封閉式海上型風力發電機組機艙環境系統及控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種封閉式海上型風力發電機組機艙環境系統及控制方法，整個機艙被機艙后部的隔艙分內外兩個艙體，除了熱交換器及貫穿隔艙連接熱交換器的管路之外其他的所有器件均密封于封閉式的內艙體中,艙內風路循環與水路循環通過艙內熱交換器耦合,通過艙外的熱交換器進行外循環，在兩個艙體分別形成水和風循環，能同時對機艙內部多個功耗部件進行冷卻，并通過對三通閥、加熱器及冷卻風扇的耦合控制實現對封閉式機艙內部空氣溫濕度精確調整，封閉式機艙內部濕度在正常的工作濕度范圍同時防止凝露發生；除艙尾外部熱交換器進出水管道外，整個艙內系統與外界大氣環境完全隔絕，保護艙內器件免受鹽霧環境腐蝕；以提升整套系統可靠性。
【專利說明】
封閉式海上型風力發電機組機艙環境系統及控制方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種環境調節技術，特別涉及一種封閉式海上型風力發電機組機艙環境系統及控制方法。
【背景技術】
[0002]隨著風力發電技術迅猛發展，陸上風資源開發日趨飽和，海上風資源具有巨大的開發前景，與陸上風電相比海上風電具有風資源穩定、不占地、并網條件好等優勢，同時由于海上風力發電機組一般矗立在偏遠的近海及深海區域，存在維護難、防腐要求高等難點。
[0003]風力發電機組的大型機械設備主要集成在機艙，在正常運行過程中機艙的機械傳動鏈及電氣傳動鏈均會產生大量的熱量，為保證機組安全穩定地運行需及時、高效地將這些熱量散發出并保證艙內環境溫度在正常工作溫度范圍，目前海上風電一般采用液冷方式。海上風電在其生命周期內要經受各種惡劣的工況，這就要求機組運行要具有極高的可靠性及穩定性，現在風力發電機組設備為了散熱，整體采用半封閉式，開通風口通風，但海上大氣環境中具有高濃度的鹽霧，鹽霧會隨著空氣進入機艙內部腐蝕艙內設備，對設備的使用壽命及機組的安全運行形成巨大威脅;同時在高鹽霧環境下電氣設備易發生金屬化學反應和凝露導致電氣設備故障或損壞，因此現在所用設備和控制元件都要有很高的防腐等級，導致產品的價格居高不下。
【發明內容】
[0004]本發明是針對在惡劣環境中使用的風力發電機組為保證穩定運行而付出很高的成本問題，提出了一種封閉式海上型風力發電機組機艙環境系統及控制方法，保證機組散熱效果的同時需充分考慮機組防腐及密封，創造一個溫濕度相對穩定和密閉的空間，減低風力發電機組機艙內部設備的要求。
[0005]本發明的技術方案為:一種封閉式海上型風力發電機組機艙環境系統，包括水冷循環栗站、艙內熱交換器、三通閥、熱交換器、管路和傳感器，整個機艙被機艙后部的隔艙分內外兩個艙體，除了熱交換器及貫穿隔艙連接熱交換器的管路之外其他的所有器件均密封于封閉式的內艙體中；冷卻液自栗站流出后分三路分別進入內艙體中的兩個水冷功耗部件和艙內熱交換器中進行冷熱交換，冷熱交換后的冷卻液匯流進入管路，再經過后三通閥進行控制分流，一路直接回栗站，形成水冷內循環，另一路通過管路到外艙體熱交換器進行冷熱交換后回到栗站，形成水冷外循環；內艙體的熱交換器懸掛安裝在機艙罩橫梁支架上，熱交換器