Toplinska optimizacija oblikovanja za nadzorne škafanje bločnih transformatorjev v pomorskih vetroturbinah

Globalna prehod na obnovljive vire energije povečuje uporabo podmorskih vetrnih elektrarn, vendar kompleksne pomorske okoljske razmere predstavljajo izziv za zanesljivost turbin. Odvzemanje toplote iz nadstropnih transformatorjev (PMTCC) je ključno – neodvzeta toplota povzroča poškodbe komponent. Optimalizacija odvzemanja toplote iz PMTCC izboljša učinkovitost turbin, toda raziskave se večinoma osredotočajo na kontinentalne vetrne elektrarne in zanemarjajo podmor. Zato je potrebno oblikovati PMTCC za podmorske pogoje, da bi izboljšali varnost.

1 Optimalizacija odvzemanja toplote iz PMTCC
1.1 Dodajanje naprav za odvzemanje toplote

Za podmorske PMTCC dodajte/optimizirajte polnoma zaprti sistemi za odvzemanje toplote, ki so odporni na solino in vlago. Nameščeni ob transformatorjih in povezani s posebnimi vmesniki, oblikujejo učinkove hladilne zanke. Pretok zraka v napravah: glej Slika 1.

Izjemnosti pomorskega klimatskega okolja v podmorskih vetrnih elektrarnah, kot so velike temperature, visoka vlaga in korozija zaradi soline, postavljajo še strožje zahteve na odvzem toplote iz kontrolnih ohišij transformatorjev. Za natančno optimizacijo dizajna hladilnikov ta raziskava inovativno kombinira ANSYS in MATLAB, uporabljajoč genetske algoritme za optimizacijo širine parametrov hladilnikov.

Ker je ANSYS-ov jezik za parametrično programiranje omejen pri neposredni integraciji optimizacijskih algoritmov, se uporablja MATLAB kot posrednik. Skozi razvoj sekundarnega razvojnega vmesnika ANSYS-a je bil dosežen brezhiben povezava med ANSYS-om in MATLAB-om. Predpostavljeno je, da je skupna površina hladilnika 0,36 m², in je definirana relacija med zadnjo širino a_z in stransko širino a_c hladilnika kot:

Skozi podrobne izračune in simulacije je določena optimalna zadnja širina hladilnika na 0,235 m, z prilagoditvijo širine dveh stranskih hladilnikov na 1,532 m. Ta optimizacija ne le ohranja skupno površino hladilnika, temveč tudi izboljša njegovo zmogljivost za odvzemanje toplote.

1.2 Tehnologija prisilnega hlaščenja z zrakom

Prisilno hlaščenje z zrakom uporablja ventilatorje za pospeševanje pretoka zraka, s čimer se povečajo temperaturne razlike preko konvekcije zraka, kar izboljša odvzemanje toplote. To omogoča varno nadzorovanje temperature ohišja, toda sooča se z trenji in lokalnimi izgubami v cevovodih. Optimizacije vključujejo razširitev širine cevovoda z 100 na 120 mm in zmanjšanje hidravličnega premera, kar minimalizira izgubo energije in izboljša učinkovitost. Ohlazeni oljni se vrača v rezervoar preko cevi na dnu, kar oblikuje zaprto zanko za dvojno hladilno tehnologijo. Glej Slika 2 za cirkulacijo.

Za optimalizacijo odvzemanja toplote je izbran način hlaščenja z naravnim zrakom in prisilnim pretokom (ONAF). Ventilatorji poganjajo tok zraka, ki se giblje od dna proti vrhu, učinkovito pokrivajo celotno površino hladilnika.

1.3 Optimalizacija vhodov in izhodov v glavni transformatorski komori

Na podlagi izgub moči v kontrolnem ohišju transformatorja in pričakovane temperaturne razlike med vhodom in izhodom, se izračuna potreben pretok zraka z uporabo termodinamike. Formula za pretok zraka V je:

V formuli:

• Q je odvzetje toplote na enoto časa;

• ρ je gostota zraka;

• b je specifična toplota;

• ΔT je temperaturna razlika med vhodom in izhodom.

Ob upoštevanju možnega padca učinkovitosti ventilacije, je merjeni pretok zraka nastavljen na 1,6V. Formula za izračun učinkovite površine vhoda A je:

Kjer v predstavlja hitrost zraka na vhodu in izhodu. Po razjasnitvi izgub moči v kontrolnem ohišju transformatorja in določitvi pričakovane temperaturne razlike med vhodom in izhodom, se izračuna potreben pretok zraka V z uporabo termodinamičnih principov. Končno se na podlagi pretoka zraka V oblikujejo specifične dimenzije vhoda in izhoda:

• Vhod: širina 0,200 m in višina 0,330 m;

• Izhod: širina 0,250 m in višina 0,264 m.

Analiza povezanosti med izgubo tlaka na vhodu in odprtinsko površino kaže, da se z povečanjem odprtinske površine lahko učinkovito zmanjša izguba tlaka plina, kar izboljša učinkovitost odvzemanja toplote. Na podlagi zagotavljanja strukturne trdosti kontrolnega ohišja, je odprtinska površina vhoda nastavljena na 0,066 m². Za izboljšanje učinkovite površine ventilacije se uporablja metoda, ki kombinira rešetke in lustrini pokrov, kar poveča proste poti za zrak in preprečuje vstop prahu in deževu. V spodnjem delu glavne transformatorske komore je dodan dodatni vhodni okvir približno 40 cm nad talo, da se še bolj razširi površina vhoda.

