Thermische optimalisatieontwerp voor schakelkasten van pad-geplaatste transformatoren in offshore windturbines

De wereldwijde energietransitie stimuleert de offshore windenergie, maar complexe mariene omgevingen vormen een uitdaging voor de betrouwbaarheid van turbines. De warmteafgifte van pad-mounted transformer control cabinets (PMTCCs) is cruciaal - onafgevoerde warmte veroorzaakt schade aan componenten. Het optimaliseren van de warmteafgifte van PMTCCs verbetert de efficiëntie van turbines, maar het onderzoek richt zich voornamelijk op landelijke windparken en negeert offshore parken. Daarom moeten PMTCCs voor offshore-omstandigheden worden ontworpen om de veiligheid te verhogen.

1 Optimalisatie van de warmteafgifte van PMTCC
1.1 Voeg warmteafgifteapparatuur toe

Voor offshore PMTCCs, voeg/optimiseer volledig gesloten warmteafgifteapparatuur toe om bestand te zijn tegen zoutnevel/moisture. Geïnstalleerd naast transformatoren, verbonden via speciale interfaces, vormen ze efficiënte koelingscircuits. Luchtstroom in apparatuur: zie figuur 1.

Vanwege de specifieke kenmerken van het maritieme klimaat in offshore windparken, zoals grote temperatuurschommelingen, hoge luchtvochtigheid en corrosie door zoutnevel, worden strengere eisen gesteld aan de warmteafgifteprestaties van transformatorcontrolekasten. Om de precisie van de koelerontwerpoptimalisatie te bereiken, combineert deze studie innovatief ANSYS met MATLAB, gebruikmakend van genetische algoritmen om de breedteparameters van de koelers te optimaliseren.

Omdat de ingebouwde parametrische programmeertaal van ANSYS beperkingen heeft bij het direct integreren van optimalisatiealgoritmen, wordt MATLAB als tussenpersoon gebruikt. Door de ontwikkeling van een secundaire ontwikkelinterface van ANSYS, wordt een naadloze verbinding tussen ANSYS en MATLAB gerealiseerd. Het wordt aangenomen dat de totale oppervlakte van de koeler 0,36 m² is, en de relatie tussen de achterbreedte a_z en de zijrandbreedte a_c van de koeler wordt gedefinieerd als:

Door gedetailleerde berekeningen en simulaties is de optimale achterbreedte van de koeler bepaald op 0,235 m, met de breedtes van de twee zijkoelers aangepast naar 1,532 m. Deze optimalisatie behoudt niet alleen de totale oppervlakte van de koeler, maar verhoogt ook de warmteafgifteprestaties.

1.2 Gedwongen luchtverkoelingstechnologie

Gedwongen luchtverkoeling gebruikt ventilatoren om de luchtcirculatie te versnellen, waardoor temperatuurverschillen door luchtconversie worden vergroot om de warmteafgifte te verbeteren. Het regelt de temperatuur van de kast veilig, maar stuit op wrijvings- en lokale verliezen in leidingen. Optimalisaties omvatten het vergroten van de leidingsbreedte van 100 naar 120 mm en het verminderen van de hydraulische diameter, waardoor energieverlies wordt geminimaliseerd en de efficiëntie wordt verbeterd. Gekoelde olie keert terug naar de tank via buizen aan de onderkant, waardoor een gesloten circuit voor dubbele koeling wordt gevormd. Zie figuur 2 voor de circulatie.

Om de warmteafgifte te optimaliseren, wordt een Oil Natural Air Forced (ONAF) koelmodus gekozen. Ventilatoren drijven luchtstroom aan om de koellucht van onder naar boven te laten stromen, wat effectief de hele radiatoroppervlakte bedekt.

1.3 Optimalisatie van de in- en uitlaat in de hoofdtransformatorruimte

Op basis van het vermogensverlies van de transformatorcontrolekast en het verwachte temperatuurverschil tussen de in- en uitlaat, wordt de vereiste luchtstroom berekend met behulp van thermodynamica. De formule voor luchtstroom V is:

In de formule:

• Q is de warmteafgifte per tijdseenheid;

• ρ is de luchtdichtheid;

• b is de specifieke warmtecapaciteit;

• ΔT is het temperatuurverschil tussen de in- en uitlaat.

Gezien het potentiële afnemen van de ventilatieefficiëntie, wordt de gemeten luchtstroom ingesteld op 1,6V. De formule voor het berekenen van de effectieve inlaatafmeting A is:

Waarbij v de luchtstroomsnelheid zowel bij de in- als uitlaat voorstelt. Na het verduidelijken van het vermogensverlies van de transformatorcontrolekast en het bepalen van het verwachte temperatuurverschil tussen de in- en uitlaat, wordt de vereiste luchtstroom V berekend met behulp van thermodynamische principes. Uiteindelijk worden de specifieke afmetingen van de in- en uitlaat gebaseerd op de luchtstroom V ontworpen:

• Inlaat: breedte van 0,200 m en hoogte van 0,330 m;

• Uitlaat: breedte van 0,250 m en hoogte van 0,264 m.

Analyse van de correlatie tussen de inlaatdrukverlies en de openingssurface toont aan dat het vergroten van de openingssurface effectief de gasdrukverliezen kan verminderen, waardoor de warmteafgifte-efficiëntie wordt verbeterd. Met als doel de structuursterkte van de controlekast te waarborgen, wordt de inlaatopening ingesteld op 0,066 m². Om de effectieve ventilatieoppervlakte te verhogen, wordt een methode toegepast die roosters en luifelbedekkingen combineert om ventilatiepaden te vergroten terwijl het binnendringen van stof en regen wordt voorkomen. In de onderste helft van de hoofdtransformatorruimte wordt een extra inlaatvenster geïnstalleerd, ongeveer 40 cm boven de grond, om de inlaatsurface verder te vergroten.