位于水冷功耗部件上方，熱交換器上自帶的風扇，風扇出風方向為水冷功耗部件上方，水冷功耗器件自帶散熱器安裝在水冷功耗器件頂部，艙內調溫空氣經艙內風扇驅動通過艙內熱交換器流出，流經水冷功耗器件和水冷功耗器件上表面吹向機艙尾部，遇到機艙尾部的隔艙后折返經艙內下部空間流回機艙前部，最后由負壓吸回艙內熱交換器，形成艙內風循環風路;熱交換器位于外艙體與大氣聯通循環，形成外艙體風循環;艙內風路循環與水路循環通過艙內熱交換器耦合;傳感器包括溫度、濕度和壓力傳感器，作為控制三通閥、栗站、艙內熱交換器和熱交換器的檢測信號。
[0006]所述熱交換器位于外艙體下部，熱交換器底部自帶多組風扇，風扇運轉，帶動氣流通過外艙體機艙尾部的百葉窗及機艙尾部底板上的格柵與大氣聯通循環，形成艙外風循環。
[0007]所述熱交換器位于外艙體上部，由自然風形成一次自然風冷。
[0008]所述栗站包括并聯的兩個主循環栗、過濾器、泄壓閥、膨脹罐和加熱器，兩個主循環栗，給整個系統提供循環動力，兩個主循環栗采用雙栗冗余配置，互為備份，主循環栗入口管路上連接膨脹罐，對整個系統進行壓力補償或緩沖;主循環栗出口管路串接過濾器過濾冷卻液中雜質;過濾器后的管路上連接有泄壓閥，對系統起壓力保護作用，栗站入水管道還連接有加熱器。
[0009]所述水冷循環栗站進、出口各配置一個壓力傳感器P，測量水冷栗進、出口壓力;配置6個溫度傳感器，2個位于栗站進出口，測量水冷循環栗進出口溫度，3個位于水冷功耗部件和艙內熱交換器的出水管路上，測量出口水溫，I個安裝于兩個功耗部及艙內熱交換器出水匯合的管路上，測量三路混合后的水溫，位于內艙體尾部上方配置一個溫度傳感器和一個濕度傳感器，分別測量封閉式機艙內部空氣溫濕度。
[0010]所述封閉式海上型風力發電機組機艙環境系統的控制方法，包括水冷循環控制和風冷循環控制，
水冷循環控制包括:
1)水冷循環栗站出口溫度傳感器測得栗出口溫度低于低溫設定值時，開啟加熱器使得系統供水溫度達到正常工作溫度范圍，同時三通閥運動至全關狀態，系統進行水冷內循環，將系統散熱能力降至最低；
2)水冷循環栗出口溫度傳感器測得栗出口溫度高于高溫設定值時，三通閥運動至全開狀態，系統進行水冷外循環，將系統散熱能力升至最大，此時加熱器處于關閉狀態；
3)由于風力發電機組功率隨外界風速變化而變化，而水冷功耗部件發熱量時刻變化，根據兩個水冷功耗器件的出口處溫度傳感器，及兩個功耗部及艙內熱交換器出水匯合的管路上溫度傳感器的檢測，控制三通閥的開度，調節艙內溫度。
[0011]風冷循環控制包括:
a)當封閉式機艙內空氣溫度高于高溫設定值時，控制風扇開啟，封閉式機艙內部空氣熱量經過風循環通過艙內熱交換器進入水循環；
b)當封閉式機艙內空氣溫度低于低溫設定值時，系統控制風扇開啟，同時開啟水冷循環加熱器，并將三通閥調至全關狀態，封閉式機艙內空氣通過艙內熱交換器外循環從水循環散熱，以保證封閉式機艙內溫度在正常溫度范圍內；
c)當封閉式機艙內空氣相對濕度高于設定時，系統通過降低三通閥開度或開啟加熱器提升循環水溫，并開啟風扇，通過艙內熱交換器對封閉式機艙內空氣進行加熱，以降低封閉式機艙內空氣的相對濕度，降低凝露風險。
