עיצוב אופטימיזציה תרמית עבור תיבות בקרה של טרנספורמיטורים ממונחים על בסיס רוחות ים

המעבר האנרגטי העולמי מגדיל את כוח הרוח הימי, אך סביבות ים מורכבות מציבים אתגרים לאמינות הטורבינות. פיזור החום של תיבות בקרה של טרנספורטרים ממוקמים (PMTCCs) הוא קריטי — חום לא פוזר גורם להיזון רכיבים. אופטימיזציה של פיזור החום של PMTCC משפרת את יעילות הטורבינה, אך המחקר מתמקד בעיקר במפעלי רוח יבשתיים, תוך התעלמות מהים. לכן, יש לעצב PMTCC עבור תנאי ימי כדי להגביר את הבטיחות.

1 אופטימיזציה של פיזור החום של PMTCC
1.1 הוספת מכשירי פיזור חום

עבור PMTCC ימיים, להוסיף/לעדכן מכשירי פיזור חום סגורים לחלוטין כדי להתנגד לפליטת מלח/ẩm. מותקנים ליד הטרנספורטרים, מחוברים דרך ממשקים מיוחדים, הם יוצרים מעגלים קירור יעילים. זרימת אוויר במכשירים: ראו ציור 1.

בשל המאפיינים הספציפיים של האקלים הימי במפעלי רוח ימיים, כגון תנודות טמפרטורה גדולות, לחות גבוהה ותסיסה של מלח, מוטלות דרישות קפדניות יותר על ביצועי הפיזור החום של תיבות הבקרה של הטרנספורטרים. כדי להשיג אופטימיזציה מדויקת של עיצוב הקרנים, המחקר משלב באופן חדשני את ANSYS עם MATLAB, באמצעות אלגוריתמים גנטיים כדי לאופטימיזציה את פרמטרי הרוח של הקרנים.

בשל המגבלות של שפת התכנות הפרמטרית המובנית של ANSYS בהשתלבות ישירה של אלגוריתמים אופטימיזציה, נבחרה MATLAB כמתווך. באמצעות פיתוח ממשק פיתוח שנייה של ANSYS, הושגה חיבור בין ANSYS ל-MATLAB ללא פגיעה. מניחים שהשטח הכולל של הקרן הוא 0.36 מ"ר, והיחס בין רוח הצידה a_z לבין רוח הצידה a_c של הקרן מוגדר כך:

באמצעות חישובים וסימולציות מפורטות, נקבע כי הרוח האופטימלית של הקרן היא 0.235 מ', עם הרוח של שני הקרנים הצדדיים מתואמת ל-1.532 מ' בהתאם. אופטימיזציה זו不僅看起来您需要的是希伯来语翻译，但我注意到最后部分似乎被截断了。请允许我继续完成剩余部分的翻译：

באמצעות חישובים וסימולציות מפורטות, נקבע כי הרוח האופטימלית של הקרן היא 0.235 מ', עם הרוח של שני הקרנים הצדדיים מתואמת ל-1.532 מ' בהתאם. אופטימיזציה זו לא רק שומרת על השטח הכולל של הקרן אלא גם משפרת את ביצועי הפיזור החום שלה.

1.2 טכנולוגיית קירור אוויר בכפייה

קירור אוויר בכפייה משתמש במאווררים להאצת זרימת האוויר, מרחיבה את ההבדלים בטמפרטורה באמצעות הקונבקציה של האוויר כדי לשפר את פיזור החום. זה מבטיח שליטה בטמפרטורת התיבה בצורה בטוחה, אך מתמודדת עם אובדן אנרגיה מקומי ומכסי במנהרות. אופטימיזציות כוללות הרחבת רוח המנהרה מ-100 ל-120 מ"מ וקטנת הקוטר ההידראולי, שמינימליז את אובדן האנרגיה ומגדילה את יעילות. הנפט המקרר חוזר לתנק דרך צינורות בתחתית, ויוצר מעגל סגור לקירור כפול. ראו ציור 2 לזרימה.

לאופטימיזציה של פיזור החום, נבחר מצב קירור Oil Natural Air Forced (ONAF). המאווררים מפעילים זרימת אוויר כדי לגרום לאוויר הקירור לזרום מלמטה למעלה, מכסים בצורה יעילה את כל פני השטח של הרadiator.

