Progettazione ottimizzata termica per armadi di controllo di trasformatori a pad montati su turbine eoliche offshore

La transizione energetica globale sta stimolando l'energia eolica offshore, ma gli ambienti marini complessi sfidano l'affidabilità delle turbine. La dissipazione del calore dei quadri di controllo dei trasformatori a pad (PMTCCs) è cruciale - il calore non dissipato causa danni ai componenti. L'ottimizzazione della dissipazione del calore dei PMTCC migliora l'efficienza delle turbine, ma la ricerca si concentra principalmente su parchi eolici onshore, trascurando quelli offshore. Pertanto, progettare PMTCC per condizioni offshore per migliorare la sicurezza.

1 Ottimizzazione della dissipazione del calore dei PMTCC
1.1 Aggiungere dispositivi di dissipazione del calore

Per i PMTCC offshore, aggiungere/ottimizzare dispositivi di dissipazione del calore completamente sigillati per resistere alla salsedine/umidità. Installati accanto ai trasformatori e collegati tramite interfacce speciali, formano cicli di raffreddamento efficienti. Flusso d'aria nei dispositivi: vedi Fig. 1.

A causa delle specificità del clima marino nei parchi eolici offshore, come ampie fluttuazioni di temperatura, alta umidità e corrosione da salsedine, sono poste richieste più stringenti sulle prestazioni di dissipazione del calore dei quadri di controllo dei trasformatori. Per ottenere un'ottimizzazione precisa del design del dissipatore di calore, questo studio combina in modo innovativo ANSYS con MATLAB, utilizzando algoritmi genetici per ottimizzare i parametri di larghezza dei dissipatori di calore.

A causa delle limitazioni del linguaggio di programmazione parametrico integrato di ANSYS nell'integrazione diretta degli algoritmi di ottimizzazione, viene adottato MATLAB come intermediario. Attraverso lo sviluppo di un'interfaccia di sviluppo secondario di ANSYS, viene realizzato un collegamento senza soluzione di continuità tra ANSYS e MATLAB. Si ipotizza che l'area totale del dissipatore di calore sia di 0,36 m², e la relazione tra la larghezza posteriore a_z e la larghezza del bordo laterale a_c del dissipatore di calore è definita come:

Attraverso calcoli e simulazioni dettagliati, la larghezza posteriore ottimale del dissipatore di calore è stata determinata essere di 0,235 m, con le larghezze dei due dissipatori di calore laterali regolate a 1,532 m di conseguenza. Questa ottimizzazione non solo mantiene l'area totale del dissipatore di calore, ma migliora anche le sue prestazioni di dissipazione del calore.

1.2 Tecnologia di raffreddamento forzato dell'aria

Il raffreddamento forzato dell'aria utilizza ventilatori per accelerare la circolazione dell'aria, espandendo le differenze di temperatura attraverso la convezione dell'aria per migliorare la dissipazione del calore. Controlla la temperatura dello scatolo in modo sicuro, ma affronta perdite frizionali/locali nei condotti. Le ottimizzazioni includono l'ampliamento della larghezza del condotto da 100 a 120 mm e la riduzione del diametro idraulico, minimizzando la perdita di energia e migliorando l'efficienza. L'olio raffreddato ritorna alla cisterna attraverso tubi inferiori, formando un ciclo chiuso per il doppio raffreddamento. Vedi Figura 2 per la circolazione.

Per ottimizzare la dissipazione del calore, è stato selezionato un modalità di raffreddamento a olio naturale e aria forzata (ONAF). I ventilatori guidano il flusso d'aria per far circolare l'aria di raffreddamento dal basso verso l'alto, coprendo efficacemente l'intera superficie del radiatore.

1.3 Ottimizzazione dell'ingresso e dell'uscita nella camera principale del trasformatore

In base alla perdita di potenza del quadro di controllo del trasformatore e alla differenza di temperatura prevista tra ingresso e uscita, il flusso d'aria richiesto viene calcolato utilizzando la termodinamica. La formula per il flusso d'aria V è:

Nella formula:

• Q è la dissipazione di calore per unità di tempo;

• ρ è la densità dell'aria;

• b è la capacità termica specifica;

• ΔT è la differenza di temperatura tra ingresso e uscita.

Dato il potenziale declino nell'efficienza della ventilazione, il tasso di flusso d'aria misurato è impostato a 1,6V. La formula per calcolare l'area d'ingresso effettiva A è:

Dove v rappresenta la velocità dell'aria sia all'ingresso che all'uscita. Dopo aver chiarito la perdita di potenza del quadro di controllo del trasformatore e aver determinato la differenza di temperatura prevista tra ingresso e uscita, il flusso d'aria richiesto V viene calcolato utilizzando i principi termodinamici. Infine, le dimensioni specifiche dell'ingresso e dell'uscita vengono progettate in base al flusso d'aria V:

• Ingresso: larghezza di 0,200 m e altezza di 0,330 m;

• Uscita: larghezza di 0,250 m e altezza di 0,264 m.

L'analisi della correlazione tra la perdita di pressione all'ingresso e l'area di apertura rivela che aumentare l'area di apertura può ridurre efficacemente la perdita di pressione del gas, migliorando così l'efficienza della dissipazione del calore. Nel rispetto della forza strutturale dello scatolo di controllo, l'area di apertura all'ingresso è impostata a 0,066 m². Per migliorare l'area di ventilazione effettiva, viene adottato un metodo che combina griglie e coperture a persiane per aumentare i passaggi di ventilazione, prevenendo l'intrusione di polvere e pioggia. Nella parte inferiore della camera principale del trasformatore, viene installata una finestra d'ingresso d'aria aggiuntiva circa 40 cm sopra il suolo per ulteriormente espandere l'area di ingresso.

