Термічна оптимізація проектування шаф керування для трансформаторів на підставі для вітрильних електростанцій у морі

Глобальний енергетичний перехід сприяє розвитку офшорної вітрової енергетики, але складні морські умови викликають проблеми надійності турбін. Тепловідведення панелей управління трансформаторами (PMTCCs) є критичним — незвільнене тепло може завдати шкоди компонентам. Оптимізація тепловідведення PMTCC покращує ефективність турбін, але дослідження зосереджуються переважно на наземних вітрових фермах, ігноруючи офшорні. Тому необхідно проектувати PMTCC для офшорних умов, щоб підвищити безпеку.

1. Оптимізація тепловідведення PMTCC
1.1 Додавання пристроїв тепловідведення

Для офшорних PMTCC додаються/оптимізуються повністю герметичні пристрої тепловідведення, щоб протистояти солоному туману/влазі. Встановлені поруч з трансформаторами, під'єднані через спеціальні інтерфейси, вони формують ефективні охолоджувальні контури. Потік повітря в пристроях: див. Рис. 1.

З урахуванням специфіки морського клімату на офшорних вітрових фермах, таких як значні коливання температур, висока вологість і корозія солоним туманом, до тепловідведення контролерів трансформаторів ставляться більш строгі вимоги. Для точного оптимізації конструкції радіатора це дослідження інноваційно поєднує ANSYS з MATLAB, використовуючи генетичні алгоритми для оптимізації параметрів ширини радіаторів.

У зв'язку з обмеженнями вбудованого параметричного мови програмування ANSYS у безпосередньому інтегруванні оптимізаційних алгоритмів, використовується MATLAB як посередник. Через розробку вторинного інтерфейсу ANSYS реалізується безперебійне з'єднання між ANSYS та MATLAB. Припустимо, що загальна площа радіатора становить 0,36 м², і відношення ширини задньої сторони a_z до ширини бокової сторони a_c радіатора визначається як:

Шляхом детальних розрахунків та моделювань визначено оптимальну ширину задньої сторони радіатора, яка становить 0,235 м, при цьому ширини двох бокових радіаторів було відкориговано до 1,532 м. Ця оптимізація не тільки зберігає загальну площу радіатора, але й підвищує його ефективність тепловідведення.

1.2 Технологія примусового повітряного охолодження

Примусове повітряне охолодження використовує вентилятори для прискорення циркуляції повітря, розширяючи температурні різниці за допомогою конвекції повітря, щоб підвищити тепловідведення. Воно безпечним чином контролює температуру шафи, але стикається з тертям та локальними втратами в каналі. Оптимізації включають розширення ширини каналу з 100 до 120 мм та зменшення гіdraulic diameter, що мінімізує втрати енергії та підвищує ефективність. Охолоджена олія повертається до бака через нижні труби, формуючи замкнений цикл подвійного охолодження. Див. Рисунок 2 для циркуляції.

Для оптимізації тепловідведення вибирається режим охолодження Oil Natural Air Forced (ONAF). Вентилятори запускають потік повітря, щоб охолоджувальний повітряний потік рухався знизу вгору, ефективно покриваючи всю поверхню радіатора.

1.3 Оптимізація входу та виходу в основній камері трансформатора

На основі втрат мощності контролера трансформатора та очікуваної різниці температур між входом та виходом, необхідний потік повітря розраховується за допомогою термодинаміки. Формула для потоку повітря V є такою:

У формулі:

• Q є тепловідведенням за одиницю часу;

• ρ є густиной повітря;

• b є питомою теплоємністю;

• ΔT є різницею температур між входом та виходом.

З урахуванням можливого спаду ефективності провітрювання, фактичний потік повітря встановлюється на рівні 1,6V. Формула для розрахунку ефективної площі входу A є такою:

Де v представляє швидкість повітря на вході та виході. Після уточнення втрат мощності контролера трансформатора та визначення очікуваної різниці температур між входом та виходом, необхідний потік повітря V розраховується за принципами термодинаміки. Нарешті, конкретні розміри входу та виходу проектируються на основі потоку повітря V:

• Вхід: ширина 0,200 м і висота 0,330 м;

• Вихід: ширина 0,250 м і висота 0,264 м.

Аналіз кореляції між втратами тиску на вході та площею відкриття показує, що збільшення площі відкриття може ефективно зменшити втрати газового тиску, що підвищує ефективність тепловідведення. На підставі забезпечення структурної міцності контролера, площа відкриття входу встановлюється на рівні 0,066 м². Для підвищення ефективної площі провітрювання використовується метод поєднання решіток та жалюзі, що збільшує канали провітрювання, а також запобігає проникненню пилу та дощів. У нижній частині основної камери трансформатора додаткове вікно входу повітря встановлюється приблизно на 40 см вище землі, щоб ще більше збільшити площу входу.