1.3 אופטימיזציה של הכניסה והיציאה באולם המspiel העיקרי

בהתבסס על אובדן החשמל של תיבת הבקרה של המspiel וההבדל הצפוי בטמפרטורה בין הכניסה והיציאה, מחושבת זרימת האוויר באמצעות תרמודינמיקה. הנוסחה לזרימת אוויר V היא:

בנוסחה:

• Q הוא הפיזור החום לכל יחידת זמן;

• ρ הוא צפיפות האוויר;

• b הוא הקיבולת הספציפית;

• ΔT הוא ההבדל בטמפרטורה בין הכניסה והיציאה.

בהתחשב בירידה אפשרית ביעילות אוורור, קצב הזרימה המודד נקבע ל-1.6V. הנוסחה לחישוב השטח האפקטיבי של הכניסה A היא:

כאשר v מייצגת את מהירות האוויר הן בכניסה והן ביציאה. לאחר הסברת אובדן החשמל של תיבת הבקרה של המspiel והחלטה על ההבדל הצפוי בטמפרטורה בין הכניסה והיציאה, מחושבת זרימת האוויר V באמצעות עקרונות תרמודינמיים. לבסוף, מתוכנן הגודל הספציפי של הכניסה והיציאה על בסיס זרימת האוויר V:

• כניסה: רוחב של 0.200 מ' וגובה של 0.330 מ';

• יציאה: רוחב של 0.250 מ' וגובה של 0.264 מ'.

ניתוח הקשר בין אובדן לחץ כניסה לשטח הפתיחה מראה כי הגדלת שטח הפתיחה יכולה להפחית באופן יעיל את אובדן הלחץ של הגז, ובכך לשפר את יעילות הפיזור החום. בהנחה שלשמירה על חוזק המבנה של תיבת הבקרה, שטח הפתיחה של הכניסה נקבע ל-0.066 מ"ר. כדי להגביר את שטח האוורור האפקטיבי, אומצה שיטה שמשלבת מסננים וכסות לוחיות כדי להרחיב את נתיבי האוורור ולמנוע חדירת אבק וגשם. החלק התחתון של אולם המspiel הראשי מותקן בו חלון כניסה אוויר נוסף בערך 40 ס"מ מעל הקרקע כדי להרחיב עוד יותר את שטח הכניסה.

מבוסס על עקרון כניסת אוויר מלמטה ויציאת אוויר למעלה, מתבצעת אופטימיזציה של מיקומי הכניסה והיציאה. הכניסה מוצבת בחלק התחתון של אולם המspiel הראשי, והיציאה ממוקמת בחלק העליון, יוצרת קונבקציה טבעית. זה מאפשר לאוויר החם לעלות חלק ולהתפזר מהיציאה, בעוד אוויר קר נכנס מהכניסה, יוצרת זרימת אוויר אפקטיבית לשיפור יעילות הפיזור החום.

1.4 אופטימיזציה של מבנה תיבת הבקרה

כדי להתמודד עם האתגרים הייחודיים של מלח, לחות וחומרים קורסיביים במפעלי רוח ימיים, מועסקים חומרים מגינים ברמה גבוהה וטכנולוגיות סילוק מתקדמות כדי להגביר את ההגנה הכללית של תיבת הבקרה.

עיצוב פיזור חום משופר:

• חלונות אוורור מופטמים: כדי לפתור פיזור חום בלתי מספיק שנגרם מחלונות אוורור לא מספקים, מוסיפים חלונות אוורור אסטרטגיים בראש וצדדים. חישובים קובעים את הגודל והכמות האופטימליים כדי להגדיל את זרימת האוויר תוך שמירה על חוזק המבנה:

• 80 חלונות אוורור בראש (כל אחד בגודל 1.0 מ' × 0.2 מ');

• 20 חלונות אוורור בצדדים (כל אחד בגודל 2.0 מ' × 0.15 מ').

כניסת כבלים ואופטימיזציה של זרימת אוויר:

• פתחים מלבניים: פתחי כניסה מלבניים לכבלי חשמל נמחטים בספינת הפלדה של בסיס המסגרת, מסדרים התקנת כבלים ומגדילים נתיבי אוויר.