[0012]當熱交換器底部自帶多組風扇時，與艙體外形成強對流換熱，風扇的啟停個數根據兩個水冷功耗器件的出口處溫度傳感器，及兩個功耗部及艙內熱交換器出水匯合的管路上溫度傳感器的檢測水溫控制。
[0013]本發明的有益效果在于:本發明封閉式海上型風力發電機組機艙環境系統及控制方法，能同時對機艙內部多個功耗部件進行冷卻，并通過系統中艙內風冷換熱器對封閉式機艙內部空氣進行冷卻；系統通過對三通閥、加熱器及冷卻風扇的耦合控制實現對封閉式機艙內部空氣溫濕度精確調整，封閉式機艙內部濕度在正常的工作濕度范圍同時防止凝露發生;除艙尾外部熱交換器進出水管道外，整個艙內系統與外界大氣環境完全隔絕，保護艙內器件免受鹽霧環境腐蝕;水冷系統的中主栗及艙尾外部熱交換器均采用冗余設計，以提升整套系統可靠性。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明封閉式海上型風力發電機組機艙環境系統工作原理圖；
圖2為本發明封閉式海上型風力發電機組機艙環境系統布局圖；
圖3為本發明封閉式海上型風力發電機組機艙環境系統另一實施例布局圖；
圖4為本發明封閉式海上型風力發電機組機艙環境系統機艙內部循環風路示意圖。
【具體實施方式】
[0015]—種封閉式海上型風力發電機組機艙環境系統主要由一套水冷循環及一套封閉式機艙內部風冷循環組成，水冷循環與風冷循環之間進行集成耦合，對整個封閉機艙內部熱環境進行調節。
[0016]如圖1所示為系統工作原理圖，系統給兩個功耗器件1、2提供密閉溫度穩定的工作環境，兩個功耗器件1、2分別為發電機和齒輪箱，系統包括主循環栗7、8，過濾器9，泄壓閥25，艙內熱交換器5，加熱器26，三通閥27，熱交換器3，膨脹罐24、管路和傳感器，其中泄壓閥25、過濾器9、并聯的兩主循環栗7、8和膨脹罐24集成于水冷循環栗站之內，熱交換器3位于艙尾外部，艙外熱交換器3通過貫穿艙內外的管路17、28與艙內相連，其余元件全部安裝于全密封的機艙內部。兩并聯主循環栗7、8為水冷栗，給整個系統提供循環動力，栗在整個水冷系統中非常關鍵，因此為防止運行過程中栗失效，設計上采用雙栗冗余配置，互為備份，其中一個栗失效后，另一個栗立即切入，雙栗正常時每隔一定時間切換一次，以保證兩個栗壽命基本一致;主循環栗入口管路上連接膨脹罐24，對整個系統進行壓力補償或緩沖;主循環栗出口管路串接過濾器9過濾冷卻液中雜質;過濾器9后管路上連接有泄壓閥25，對系統起壓力保護作用，當系統壓力超過設定值時，泄壓閥25開啟，對系統進行排液，釋放系統壓力，栗站入水管道還連接有加熱器26 ο冷卻液自栗站流出后分為三路，一路通過管道19進入水冷功耗部件I進行熱交換后自管路20流出，一路通過管路22進入水冷功耗部件2進行熱交換后自管路21流出，另一路通過管路31進入艙內熱交換器5進行熱交換后自管路32流出；管路20、21、32中冷卻液匯流后進入管路29，管路29流出后通過三通閥27分為兩路管路30、28，三通閥27處于全開狀態下，管路28與管路29通過三通閥相通，管路30與管路29連接切斷，冷卻液通過管路28流入艙尾外部熱交換器3，在艙尾熱交換器3進行熱交換后經管路17流出匯入管路30，流回栗站，形成外循環;三通閥27處于全關狀態時，管路30與與管路29通過三通閥連通，管路28與管路29連接切斷，冷卻液直接通過三通閥27流入管路30，最后流回栗站，形成內循環。