Távirányító szekrények hőtérkép-optimalizálása padalapú transzformátorokhoz tengeri szélmalomokban

A világszerte megfigyelhető energiaátalakulás erősíti az offshore szélerőművek jelentőségét, ugyanakkor a komplex tengeri környezet kihívást jelent a turbínák megbízhatóságára. A pad-as transzformátor vezérlődobozok (PMTCC) hővezetése kritikus—a nélkülözhetetlen hő megemelkedése károsítja a komponenseket. A PMTCC hővezetés optimalizálása javítja a turbina hatékonyságát, de a kutatások főleg a földi szélerőművekre összpontosítanak, figyelmen kívül hagyva az offshore projekteket. Ezért alakítsunk ki PMTCC-t offshore feltételekhez, hogy javítsuk a biztonságot.

1 PMTCC Hővezetés Optimalizálása
1.1 Hővezető Eszközök Hozzáadása

Az offshore PMTCC-k esetén adjunk hozzá vagy optimalizáljunk teljesen zárt hővezető eszközöket, amelyek ellenállnak a sós prúházás és nedvesség hatásának. A transzformátor mellett telepítve, különleges interfészekkel csatlakoztatva, ezek hatékony hűtési ciklust alkotnak. Az eszközökben lévő légáramlás: lásd az 1. ábrát.

Az offshore szélerőművek specifikus tengeri klímája miatt, mint például a nagy hőmérséklet-ingadozás, a magas páratartalom és a sós prúházás, szigorúbb elvárások vannak a transzformátor vezérlődobozok hővezetésére. A hűtőelem tervezésének pontos optimalizálásához innovatívan kombináljuk az ANSYS és a MATLAB programokat, genetikai algoritmusok segítségével optimalizálva a hűtőelem szélességi paramétereit.

Az ANSYS beépített paraméterezett programozási nyelve korlátozott lehetőségei miatt, a MATLAB szolgál közvetítőként. Egy ANSYS másodlagos fejlesztési interfész kifejlesztésével egy szélességi kapcsolat jött létre az ANSYS és a MATLAB között. Tegyük fel, hogy a hűtőelem teljes területe 0,36 m², és a hűtőelem hátulsó szélessége a_z és az oldalsó él szélessége a_c közt a következő kapcsolat áll fenn:

Részletes számítások és szimulációk alapján a hűtőelem optimális hátulsó szélessége 0,235 m lett, a két oldali hűtőelem szélessége pedig 1,532 m-re lett beállítva. Ez az optimalizálás nem csak a hűtőelem teljes területét tartja, de javítja a hővezetési teljesítményét is.

1.2 Kényszerített Lég Hűtési Technológia

A kényszerített lég hűtés ventilátorokkal gyorsítja a levegő cirkulációját, a levegő konvekcióval bővítve a hőmérséklet különbséget, így javítva a hővezetést. Biztonságosan irányítja a doboz hőmérsékletét, de találkozik súrlódási és helyi veszteségekkel a csővezetékben. Az optimalizálás részeként a csőszélességet 100-ról 120 mm-re bővítik, és csökkentik a hidrodiamétert, minimalizálva az energiaveszteséget, és javítva a hatékonyságot. A hűtött olaj alsó csöveken keresztül visszaér a tartályba, zárt hurokot formálva dupla hűtéshez. Lásd a 2. ábrát a cirkulációért.

A hővezetés optimalizálásához választottuk a Természetes Olaj, Kényszerített Lég (ONAF) hűtési módot. A ventilátorok a levegő áramlását irányítják, hogy a hűtő levegő alulról felfelé haladjon, hatékonyan lefedve a hűtőelem egész felületét.

1.3 Fő Transzformátor Kamra Be- és Kimeneteinek Optimalizálása

A transzformátor vezérlődoboz teljesítményvesztesége és a be- és kimeneti hőmérsékletváltozás alapján a szükséges légtáplálást termodinamikai szabályok alapján számoljuk. A légtáplálás V képlete:

A képletben:

• Q az egységidőben elveszített hő;

• ρ a levegő sűrűsége;

• b a specifikus hőkapacitás;

• ΔT a be- és kimeneti hőmérséklet különbsége.

A szellőztetés hatékonyságának potenciális csökkenése miatt a mérni szeretett légtáplálás 1,6V-ra van beállítva. Az effektív bejárat területének A képlete:

Ahol v a be- és kimeneti levegő sebessége. A transzformátor vezérlődoboz teljesítményveszteségének és a be- és kimeneti hőmérsékletváltozás előre meghatározását követően a szükséges légtáplálást V termodinamikai szabályok alapján számoljuk. Végül a be- és kimeneti méreteket a légtáplálás V alapján tervezzük:

• Bejárat: szélesség 0,200 m, magasság 0,330 m;

• Kijárat: szélesség 0,250 m, magasság 0,264 m.

A bejárat nyomásvesztesége és nyitott területe közötti korreláció elemzése azt mutatja, hogy a nyitott terület növelése hatékonyan csökkenti a gáznyomásveszteséget, így javítva a hővezetési hatékonyságot. A vezérlődoboz szerkezeti erőssége garantálása mellett a bejárat nyitott területe 0,066 m²-re van beállítva. A hatékony szellőztetési terület növeléséhez rácsszerű és ládaplethasználatot alkalmaznak, hogy bővítsék a szellőztetési utakat, miközben megakadályozzák a por és az eső betörtét. A fő transzformátor kamra alsó részében további léggát nyílt ablakot telepítenek a talajtól kevesebb, mint 40 cm távolságra, hogy tovább bővítsék a bejárat területét.