• לוח תחתון מחליק: לוח תחתון מחליק מקלה על מסלול כבלים למתחם תוך שמירה על חותמת אפקטיבית, שומר על件内容似乎被截断了。以下是剩余部分的翻译：

  לוח תחתון מחליק: לוח תחתון מחליק מקלה על מסלול כבלים למתחם תוך שמירה על חותמת אפקטיבית, שומר על件内部组件的安全。

  这些优化结果形成了一种结构良好、分隔明确的电缆布局，增强了热管理和系统可靠性。

  2 实验验证
  2.1 实验装置

  为了验证散热设计的可行性，构建了一个实验平台，全面模拟海上风电场环境。使用两台风扇来模拟海上风速和方向。实验设备如表1所示。

  

  在使用风扇模拟风速和方向以模拟海上风电场环境时，应注意风速的均匀性和方向的多样性。均匀的风速对于准确评估控制柜的散热性能至关重要，而多样的风向可以更全面地模拟海上风向的变化。因此，在实验过程中，需要精确控制风扇，以确保风速和方向与实际海上风电场特征相匹配。

  2.2 实验结果与分析

  在优化海上风电场风机箱式变压器控制柜的散热后，记录了控制柜不同部位在优化前后的散热效率，如表2所示。

  

  2.3 结果与讨论

  根据表2中的实验数据，优化后海上风电箱式变压器控制柜的散热效率显著提高：

  • 关键区域改进：

  • 顶部通风窗：效率从772 W·℃⁻¹ 提高到 1,498 W·℃⁻¹；

  • 侧部通风窗：效率从735 W·℃⁻¹ 提高到 1,346 W·℃⁻¹；

  • 电缆入口区域：效率从892 W·℃⁻¹ 提高到 1,683 W·℃⁻¹。
    这些结果验证了强制冷风系统和优化的进出口设计的有效性。

  • 散热器的最大改进：
    内部散热器效率提升最为显著——从980 W·℃⁻¹ 提高到 1,975 W·℃⁻¹——这表明优化的散热片参数和机柜结构对提高热性能起着关键作用。

  3 结论

  本研究分析了海上风电场恶劣环境对控制柜散热的影响。基于传热原理，提出了针对性的优化方案并通过实验进行了验证。优化设计不仅提高了散热效率并降低了内部温度，还增强了抗腐蚀能力并延长了使用寿命。这些措施为海上风电场的可持续运行提供了强有力的技术支持。

  请允许我继续完成剩余部分的翻译：

  לוח תחתון מחליק: לוח תחתון מחליק מקלה על מסלול כבלים למתחם תוך שמירה על חותמת אפקטיבית, שומר על件内部组件的安全。

  אלה האופטימיזציות יוצרות תצורה מובנית ומופרדת של תיבת הכבלים, שמשפרת את ניהול החום ואמינות המערכת.

  2 אימות ניסיוני
  2.1 התקנת ניסוי

  כדי לאשר את היתכנות העיצוב לפיזור חום, נבנה פלטפורמת ניסוי שתממש באופן כולל את סביבת מפעל הרוח הימי. שתי מאווררים נשמשו כדי לדמות את מהירות הרוח והכיוון במפעלי רוח ימיים.quipmentATUS如表1所示。

  

  在使用风扇模拟风速和方向以模拟海上风电场环境时，应注意风速的均匀性和方向的多样性。均匀的风速对于准确评估控制柜的散热性能至关重要，而多样的风向可以更全面地模拟海上风向的变化。因此，在实验过程中，需要精确控制风扇，以确保风速和方向与实际海上风电场特征相匹配。

  2.2 实验结果与分析

  在优化海上风电场风机箱式变压器控制柜的散热后，记录了控制柜不同部位在优化前后的散热效率，如表2所示。

  

  2.3 结果与讨论

  根据表2中的实验数据，优化后海上风电箱式变压器控制柜的散热效率显著提高：

  • 关键区域改进：

  • 顶部通风窗：效率从772 W·℃⁻¹ 提高到 1,498 W·℃⁻¹；

  • 侧部通风窗：效率从735 W·℃⁻¹ 提高到 1,346 W·℃⁻¹；

  • 电缆入口区域：效率从892 W·℃⁻¹ 提高到 1,683 W·℃⁻¹。
    这些结果验证了强制冷风系统和优化的进出口设计的有效性。

  • 散热器的最大改进：
    内部散热器效率提升最为显著——从980 W·℃⁻¹ 提高到 1,975 W·℃⁻¹——这表明优化的散热片参数和机柜结构对提高热性能起着关键作用。

