Тепловой оптимизационный дизайн для шкафов управления трансформаторов на опорах в морских ветрогенераторах

Глобальный энергетический переход способствует развитию морской ветроэнергетики, однако сложные морские условия создают проблемы для надежности турбин. Отведение тепла от шкафов управления блочными трансформаторами (PMTCC) имеет ключевое значение — недостаточное охлаждение приводит к повреждению компонентов. Оптимизация отведения тепла от PMTCC улучшает эффективность турбин, но исследования в основном сосредоточены на наземных ветропарках, игнорируя морские. Поэтому необходимо проектировать PMTCC для морских условий, чтобы повысить безопасность.

1 Оптимизация отведения тепла от PMTCC
1.1 Добавление устройств отведения тепла

Для морских PMTCC следует добавить/оптимизировать полностью герметичные устройства отведения тепла, чтобы противостоять солевому туману и влаге. Установленные рядом с трансформаторами и подключенные через специальные интерфейсы, они образуют эффективные циклы охлаждения. Поток воздуха в устройствах: см. Рис. 1.

Из-за специфики морского климата на морских ветропарках, таких как большие колебания температуры, высокая влажность и коррозия солевым туманом, предъявляются более строгие требования к теплоотводящим характеристикам шкафов управления трансформаторами. Для достижения точной оптимизации дизайна радиаторов в этом исследовании инновационно сочетаются ANSYS и MATLAB, используя генетические алгоритмы для оптимизации параметров ширины радиаторов.

Из-за ограничений встроенного параметрического языка программирования ANSYS в прямом интегрировании оптимизационных алгоритмов используется MATLAB в качестве посредника. Через разработку вторичного интерфейса ANSYS достигается бесшовное соединение между ANSYS и MATLAB. Предполагается, что общая площадь радиатора составляет 0,36 м², и отношение ширины задней части a_z и боковой ширины a_c радиатора определяется следующим образом:

После детальных расчетов и моделирований оптимальная ширина задней части радиатора определена как 0,235 м, при этом ширина двух боковых радиаторов соответственно регулируется до 1,532 м. Эта оптимизация не только сохраняет общую площадь радиатора, но и улучшает его теплоотводящие характеристики.

1.2 Технология принудительного воздушного охлаждения

Принудительное воздушное охлаждение использует вентиляторы для ускорения циркуляции воздуха, увеличивая температурные различия через конвекцию воздуха, чтобы улучшить отведение тепла. Оно контролирует температуру шкафа безопасным образом, но сталкивается с трением и местными потерями в воздуховодах. Оптимизации включают расширение ширины воздуховодов с 100 до 120 мм и уменьшение гидравлического диаметра, минимизируя потери энергии и повышая эффективность. Охлаждаемое масло возвращается в бак через нижние трубы, образуя замкнутый цикл двойного охлаждения. См. Рис. 2 для циркуляции.

Для оптимизации отведения тепла выбран режим охлаждения маслом естественной циркуляции с принудительным обдувом воздухом (ONAF). Вентиляторы обеспечивают движение воздуха, чтобы охлаждающий воздух двигался снизу вверх, эффективно покрывая всю поверхность радиатора.

1.3 Оптимизация входа и выхода в главной камере трансформатора

На основе потерь мощности шкафа управления трансформатором и ожидаемой разницы температур между входом и выходом рассчитывается необходимый поток воздуха с использованием термодинамики. Формула для потока воздуха V является следующей:

В формуле:

• Q — это количество тепла, отводимого за единицу времени;

• ρ — плотность воздуха;

• b — удельная теплоемкость;

• ΔT — разница температур между входом и выходом.

Учитывая возможное снижение эффективности вентиляции, измеренный расход воздуха устанавливается на уровне 1,6V. Формула для расчета эффективной площади входа A является следующей:

Где v представляет скорость воздуха на входе и выходе. После уточнения потерь мощности шкафа управления трансформатором и определения ожидаемой разницы температур между входом и выходом, необходимый поток воздуха V рассчитывается с использованием термодинамических принципов. Наконец, конкретные размеры входа и выхода проектируются на основе потока воздуха V:

• Вход: ширина 0,200 м и высота 0,330 м;

• Выход: ширина 0,250 м и высота 0,264 м.

Анализ корреляции между потерями давления на входе и площадью отверстия показывает, что увеличение площади отверстия может эффективно снизить потери давления газа, тем самым улучшая эффективность отведения тепла. На основании обеспечения структурной прочности шкафа управления, площадь отверстия входа установлена на уровне 0,066 м². Для повышения эффективной площади вентиляции используется метод, сочетающий решетки и жалюзи, чтобы увеличить пути вентиляции и предотвратить попадание пыли и дождя. В нижней части главной камеры трансформатора установлено дополнительное окно для входа воздуха примерно на 40 см выше земли, чтобы еще больше расширить площадь входа.