Az alulról belépő és felfelé induló levegő elv alapján a be- és kimenetek elrendezése optimalizált. A bejárat a fő transzformátor kamra alsó részében, a kijárat pedig a felső részén található, természetes konvekciót formálva. Így a forró levegő simán emelkedik és a kijáraton keresztül kilép, míg a hideg levegő a bejáraton keresztül belép, hatékony levegőcirkulációt hozva létre, ami javítja a hővezetési hatékonyságot.

1.4 Vezérlődoboz Szerkezetének Optimalizálása

Az offshore szélerőművek sós, nedves és korrodáló anyagok által jellemzett környezeti kihívásainak megfelelően, magas teljesítményű ellenálló anyagokat és fejlett záró technológiákat alkalmaznak a vezérlődoboz általános védelmének javítására.

Javított Hővezetési Tervezés:

• Optimalizált Szellőztetési Ablakok: A hiányos szellőztetés megoldása érdekében stratégiai helyeken adnak hozzá további szellőztetési nyílásokat a tetején és az oldalakon. A számítások alapján meghatározzák az optimális méretet és mennyiséget, hogy maximalizálják a levegőáramlást, miközben fenntartják a szerkezeti integritást:

• 80 tetőfelületi szellőztetési nyílás (1,0 m × 0,2 m mindegyike);

• 20 oldalfelületi szellőztetési nyílás (2,0 m × 0,15 m mindegyike).

Kábel Bejárat és Légáramlás Optimalizálása:

• Négyzetes Bejáratok: Négyzetes kábelbejárati portokat gépezik ki a keret alapjának csatorna acéljából, egyszerűsítve a kábeltelepítést és javítva a légáramlás útvonalait.

• Csúszó Alaptermék: A csúszó alaptermék megkönnyíti a kábelvezetést a terminálhoz, miközben fenntartja a hatékony záródást, biztosítva a belső komponensek védelmét.

Ezek az optimalizálások strukturált, jól szegmentált kábel-elrendezést eredményeznek, ami javítja mind a hőkezelést, mind a rendszer megbízhatóságát.

2 Kísérleti Igazolás
2.1 Kísérleti Felállítás

A hővezetési tervezés megvalósíthatóságának igazolása érdekében kísérleti platformot építettek, amely széles körben szimulálta az offshore szélerőmű környezetét. Két ventilátort használtak az offshore szélsebességek és -irányok szimulálására. A kísérleti berendezések listája az 1. táblázatban található.

Az offshore szélerőmű környezet szimulálása során, amikor ventilátorokat használnak a szélsebesség és -irány szimulálására, figyelembe kell venni a szélsebesség egyenletességét és az irány sokféleségét. Az egyenletesség kulcsfontosságú a vezérlődoboz hővezetési teljesítményének pontos értékeléséhez, és a sokféle irány jobban szimulálja az offshore szélirány-változásokat. Ezért a kísérlet során a ventilátorokat precízen kell ellenőrizni, hogy a szélsebesség és -irány megfeleljenek a valós offshore szélerőmű jellemzőinek.

2.2 Kísérleti Eredmények és Elemzés

Az offshore szélerőmű pad-as transzformátor vezérlődoboz hővezetésének optimalizálása után rögzítették a vezérlődoboz különböző részeinek hővezetési hatékonyságát optimalizálás előtt és után, ahogy az a 2. táblázatban látható.

2.3 Eredmények és Beszélgetés

A 2. táblázatban szereplő kísérleti adatok alapján az offshore szélerőmű pad-as transzformátor vezérlődoboz hővezetési hatékonysága jelentősen javult az optimalizálás után:

• Kulcsfontosságú Régiók Javítása:

• Teteji szellőztetési ablak: A hatékonyság 772 W·℃⁻¹ -ról 1,498 W·℃⁻¹-re nőtt;

• Oldali szellőztetési ablak: A hatékonyság 735 W·℃⁻¹ -ról 1,346 W·℃⁻¹-re javult;

• Kábelbejárat: A hatékonyság 892 W·℃⁻¹ -ról 1,683 W·℃⁻¹-re emelkedett.
  Ezek az eredmények igazolják a kényszerített hideg levegő rendszer és az optimalizált be- és kimeneti tervezés hatékonyságát.

• Radiator Maximális Javítása:
  A belső radiator hatékonysága legnagyobb mértékben javult—980 W·℃⁻¹ -ról 1,975 W·℃⁻¹-re—ami megmutatja az optimalizált fin-paraméterek és a doboz szerkezet kritikus szerepét a hővezetési teljesítmény javításában.

3 Következtetés

Ez a tanulmány elemezte az offshore szélerőmű körülményeinek hatását a vezérlődoboz hővezetésére. A hőátadás elvei alapján célszerű optimalizálási tervet javasolt és kísérletileg igazolt. Az optimalizált tervezés nem csak a hővezetési hatékonyságot javítja és csökkenti a belső hőmérsékletet, de növeli a korrodálás elleni ellenállást, és meghosszabbítja a szolgálati élettartamot. Ezek a intézkedések erős technikai támogatást nyújtanak az offshore szélerőművek fenntartható működéséhez.