Termisk optimeringsdesign för kontrollkabinetter av plattformsmontörstransformatorer i havsbaserade vindkraftverk

Den globala energiomställningen stimulerar havsbaserad vindkraft, men komplexa marina miljöer utmanar turbinernas tillförlitlighet. Värmeförloppet för kylskåpsmonterade transformatorkontroller (PMTCC) är kritiskt – obekämpad värme orsakar komponentbeskädigande. Att optimera PMTCC:s värmeförlopp förbättrar turbineffektiviteten, men forskningen fokuserar mest på landbaserade vindparker och ignorerar de havsbaserade. Därför ska PMTCC designas för havsvillkor för att öka säkerheten.

1 PMTCC Värmeförloppsoptimering
1.1 Lägg till värmeförlopps-enheter

För havsbaserade PMTCC, lägg till/optimera fullständigt tätt stängda värmeförlopps-enheter för att motstå saltnebel/fukt. Installerade bredvid transformatorer, anslutna via specialgränssnitt, bildar de effektiva kylcyklar. Luftflöde i enheterna: se Figur 1.

På grund av specifikheterna i den marina klimatet i havsbaserade vindparker, såsom stora temperaturvariationer, hög luftfuktighet och saltnebelrosning, ställs mer stränga krav på kylprestandan för transformatorkontroller. För att uppnå precist optimering av kylarens design kombineras ANSYS och MATLAB innovativt, med hjälp av genetiska algoritmer för att optimera kylarens breddparametrar.

Eftersom ANSYS inbyggda parametriska programmeringsspråk har begränsningar för att direkt integrera optimeringsalgoritmer, används MATLAB som mellanhavande. Genom utvecklingen av ett sekundärt utvecklingsgränssnitt för ANSYS realiseras en sömlös anslutning mellan ANSYS och MATLAB. Det antas att den totala arean av kylaren är 0,36 m², och relationen mellan kylarens baksida bredd a_z och sidofläckens bredd a_c definieras som:

Genom detaljerade beräkningar och simuleringar fastställs den optimala baksidan bredden av kylaren till 0,235 m, med bredden på de två sidos kylare justerade till 1,532 m därefter. Denna optimering bibehåller inte bara den totala arean av kylaren utan förbättrar också dess kylprestanda.

1.2 Tvingad luftkylningsteknik

Tvingad luftkylning använder fläktar för att accelerera luftcirkulation, utvidgar temperaturdifferenser genom luftkonvektion för att förbättra värmeförlopp. Den kontrollerar skåpets temperatur säkert men står inför friktionella/lokal förluster i rör. Optimeringar inkluderar att utvidga rörsbredden från 100 till 120 mm och minska hydraulisk diameter, minimerar energiförlust och förbättrar effektivitet. Kylad olja återvinner tanken genom bottenrör, formar en slutet loop för dubbel kylning. Se Figur 2 för cirkulation.

För att optimera värmeförlopp väljs en naturlig lufttvingad (ONAF) kylmodus. Fläktar driver luftflöde för att göra kylande luftflöde från botten till topp, täcker effektivt hela radiators yta.

1.3 Optimering av ingång och utgång i huvudtransformatorskammare

Baserat på transformatorkontrollskåpets effektavfall och den förväntade temperaturskillnaden mellan ingång och utgång beräknas det nödvändiga luftflödet med termodynamik. Formeln för luftflöde V är:

I formeln:

• Q är värmeavledningen per tidsenhet;

• ρ är luftdensiteten;

• b är den specifika värmeemneskapaciteten;

• ΔT är temperaturskillnaden mellan ingång och utgång.

Givet möjligt nedgång i ventilationsverksamheten, sätts det mätta luftflödet till 1,6V. Formeln för beräkning av effektiv ingångsarea A är:

Där v representerar luftfarten vid både ingång och utgång. Efter att ha klargjort transformatorkontrollskåpets effektavfall och bestämt den förväntade temperaturskillnaden mellan ingång och utgång, beräknas det nödvändiga luftflödet V med termodynamiska principer. Slutligen utformas de specifika dimensionerna för ingång och utgång baserat på luftflödet V:

• Ingång: bredd 0,200 m och höjd 0,330 m;

• Utgång: bredd 0,250 m och höjd 0,264 m.

Analysen av korrelationen mellan ingångstryckförlust och öppningsarea visar att ökning av öppningsarea kan effektivt minska gastryckförlust, vilket därmed förbättrar värmeförloppseffektiviteten. På förutsättning av att säkerställa kontrollskåpets strukturella styrka, sätts ingångsöppningsarea till 0,066 m². För att förbättra den effektiva ventilationsytan antas en metod som kombinerar galler och louvrelock för att öka ventilationspassager samtidigt som intrång av damm och regn förhindras. I den nedre delen av huvudtransformatorskammaren installeras ett ytterligare luftintagsfönster cirka 40 cm över marken för att ytterligare utvidga ingångsområdet.