На основе принципа нижнего забора воздуха и верхнего выхлопа оптимизируется расположение входа и выхода. Вход установлен в нижней части главной камеры трансформатора, а выход расположен в верхней части, образуя естественную конвекцию. Это позволяет горячему воздуху плавно подниматься и выходит через выход, в то время как холодный воздух входит через вход, создавая эффективную циркуляцию воздуха для улучшения отведения тепла.

1.4 Оптимизация конструкции шкафа управления

Для решения уникальных проблем, связанных с солью, влажностью и коррозионными веществами на морских ветропарках, используются материалы с высокой антикоррозийной защитой и передовые технологии герметизации, чтобы повысить общую защиту шкафа управления.

Улучшенный дизайн отведения тепла:

• Оптимизированные вентиляционные окна: Для решения проблемы недостаточного отведения тепла из-за недостаточного количества вентиляционных отверстий, дополнительно устанавливаются вентиляционные отверстия сверху и сбоку. Расчеты определяют оптимальные размеры и количество, чтобы максимизировать поток воздуха, сохраняя при этом структурную целостность:

• 80 вентиляционных отверстий сверху (по 1,0 м × 0,2 м каждое);

• 20 вентиляционных отверстий сбоку (по 2,0 м × 0,15 м каждое).

Оптимизация входа кабелей и потока воздуха:

• Прямоугольные входы: Прямоугольные порты для входа кабелей вырезаются в рамной стали основания, упрощая установку кабелей и улучшая пути движения воздуха.

• Сдвижная нижняя пластина: Сдвижная нижняя пластина облегчает прокладку кабелей к терминалам, сохраняя эффективную герметизацию, обеспечивая защиту внутренних компонентов.

Эти оптимизации приводят к структурированному и четко разделенному расположению кабелей, что улучшает как тепловое управление, так и надежность системы.

2 Экспериментальная проверка
2.1 Экспериментальная установка

Для проверки возможности реализации дизайна отведения тепла была построена экспериментальная платформа, которая всесторонне имитирует условия морского ветропарка. Использовались два вентилятора для воспроизведения скорости и направления ветра в морских условиях. Экспериментальное оборудование перечислено в таблице 1.

Для имитации условий морского ветропарка, при использовании вентиляторов для воспроизведения скорости и направления ветра, следует обратить внимание на равномерность скорости ветра и разнообразие направлений. Равномерная скорость ветра важна для точной оценки характеристик отведения тепла шкафа управления, а разнообразие направлений ветра позволяет более полно имитировать изменения направления ветра в морских условиях. Таким образом, во время эксперимента вентиляторы должны быть точно настроены, чтобы скорость и направление ветра соответствовали реальным характеристикам морского ветропарка.

2.2 Экспериментальные результаты и анализ

После оптимизации отведения тепла от шкафа управления блочного трансформатора ветрогенератора морского ветропарка были записаны значения эффективности отведения тепла различных частей шкафа управления до и после оптимизации, как показано в таблице 2.

2.3 Результаты и обсуждение

На основе экспериментальных данных, представленных в таблице 2, эффективность отведения тепла от шкафа управления блочного трансформатора морского ветропарка значительно улучшилась после оптимизации:

• Улучшения в ключевых областях:

• Вентиляционное окно сверху: эффективность увеличилась с 772 Вт·°C⁻¹ до 1,498 Вт·°C⁻¹;

• Боковое вентиляционное окно: эффективность улучшилась с 735 Вт·°C⁻¹ до 1,346 Вт·°C⁻¹;

• Область входа кабелей: эффективность увеличилась с 892 Вт·°C⁻¹ до 1,683 Вт·°C⁻¹.
  Эти результаты подтверждают эффективность системы принудительного холодного воздуха и оптимизированного дизайна входа и выхода.

• Максимальное улучшение в радиаторе:
  Эффективность внутреннего радиатора увеличилась наиболее значительно — с 980 Вт·°C⁻¹ до 1,975 Вт·°C⁻¹, демонстрируя ключевую роль оптимизированных параметров ребер и конструкции шкафа в улучшении тепловых характеристик.

3 Заключение

В этом исследовании был проведен анализ влияния суровых условий морского ветропарка на отведение тепла от шкафа управления. На основе принципов теплопередачи был предложен и экспериментально проверен целенаправленный план оптимизации. Оптимизированный дизайн не только улучшает эффективность отведения тепла и снижает внутреннюю температуру, но также повышает устойчивость к коррозии и продлевает срок службы. Эти меры предоставляют надежную техническую поддержку для устойчивой работы морских ветропарков.