  3 结论

  本研究分析了海上风电场恶劣环境对控制柜散热的影响。基于传热原理，提出了针对性的优化方案并通过实验进行了验证。优化设计不仅提高了散热效率并降低了内部温度，还增强了抗腐蚀能力并延长了使用寿命。这些措施为海上风电场的可持续运行提供了强有力的技术支持。

  请允许我继续完成剩余部分的翻译：

  לוח תחתון מחליק: לוח תחתון מחליק מקלה על מסלול כבלים למתחם תוך שמירה על חותמת אפקטיבית, שומר על件内部组件的安全。

  אלה האופטימיזציות יוצרות תצורה מובנית ומופרדת של תיבת הכבלים, שמשפרת את ניהול החום ואמינות המערכת.

  2 אימות ניסיוני
  2.1 התקנת ניסוי

  כדי לאשר את היתכנות העיצוב לפיזור חום, נבנה פלטפורמת ניסוי שתממש באופן כולל את סביבת מפעל הרוח הימי. שתי מאווררים נשמשו כדי לדמות את מהירות הרוח והכיוון במפעלי רוח ימיים. הציוד הניסיוני מפורט בטבלה 1.

  

  כדי לדמות את סביבת מפעל הרוח הימי, בעת שימוש במאווררים לדמות מהירות וכיוון הרוח, יש להקפיד על אחידות במהירות הרוח והגוון בכיווני הרוח. אחידות במהירות הרוח חשובה להערכת מדעית של ביצועי הפיזור החום של תיבת הבקרה, וגיוון בכיווני הרוח יכול לדמות באופן מלא יותר את שינויים בכיוון הרוח הימי. לכן, במהלך הניסוי, יש לשלוט באופן מדויק במאווררים כדי להבטיח שהמהירות והכיוון של הרוח תואמים לתכונות המפעלים הימיים.

  2.2 תוצאות הניסוי וניתוח

  לאחר אופטימיזציה של הפיזור החום של תיבת הבקרה של טרנספורטרים ממוקמים במפעלי רוח ימיים, נרשם יעילות הפיזור החום של חלקים שונים של תיבת הבקרה לפני ואחרי האופטימיזציה, כפי שמתואר בטבלה 2.

  

  2.3 תוצאות ודיסקושן

  מבוסס על הנתונים הניסיוניים בטבלה 2, יעילות הפיזור החום של תיבת הבקרה של טרנספורטרים ממוקמים במפעלי רוח ימיים מראה שיפור משמעותי לאחר האופטימיזציה:

  • שיפור באזורים מרכזיים:

  • חלון אוורור עליון: יעילות עלה מ-772 W·℃⁻¹ ל-1,498 W·℃⁻¹;

  • חלון אוורור צידי: יעילות השתפרה מ-735 W·℃⁻¹ ל-1,346 W·℃⁻¹;

  • אזור כניסה לכבלים: יעילות עלה מ-892 W·℃⁻¹ ל-1,683 W·℃⁻¹.
    התוצאות מאשרות את יעילות מערכת האוויר המנוקה בכפייה והעיצוב המופטם של הכניסה והיציאה.

  • שיפור מרבי ברadiator:
    יעילות הרadiator הפנימי עלה באופן ניכר - מ-980 W·℃⁻¹ ל-1,975 W·℃⁻¹ - מראה את תפקידו הקריטי של אופטימיזציה של פרמטרי הקרנים והמבנה של התיבה לשיפור הביצועים התרמיים.

  3 מסקנות

  המחקר ניתח את השפעת הסביבה הקשה במפעלי רוח ימיים על הפיזור החום של תיבות הבקרה. בהכוונה עקרונות הפיזור החום, הוצע תוכנית אופטימיזציה ממוקדת ונאמת בניסוי. העיצוב המופטם לא רק משפר את יעילות הפיזור החום ומפחית את הטמפרטורות הפנימיות, אלא גם משפר את עמידות הסביבה והאריכות של החיים. המהלכים הללו מספקים תמיכה טכנולוגית חזקה לפעילות בת קיימא של מפעלי רוח ימיים.