijoitettu yläosassa, muodostamalla luonnollisen kierroksen. Tämä mahdollistaa kuuman ilman sujuvan nousun ja ulospääsyn, kun taas kylmä ilma tulee sisäänpääsyvälin kautta, luoden tehokkaan ilmavirtauksen parantaakseen lämpökuormituksen hävittämistä.

1.4 Ohjauskabinetin rakenteen optimointi

Merituulivoimaloiden ainutlaatuisen haasteen suolapitoisuuden, kosteuden ja korroosioherkkien aineiden osalta käytetään korkeatehoisia anti-korroosiomateriaaleja ja edistyneitä tiivistämistekniikoita parantaaksemme ohjauskabinetin yleistä suojaa.

Parannettu lämpökuormituksen hävittämisen suunnittelu:

• Optimoitu puhallusikkuna: Riittämättömän lämpökuormituksen hävittämisen korjaamiseksi lisätään puhallusikkunoita strategisesti ylä- ja sivupuolelle. Laskelmat määrittelevät optimaaliset koot ja määrät maksimoimaan ilmavirtauksen samalla kun rakenteellinen kosketus säilytetään:

• 80 yläpuolella sijaitsevia puhallusikkunoita (1,0 m x 0,2 m kukin);

• 20 sivupuolella sijaitsevia puhallusikkunoita (2,0 m x 0,15 m kukin).

Kaapelipääsy- ja ilmavirtauksen optimointi:

• Suorakaavioiset sisäänpääsyportit: Suorakaavioiset kaapelipääsyportit on mekaanisoitu raidevuon kanavateräsrautaan, helpottamalla kaapeleiden asentamista ja parantaen ilmavirtausreittejä.

• Liukuva pohjaplate: Liukuva pohjaplate helpottaa kaapeleiden johtamista terminaaleihin samalla kun ylläpidetään tehokasta tiivistystä, varmistamalla sisäisten komponenttien suojaamisen.

Nämä optimoinnit johtavat strukturoituun, hyvin erotettuun kaapeliasetteluun, joka parantaa sekä lämpöhallintaa että järjestelmän luotettavuutta.

2 Kokeellinen vahvistus
2.1 Kokeellinen asettelu

Lämpökuormituksen hävittämisen suunnitelman soveltuvuuden vahvistamiseksi rakennettiin kokeellinen alusta, joka simuloi laajasti merituulivoimaloiden ympäristöä. Kaksi tuuletinta käytettiin merituulen nopeuden ja suunnan toistamiseen. Kokeellinen laite on listattu taulukossa 1.

Merituulivoimaloiden ympäristön simuloimiseksi, kun käytetään tuuletintejä tuulen nopeuden ja suunnan toistamiseen, on kiinnitettävä huomiota tuulen nopeuden tasaisuuteen ja suunnan monipuolisuuteen. Tasainen tuulen nopeus on olennaista ohjauskabinetin lämpökuormituksen hävittämistä arvioimisessa, ja monipuoliset tuulen suunnat voivat simuloida merituulen suuntaisia muutoksia laajemmin. Näin ollen kokeen aikana tuuletinten on oltava tarkasti ohjattavissa, jotta tuulen nopeus ja suunta vastaavat todellisia merituulivoimaloiden ominaisuuksia.

2.2 Kokeelliset tulokset ja analyysi

Merituulivoimaloiden tuuliturbiinin laatikkomuotoisen muuntimen ohjauskabinetin lämpökuormituksen optimoinnin jälkeen eri osien lämpökuormituksen hävittämisen tehokkuus ennen ja jälkeen optimoinnin kirjattiin, kuten taulukossa 2 näkyy.

2.3 Tulokset ja keskustelu

Koetiedon taulukon 2 perusteella merituulivoimaloiden tuuliturbiinin pad-muotoisen muuntimen ohjauskabinetin lämpökuormituksen hävittämisen tehokkuus on huomattavasti parantunut optimoinnin jälkeen:

• Tärkeät alueet:

• Yläpuolella sijaitseva puhallusikkuna: Tehokkuus kasvoi 772 W·℃⁻¹:stä 1,498 W·℃⁻¹:een;

• Sivupuolella sijaitseva puhallusikkuna: Tehokkuus parani 735 W·℃⁻¹:stä 1,346 W·℃⁻¹:een;

• Kaapelipääsyala: Tehokkuus nousee 892 W·℃⁻¹:stä 1,683 W·℃⁻¹:een.
  Nämä tulokset vahvistavat pakotetun kylmän ilman järjestelmän ja optimoidun sisäänpääsy- ja ulospääsyvälin suunnittelun tehokkuuden.

• Jäähdytinässä tapahtunut maksimaalinen parannus:
  Sisäisen jäähdytinässä tehokkuus nousi eniten — 980 W·℃⁻¹:stä 1,975 W·℃⁻¹:een — osoittaen optimoidun säleen parametrien ja kabinetin rakenteen keskeisen roolin lämpöominaisuuksien parantamisessa.

3 Johtopäätös

Tämä tutkimus analysoi merituulivoimaloiden raskaan ympäristön vaikutuksia ohjauskabinetin lämpökuormituksen hävittämiseen. Lämpösiirtoperiaatteiden ohjaamina esitetään kohdennettu optimointisuunnitelma, joka on vahvistettu kokeellisesti. Optimoidun suunnitelman avulla ei ainoastaan paranneta lämpökuormituksen hävittämisen tehokkuutta ja vähennetä sisäisiä lämpötiloja, vaan myös parannetaan korroosionkestävyyttä ja pidentetään käyttöikää. Nämä toimenpiteet tarjoavat vahvaa teknistä tukea merituulivoimaloiden kestävälle toiminnalle.