Op basis van het principe van onderste luchttoevoer en bovenste luchtuitlaat, wordt de indeling van de in- en uitlaat geoptimaliseerd. De inlaat wordt geplaatst in de onderste helft van de hoofdtransformatorruimte, en de uitlaat bevindt zich in de bovenste helft, wat natuurlijke convector veroorzaakt. Dit laat hete lucht gladjes stijgen en via de uitlaat ontsnappen, terwijl koude lucht via de inlaat binnenkomt, waardoor een effectieve luchtcirculatie ontstaat die de warmteafgifte-efficiëntie verbetert.

1.4 Optimalisatie van de constructie van de controlekast

Om de unieke uitdagingen van zout, vochtigheid en corrosieve stoffen in offshore windparken te tackelen, worden high-performance anticorrosie materialen en geavanceerde verzegelings technologieën toegepast om de algemene bescherming van de controlekast te verhogen.

Versterkte warmteafgifteontwerp:

• Geoptimaliseerde ventilatievensters: Om ontoereikende warmteafgifte veroorzaakt door onvoldoende uitlaatvensters op te lossen, worden extra ventilatieopeningen strategisch geplaatst op de boven- en zijkanten. Berekeningen bepalen de optimale grootte en hoeveelheid om de luchtstroom te maximaliseren terwijl de structuur integriteit behouden blijft:

• 80 bovenste ventilatieopeningen (1,0 m × 0,2 m elk);

• 20 zijkantige ventilatieopeningen (2,0 m × 0,15 m elk).

Kabelingang en luchtstroomoptimalisatie:

• Rechthoekige inlaatopeningen: Rechthoekige kabelingangsopeningen worden in de framebasis van het kanaalstaal gefreesd, waardoor de kabelinstallatie wordt gestroomlijnd en de luchtstroompaden worden verbeterd.

• Glijdende bodemplaat: Een glijdende bodemplaat faciliteert de kabelaanleg naar terminals terwijl effectieve verzegeling wordt gewaarborgd, waardoor interne componenten beschermd blijven.

Deze optimalisaties resulteert in een gestructureerde, goed gescheiden kabelopstelling die zowel de thermische beheersing als de systeembreedheid verhoogt.

2 Experimentele verificatie
2.1 Experimentele opzet

Om de haalbaarheid van het warmteafgifteontwerp te valideren, werd een experimenteel platform opgezet om de offshore windparkomgeving volledig te simuleren. Twee ventilatoren werden gebruikt om offshore windsnelheden en -richtingen te imiteren. Het experimentele materiaal staat vermeld in tabel 1.

Om de offshore windparkomgeving te simuleren, moet bij het gebruik van ventilatoren om windsnelheden en -richtingen te imiteren, rekening worden gehouden met de uniformiteit van de windsnelheid en de diversiteit van de windrichtingen. Uniforme windsnelheden zijn cruciaal voor een nauwkeurige evaluatie van de warmteafgifteprestaties van de controlekast, en diverse windrichtingen kunnen de offshore windrichtingsveranderingen meer omvattend simuleren. Tijdens het experiment moeten de ventilatoren daarom nauwkeurig worden bestuurd om ervoor te zorgen dat de windsnelheid en -richting overeenkomen met de werkelijke kenmerken van offshore windparken.

2.2 Experimentele resultaten en analyse

Na de optimalisatie van de warmteafgifte van de offshore windpark windturbine box-type transformatorcontrolekast, werden de warmteafgifte-efficiënties van verschillende delen van de controlekast voor en na de optimalisatie vastgelegd, zoals weergegeven in tabel 2.

2.3 Resultaten en discussie

Op basis van de experimentele gegevens in tabel 2, tonen de warmteafgifte-efficiënties van de offshore windturbine pad-mounted transformer control cabinet significante verbeteringen na de optimalisatie:

• Belangrijkste gebiedsverbeteringen:

• Bovenste ventilatievenster: Efficiëntie gestegen van 772 W·℃⁻¹ naar 1.498 W·℃⁻¹;

• Zijkantige ventilatievenster: Efficiëntie verbeterd van 735 W·℃⁻¹ naar 1.346 W·℃⁻¹;

• Kabelingangsgedeelte: Efficiëntie gestegen van 892 W·℃⁻¹ naar 1.683 W·℃⁻¹.
  Deze resultaten bevestigen de effectiviteit van het gedwongen koude lucht systeem en het geoptimaliseerde in- en uitlaatontwerp.

• Maximale verbetering in de radiator:
  Interne radiator efficiëntie toonde de meest significante stijging - van 980 W·℃⁻¹ naar 1.975 W·℃⁻¹ - wat de cruciale rol van geoptimaliseerde fin parameters en kaststructuur in het verbeteren van de thermische prestaties aantoont.

3 Conclusie

Deze studie analyseerde de impact van de strenge omgeving in offshore windparken op de warmteafgifte van controlekasten. Op basis van warmtetransferprincipes werd een gerichte optimalisatiestrategie voorgesteld en experimenteel gevalideerd. Het geoptimaliseerde ontwerp verbetert niet alleen de warmteafgifte-efficiëntie en vermindert de interne temperaturen, maar verhoogt ook de corrosiebestendigheid en verlengt de levensduur. Deze maatregelen bieden robuuste technische ondersteuning voor de duurzame exploitatie van offshore windparken.