In base al principio di aspirazione d'aria dal basso e scarico d'aria dall'alto, viene ottimizzata la disposizione dell'ingresso e dell'uscita. L'ingresso è posizionato nella parte inferiore della camera principale del trasformatore, mentre l'uscita si trova nella parte superiore, formando una convezione naturale. Ciò permette all'aria calda di salire in modo fluido e di essere scaricata dall'uscita, mentre l'aria fredda entra dall'ingresso, creando una circolazione d'aria efficace per migliorare l'efficienza della dissipazione del calore.

1.4 Ottimizzazione della struttura dello scatolo di controllo

Per affrontare le sfide uniche legate al sale, all'umidità e alle sostanze corrosive nei parchi eolici offshore, vengono utilizzati materiali anticorrosione ad alto rendimento e tecnologie di sigillatura avanzate per migliorare la protezione complessiva dello scatolo di controllo.

Progettazione migliorata della dissipazione del calore:

• Finestre di ventilazione ottimizzate: Per risolvere la dissipazione insufficiente del calore causata da finestre di scarico insufficienti, vengono posizionate strategicamente aperture aggiuntive in cima e sui lati. I calcoli determinano la dimensione e la quantità ottimali per massimizzare il flusso d'aria mantenendo l'integrità strutturale:

• 80 aperture montate in cima (1,0 m x 0,2 m ciascuna);

• 20 aperture montate sui lati (2,0 m x 0,15 m ciascuna).

Ottimizzazione dell'ingresso dei cavi e del flusso d'aria:

• Ingressi rettangolari: Porte di ingresso rettangolari per i cavi vengono macchinati nella sezione di acciaio a canale della base del telaio, semplificando l'installazione dei cavi e migliorando i percorsi di flusso d'aria.

• Piatto di base scorrevole: Un piatto di base scorrevole facilita il routing dei cavi ai terminali, mantenendo un sigillaggio efficace e assicurando la protezione dei componenti interni.

Queste ottimizzazioni risultano in un layout di cavi strutturato e ben segregato, che migliora sia la gestione termica che l'affidabilità del sistema.

2 Verifica sperimentale
2.1 Impostazione sperimentale

Per validare la fattibilità del design di dissipazione del calore, è stato costruito una piattaforma sperimentale per simulare in modo completo l'ambiente del parco eolico offshore. Sono stati impiegati due ventilatori per replicare le velocità e direzioni del vento offshore. L'attrezzatura sperimentale è elencata nella Tabella 1.

Per simulare l'ambiente del parco eolico offshore, quando si utilizzano ventilatori per mimare la velocità e la direzione del vento, si deve prestare attenzione all'uniformità della velocità del vento e alla diversità della direzione. L'uniformità della velocità del vento è cruciale per una valutazione accurata delle prestazioni di dissipazione del calore dello scatolo di controllo, e la diversità delle direzioni del vento può simulare in modo più completo i cambiamenti nella direzione del vento offshore. Pertanto, durante l'esperimento, i ventilatori devono essere controllati con precisione per garantire che la velocità e la direzione del vento corrispondano alle caratteristiche reali del parco eolico offshore.

2.2 Risultati sperimentali e analisi

Dopo l'ottimizzazione della dissipazione del calore dello scatolo di controllo del trasformatore a pad per parco eolico offshore, è stato registrato l'efficienza di dissipazione del calore di diverse parti dello scatolo di controllo prima e dopo l'ottimizzazione, come mostrato nella Tabella 2.

2.3 Risultati e discussione

Sulla base dei dati sperimentali nella Tabella 2, l'efficienza di dissipazione del calore dello scatolo di controllo del trasformatore a pad per parco eolico offshore mostra miglioramenti significativi dopo l'ottimizzazione:

• Miglioramenti nelle regioni chiave:

• Finestra di ventilazione superiore: l'efficienza è aumentata da 772 W·℃⁻¹ a 1.498 W·℃⁻¹;

• Finestra di ventilazione laterale: l'efficienza è migliorata da 735 W·℃⁻¹ a 1.346 W·℃⁻¹;

• Area di ingresso dei cavi: l'efficienza è aumentata da 892 W·℃⁻¹ a 1.683 W·℃⁻¹.
  Questi risultati confermano l'efficacia del sistema di aria fredda forzata e del design ottimizzato dell'ingresso e dell'uscita.

• Miglioramento massimo nel radiatore:
  L'efficienza del radiatore interno è aumentata in modo più significativo - da 980 W·℃⁻¹ a 1.975 W·℃⁻¹ - dimostrando il ruolo critico dei parametri del dissipatore di calore e della struttura dello scatolo di controllo nell'aumento delle prestazioni termiche.

3 Conclusione

Questo studio ha analizzato l'impatto dell'ambiente ostile del parco eolico offshore sulla dissipazione del calore dello scatolo di controllo. Guidato dai principi di trasferimento del calore, è stato proposto e validato sperimentalmente uno schema di ottimizzazione mirato. Il design ottimizzato non solo migliora l'efficienza della dissipazione del calore e riduce le temperature interne, ma migliora anche la resistenza alla corrosione e prolunga la durata di vita. Queste misure forniscono un supporto tecnico robusto per l'operazione sostenibile dei parchi eolici offshore.