Den globale energiovergang fremmer havvindkraft, men de komplekse marine miljøene utfordrer turbinens pålitelighet. Avkjøling av kabinettsmonterte transformatorer (PMTCCs) er kritisk – uavkjølt varme forårsaker komponentskade. Optimalisering av PMTCC-varmeavgienging forbedrer turbinens effektivitet, men forskningen fokuserer hovedsakelig på landbaserte vindparker, og overser havbaserte. Derfor bør PMTCC-er designes for havbaserte forhold for å forbedre sikkerheten.
1 Optimalisering av PMTCC-varmeavgienging
1.1 Legg til varmeavgiengingsenheter
For havbaserte PMTCC-er, legg til/optimiser fullt tette varmeavgiengingsenheter for å motstå saltmist/fukt. Installert ved siden av transformatorer, koblet via spesielle grensesnitt, danner de effektive kjøleløkker. Luftstrøm i enhetene: se figur 1.
På grunn av de spesielle forholdene i havvindparkers maritime klima, som store temperatursvingninger, høy fuktighet og saltkorrosjon, stilles strengere krav til varmeavgiengingen av transformatorstyringskabinetter. For å oppnå nøyaktig optimalisering av kjølerdesignet, kombinerer denne studien innovativt ANSYS med MATLAB, ved hjelp av genetiske algoritmer for å optimalisere bredden på kjølerparametrene.
På grunn av begrensningene i ANSYS' innebygde parametriske programmeringsspråk for direkte integrasjon av optimaliseringsalgoritmer, blir MATLAB valgt som en mellommann. Gjennom utviklingen av et sekundært ANSYS-utviklingsgrensesnitt, realiseres en nahtløs forbindelse mellom ANSYS og MATLAB. Det antas at den totale arealet av kjøleren er 0,36 m2, og forholdet mellom bakbrettets bredde az og sidekanterens bredde ac av kjøleren defineres som:
Gjennom detaljerte beregninger og simuleringer, er den optimale bakbreddet på kjøleren bestemt til å være 0,235 m, med bredden på de to sidekjølerne justert til 1,532 m i overensstemmelse. Denne optimaliseringen beholder ikke bare det totale arealet av kjøleren, men forbedrer også dens varmeavgiengingsegenskaper.
1.2 Tvangsavkjølingsteknologi
Tvangsavkjøling bruker ventilatorer for å akselerere luftirkulasjon, utvider temperaturforskjeller gjennom luftkonveksjon for å forbedre varmeavgienging. Den kontrollerer kabinettemperaturen sikkert, men møter friksjonell/lokal tap i rør. Optimaliseringer inkluderer utvidelse av rørbredde fra 100 til 120 mm og redusere hydraulisk diameter, minimerer energitap og forbedrer effektiviteten. Kjølet olje returneres til tanken gjennom bunnrør, daner en lukket løkke for dobbelt avkjøling. Se figur 2 for sirkulasjon.
For å optimalisere varmeavgienging, velges en naturlig olje/luft tvangskjøling (ONAF) modus. Ventilatorer driver luftstrøm for å lage avkjølingsluftstrøm fra bunn til topp, dekker effektivt hele radiators overflaten.