Na podlagi načela vhoda zraka na dnu in izhoda na vrhu, je optimiziran razpored vhoda in izhoda. Vhod je postavljen v spodnjem delu glavne transformatorske komore, izhod pa v zgornjem delu, kar oblikuje naravno konvekcijo. To omogoča, da se topel zrak gladko dvigne in izteče skozi izhod, medtem ko hladni zrak vnika skozi vhod, kar ustvarja učinkovito cirkulacijo zraka za izboljšanje učinkovitosti odvzemanja toplote.

1.4 Optimalizacija strukture kontrolnega ohišja

Za reševanje edinstvenih izzivov soli, vlage in korozivnih snovi v podmorskih vetrnih elektrarnah, se uporabljajo visoko učinkoviti materiali za zaščito pred korozijo in napredne tehnologije za zaprtje, da se izboljša celotna zaščita kontrolnega ohišja.

Izboljšan dizajn za odvzemanje toplote:

• Optimizirane okna za ventilacijo: Za reševanje nedostatkov v odvzemanju toplote zaradi premalo izhodnih okencev, so dodana dodatna okna na vrhu in straneh. Izračuni določajo optimalne velikosti in količine, da se maksimizira pretok zraka, hkrati pa se ohranja strukturna celovitost:

• 80 okenc na vrhu (vsako 1,0 m x 0,2 m);

• 20 okenc na straneh (vsako 2,0 m x 0,15 m).

Vhod kablove in optimizacija pretoka zraka:

• Pravokotni vhodi: Pravokotni vhodi za kablove so izdelani v kanalni jekleni nosilci, kar poenostavi namestitev kablove in izboljša poti pretoka zraka.

• Drseča dno plošča: Drseča dno plošča omogoča usmerjanje kablove do terminalov, hkrati pa ohranja učinkovito zaprtje, kar zaščiti notranje komponente.

Te optimizacije prinesejo strukturirano, dobro ločeno razporeditev kablove, ki izboljša termalno upravljanje in zanesljivost sistema.

2 Eksperimentalna preverjanja
2.1 Eksperimentalna oprema

Za preverjanje izvedljivosti dizajna za odvzemanje toplote, je bila zgrajena eksperimentalna platforma, ki celovito simuliše okolje podmorske vetrne elektrarne. Za replikacijo hitrosti in smeri vetrnih tokov v podmorskih elektrarnah sta uporabljeni dva ventilatorja. Eksperimentalna oprema je navedena v Tabeli 1.

Za simulacijo okolja podmorske vetrne elektrarne, ko se uporabljata ventilatorja za mimikanje hitrosti in smeri vetra, je treba upoštevati enakomerno hitrost vetra in raznolikost smeri. Enakomerna hitrost vetra je ključna za natančno oceno zmogljivosti odvzemanja toplote kontrolnega ohišja, raznolikost smeri pa lahko bolje simuliše spremembe smeri vetra v podmorskih elektrarnah. Torej, med eksperimentom je treba točno nadzirati ventilatorja, da se zagotovi, da se hitrost in smer vetra ujemata z dejanskimi lastnostmi podmorskih vetrnih elektrarn.

2.2 Eksperimentalni rezultati in analiza

Po optimizaciji odvzemanja toplote v podmorski vetrni elektrarni, je bilo zabeleženo učinkovitost odvzemanja toplote različnih delov kontrolnega ohišja pred in po optimizaciji, kot je prikazano v Tabeli 2.

2.3 Rezultati in razprava

Na podlagi eksperimentalnih podatkov v Tabeli 2, učinkovitost odvzemanja toplote v kontrolnem ohišju transformatorja v podmorski vetrni elektrarni kaže znatne izboljšave po optimizaciji:

• Izboljšave v ključnih območjih:

• Ventilacijsko okno na vrhu: učinkovitost se je povečala s 772 W·℃⁻¹ na 1,498 W·℃⁻¹;

• Ventilacijsko okno na strani: učinkovitost se je izboljšala s 735 W·℃⁻¹ na 1,346 W·℃⁻¹;

• Območje vhoda kablove: učinkovitost se je povečala s 892 W·℃⁻¹ na 1,683 W·℃⁻¹.
  Ti rezultati potrjujejo učinkovitost prisilnega hlaščenja z zrakom in optimiziranega dizajna vhoda/izhoda.

• Največja izboljšava v hladilniku:
  Učinkovitost notranjega hladilnika se je najbolj značilno povečala – s 980 W·℃⁻¹ na 1,975 W·℃⁻¹ – kar kaže na ključno vlogo optimiziranih parametrov finov in strukture ohišja za izboljšanje termalne zmogljivosti.

3 Zaključek

Ta raziskava je analizirala vpliv zahtevnega okolja podmorskih vetrnih elektrarn na odvzemanje toplote iz kontrolnega ohišja. Na podlagi principov prenosa toplote je bila predlagana ciljna optimizacijska shema in eksperimentalno preverjena. Optimiziran dizajn ne le izboljša učinkovitost odvzemanja toplote in zmanjša notranje temperature, temveč tudi izboljša odpornost na korozijo in podaljša življenjsko dobo. Ti ukrepi prinašajo trdno tehnično podporo za trajnostno delovanje podmorskih vetrnih elektrarn.