На основі принципу входу повітря знизу та виходу зверху, оптимізується розташування входу та виходу. Вхід розташовується в нижній частині основної камери трансформатора, а вихід — в верхній, формуючи природну конвекцію. Це дозволяє гарячему повітря плавно підніматися і виводитися через вихід, а холодний повітря входити через вхід, створюючи ефективну циркуляцію повітря для підвищення ефективності тепловідведення.

1.4 Оптимізація конструкції контролера

Для вирішення унікальних проблем, пов'язаних з соллю, вологістю та корозійними речовинами на офшорних вітрових фермах, використовуються матеріали високої продуктивності проти корозії та передові технології герметизації для підвищення загальної захисти контролера.

Покращена конструкція тепловідведення:

• Оптимізовані вікна провітрювання: Для вирішення недостатнього тепловідведення, спричиненого недостатньою кількістю випускних вікон, додаткові вентиляційні отвори розташовуються на верху та боках. Розрахунки визначають оптимальний розмір та кількість, щоб максимально збільшити потік повітря, підтримуючи структурну цілісність:

• 80 верхніх вентиляційних вікон (1,0 м × 0,2 м кожне);

• 20 бічних вентиляційних вікон (2,0 м × 0,15 м кожне).

Вхід кабелів та оптимізація потоку повітря:

• Прямокутні входи: Прямокутні входи для кабелів оброблюються в профільних стальних рамках, спрощуючи встановлення кабелів та покращуючи шляхи потоку повітря.

• Сувальдовий основний пласт: Сувальдовий нижній пласт сприяє прокладці кабелів до клем, підтримуючи ефективну герметизацію, що забезпечує захист внутрішніх компонентів.

Ці оптимізації призводять до структурованого, добре розділеного розташування кабелів, що підвищує як теплове управління, так і надійність системи.

2. Експериментальне підтвердження
2.1 Експериментальна установка

Для перевірки можливості використання конструкції тепловідведення, було побудовано експериментальну платформу для комплексного моделювання офшорної вітрової ферми. Було використано два вентилятори для імітації офшорних вітрових швидкостей та напрямків. Експериментальне обладнання наведено в таблиці 1.

Для моделювання офшорної вітрової ферми, коли використовуються вентилятори для імітації швидкості та напрямку вітру, слід звернути увагу на однорідність швидкості вітру та різноманітність напрямків. Однорідна швидкість вітру важлива для точного оцінювання ефективності тепловідведення контролера, а різноманітні напрямки вітру можуть більш повно моделювати зміни напрямку офшорного вітру. Тому під час експерименту вентилятори повинні бути точно керовані, щоб забезпечити відповідність швидкості та напрямку вітру реальним характеристикам офшорної вітрової ферми.

2.2 Експериментальні результати та аналіз

Після оптимізації тепловідведення офшорного вітрового турбінного блок-трансформатора, було зафіксовано ефективність тепловідведення різних частин контролера до та після оптимізації, як показано в таблиці 2.

2.3 Результати та обговорення

На основі експериментальних даних в таблиці 2, ефективність тепловідведення офшорного вітрового турбінного блок-трансформатора значно покращилася після оптимізації:

• Покращення ключових регіонів:

• Верхнє вентиляційне вікно: ефективність зросла з 772 Вт·°C⁻¹ до 1,498 Вт·°C⁻¹;

• Бічне вентиляційне вікно: ефективність покращилася з 735 Вт·°C⁻¹ до 1,346 Вт·°C⁻¹;

• Область входу кабелів: ефективність зросла з 892 Вт·°C⁻¹ до 1,683 Вт·°C⁻¹.
  Ці результати підтверджують ефективність системи примусового холодного повітря та оптимізованої конструкції входу/виходу.

• Максимальне покращення радіатора:
  Ефективність внутрішнього радіатора найбільше зросла — з 980 Вт·°C⁻¹ до 1,975 Вт·°C⁻¹ — що демонструє критичну роль оптимізованих параметрів ребер та конструкції контролера для підвищення теплових характеристик.

3. Висновки

Це дослідження проаналізувало вплив суворого середовища офшорної вітрової ферми на тепловідведення контролера. Засноване на принципах теплоперенесення, було запропоновано та експериментально підтверджено цілеспрямовану оптимізаційну схему. Оптимізований дизайн не лише підвищує ефективність тепловідведення та зменшує внутрішні температури, але й підвищує стійкість до корозії та продовжує термін служби. Ці заходи надають надійну технічну підтримку для сталого функціонування офшорних вітрових ферм.