Baserat på principen om bottenluftintag och topputtag optimeras layouten av ingång och utgång. Ingången placeras i den nedre delen av huvudtransformatorskammaren, och utgången placeras i den övre delen, bildar naturlig konvektion. Detta gör att varm luft smidigt stiger och utströms genom utgången, medan kall luft intas genom ingången, skapar effektiv luftcirkulation för att förbättra värmeförloppseffektiviteten.

1.4 Kontrollskåpsstruktoptimering

För att hantera de unika utmaningarna med salt, fuktighet och korrosiv material i havsbaserade vindparker används högpresterande korrosionsbeständiga material och avancerade tättningstekniker för att förbättra kontrollskåpets totala skydd.

Förbättrad värmeförloppsdesign:

• Optimerade ventilationsfönster: För att lösa otillräckliga värmeförlopp orsakade av bristande uttagsfönster, placeras ytterligare ventiler strategiskt på toppen och sidorna. Beräkningar avgör optimal storlek och kvantitet för att maximera luftflöde samtidigt som strukturell integritet bevaras:

• 80 toppmonterade ventiler (1,0 m × 0,2 m vardera);

• 20 sidomonterade ventiler (2,0 m × 0,15 m vardera).

Kabelförsäljning och luftflödesoptimering:

• Rektangulära ingångar: Rektangulära kabelförsäljningsportar maskeras i kanalstål av rambasen, strömlinjeformar kabelläggning och förbättrar luftflödesvägar.

• Glijande bottenplatta: En glidande bottenplatta underlättar kabelläggning till terminaler samtidigt som effektiv tättning säkerställs, ser till att interna komponenter förblir skyddade.

Dessa optimeringar resulterar i en strukturerad, väl-separerad kabelläggning som förbättrar både termisk management och systemets tillförlitlighet.

2 Experimentell verifiering
2.1 Experimentell uppställning

För att verifiera värmeförloppsdesignens genomförbarhet byggdes en experimentell plattform för att omfattande simuleras havsbaserade vindparkmiljö. Två fläktar användes för att replikera havsbaserade vindhastigheter och riktningar. Experimentala utrustningar listas i Tabell 1.

För att simulera havsbaserade vindparksmiljö, när fläktar används för att imitera vindhastighet och riktning, bör man notera vindhastighetens jämnhet och riktningens mångfald. Jämn vindhastighet är avgörande för noggrann bedömning av kontrollskåpets värmeförloppseffektivitet, och mångfaldig vindriktning kan mer omfattande simulera havsbaserade vindriktningsskift. Så under experimentet behöver fläktar precis styrs för att säkerställa vindhastighet och riktning matchar den faktiska havsbaserade vindparkens egenskaper.

2.2 Experimentella resultat och analys

Efter att ha optimerat värmeförloppet för havsbaserade vindturbinbox-transformatorkontroller, registrerades värmeförloppseffektiviteten för olika delar av kontrollskåpet innan och efter optimering, som visas i Tabell 2.

2.3 Resultat och diskussion

Baserat på experimentella data i Tabell 2, visar värmeförloppseffektiviteten för havsbaserade vindturbin-box-transformatorkontroller betydande förbättringar efter optimering:

• Nyckelregionförbättringar:

• Topptoppventilation: Effektivitet ökade från 772 W·℃⁻¹ till 1,498 W·℃⁻¹;

• Sidoventilation: Effektivitet förbättrades från 735 W·℃⁻¹ till 1,346 W·℃⁻¹;

• Kabelförsäljningsområde: Effektivitet steg från 892 W·℃⁻¹ till 1,683 W·℃⁻¹.
  Dessa resultat validerar effektiviteten av det tvingade kalla lufts-systemet och den optimerade ingångs/utgångsdesignen.

• Maximal förbättring i radiator:
  Intern radiator-effektivitet ökade mest signifikant - från 980 W·℃⁻¹ till 1,975 W·℃⁻¹ - visar den kritiska rollen av optimerade finparametrar och skåpsstruktur för att förbättra termisk prestanda.

3 Slutsats

Detta studie analyserade havsbaserade vindparkers hårda miljö på kontrollskåps värmeförlopp. Guidad av värmeverksprinciper, föreslogs en målriktad optimeringsplan och verifierades experimentellt. Den optimerade designen förbättrar inte bara värmeförloppseffektiviteten och minskar interna temperaturer, utan förbättrar också korrosionsbeständighet och förlänger livslängden. Dessa åtgärder ger robust tekniskt stöd för hållbar drift av havsbaserade vindparker.