1.3 Optimalisering av inn- og uttak i hovedtransformatorrommet
Basert på strømtapet i transformatorstyringskabinetten og den forventede temperaturforskjellen mellom inn- og uttaket, beregnes den nødvendige luftstrømmen ved hjelp av termodynamikk. Formelen for luftstrøm V er:
I formelen:
Ettersom det potensielt kan forekomme en nedgang i ventilasjonseffektiviteten, settes den målte luftstrømmen til 1,6V. Formelen for beregning av effektiv inntaksoverflate A er:
Hvor v representerer luftfarten både ved inntak og uttak. Etter å ha klart strømtapet i transformatorstyringskabinetten og fastsatt den forventede temperaturforskjellen mellom inntak og uttak, beregnes den nødvendige luftstrømmen V ved hjelp av termodynamiske prinsipper. Til slutt, designes de spesifikke dimensjonene for inntak og uttak basert på luftstrømmen V:
Analyse av sammenhengen mellom trykktap ved inntak og åpningsareal viser at økning av åpningsarealet kan effektivt redusere gasspressurtap, dermed forbedre varmeavgiengingseffektiviteten. På forutsetning av at konstruksjonstyrken til styringskabinetten er sikret, settes inntaksoverflatet til 0,066 m2. For å forbedre den effektive ventilasjonsarealet, anvendes en metode som kombinerer gitter og persiennes for å øke ventilasjonspassasjer samtidig som det forhindres intråd av støv og regn. I den nedre delen av hovedtransformatorrommet installeres et ekstra inntaksvindu ca. 40 cm over bakken for å videre utvide inntaksarealet.
Basert på prinsippet om bunninntak og topputslipp, optimaliseres plasseringen av inntak og uttak. Inntaket er satt i den nedre delen av hovedtransformatorrommet, og uttaket er plassert i den øvre delen, danner naturlig konveksjon. Dette tillater at varm luft stiger jevnt og slipper ut gjennom uttaket, mens kald luft kommer inn gjennom inntaket, skaper en effektiv luftsirkulasjon for å forbedre varmeavgiengingseffektiviteten.
1.4 Optimalisering av styringskabinettsstruktur
For å håndtere de unike utfordringene med salt, fuktighet og korrosive stoffer i havvindpark, brukes høytydige korrosjonsbestandige materialer og avanserte tettingsteknologier for å forbedre det totale beskyttelsesnivået av styringskabinetten.
Forbedret varmeavgiengingsdesign:
Kabelinnføring og luftstrømsoptimalisering:
Disse optimaliseringene resulterer i en strukturert, godt segret kabeloppsett som forbedrer både termisk forvaltning og systemets pålitelighet.
2 Eksperimentell verifisering
2.1 Eksperimentell oppsett
For å bekrefte gjennomførligheten av varmeavgiengingsdesignet, ble en eksperimentell plattform bygd for å fullstendig simulere havvindparkmiljøet. To ventilatorer ble benyttet for å replikere havvindhastigheter og -retninger. Eksperimentell utstyr listen i tabell 1.
For å simulere havvindparkmiljøet, når ventilatorer brukes for å etterligne vindhastighet og -retning, må man merke seg vindens uniformitet og retningers mangfold. Uniform vindhastighet er avgjørende for nøyaktig evaluering av styringskabinetts varmeavgiengingsegenskaper, og mangfoldige vindretninger kan mer komprehensivt simulere endringer i havvindretninger. Så under forsøket, må ventilatorene presist kontrolleres for å sikre at vindhastighet og -retning samsvarer med de faktiske havvindparkens karakteristika.
2.2 Eksperimentelle resultater og analyse
Etter optimalisering av varmeavgienging av havvindparkens vindturbin-boks-transformator-styringskabinet, ble varmeavgiengingseffektiviteten av ulike deler av styringskabinetten før og etter optimalisering registrert, som vist i tabell 2.
2.3 Resultater og diskusjon
Basert på eksperimentelle data i tabell 2, viser varmeavgiengingseffektiviteten av havvindturbin-boks-transformator-styringskabinet betydelige forbedringer etter optimalisering:
3 Konklusjon
Denne studien analyserte påvirkningen av havvindparkens hardhetsmiljø på styringskabinetts varmeavgienging. Veiledet av varmeforoverføringsprinsipper, ble en målrettet optimaliseringsplan foreslått og eksperimentelt verifisert. Det optimaliserte designet forbedrer ikke bare varmeavgiengingseffektiviteten og reduserer interne temperaturer, men forbedrer også korrosjonsbestandigheten og forlenget levetiden. Disse tiltakene gir robust teknisk støtte for bærekraftig drift av havvindparker.