艙尾外部熱交換器3，管路28、17稱為外旁路，外旁路將系統熱量帶出封閉式機艙，通過艙尾外部熱交換器3將熱量傳遞到大氣環境中；外旁路冷卻液流量通過三通閥27調節實現，三通閥全開，冷卻液全部流入外旁路，此時系統散熱能力最強，三通閥全關，流入外旁路冷卻液流量為O，系統散熱能力最弱，水冷功耗部件1、2和艙內熱交換器5的出水管路20、21、32上都有溫度傳感器，管路29上也有測溫度傳感器，在栗站中進水和出水處均有溫度和壓力傳感器。
[0017]如圖2所示系統布局圖，整個機艙被機艙后部的隔艙12分內外兩個艙體，熱交換器3位于外艙體下部，熱交換器3底部帶多組風扇4，風扇4運轉，帶動氣流通過外艙體機艙尾部的百葉窗11及機艙尾部底板上的格柵14與大氣聯通循環，形成艙尾外部環境，內艙體形成封閉式的艙內環境。除了熱交換器3及貫穿隔艙連接熱交換器3的管路17、28之外其他的所有器件均密封于封閉式的內艙體中。水冷功耗部件1、2體積較大且是封閉式機艙中主要的發熱部件，水冷功耗部件2、1前后擱置，艙內熱交換器5懸掛安裝在機艙罩13橫梁支架，艙內熱交換器5位于水冷功耗部件2上方，艙內熱交換器5上有風扇6，風扇6出風方向為水冷功耗部件I上方，水冷功耗器件2自帶散熱器10安裝在水冷功耗器件2頂部，水冷液經栗站流出后分別進入水冷功耗部件1、2及艙內熱交換器5進行熱交換，然后分別由管路20、21、32流出并匯流于管路29，管路29直接與三通閥連接，系統根據管路29安裝的溫度傳感器測試回水溫度進行判斷和控制三通閥的開度，綜合調節經管路28流經艙尾外部熱交換器3的冷卻液流量，從而實現對系統散熱能力的調節。封閉式機艙內風路循環與水路循環通過艙內熱交換器5進行耦合，艙內調溫空氣經艙內風扇6驅動通過艙內熱交換器5流出，流經水冷功耗器件2和水冷功耗器件I上表面吹向機艙尾部，遇到機艙尾部的隔艙12時艙內空氣流動方向發生改變，艙內空氣折返經艙內下部空間流回機艙前部，最后由負壓吸回艙內熱交換器5，形成完整的循環風路。整個機艙系統通過機艙罩13、機艙底板16、隔艙12與機艙銜接處密封罩15完全密封于封閉式環境中，防止外部高濕度、強腐蝕空氣進入機艙;系統熱量通過管路17、28傳遞至外旁路散入外界大氣中。
[0018]如圖3系統另一實施例布局圖，將省掉熱交換器3自帶的風扇4，熱交換器3位于外艙體上部，依靠自然風冷進行散熱，形成艙外風循環。
[0019]如圖4所示系統機艙內部循環風路示意圖，封閉式機艙內部調溫空氣經風扇6驅動，由艙內熱交換器5中流出，流經水冷功耗器件2和水冷功耗器件I上表面吹向機艙尾部，遇到機艙尾部的隔艙時艙內空氣流動方向發生改變，艙內空氣折返經艙內下部空間流回機艙前部，最后由負壓吸回艙內熱交換器5，形成完整的循環風路，艙內熱交換器5中的冷卻液與艙尾外部熱交換器3進行冷熱交換，艙內風路循環與水路循環通過艙內熱交換器5耦合。艙外熱交換器3與大氣接觸，采用多風扇智能調節水溫的設計，保證系統穩定，與艙內隔離，并且置于艙尾，維修更換方便。
[0020]如圖1所示，水冷循環栗站進、出口各配置一個壓力傳感器P，測量水冷栗進、出口壓力;配置6個溫度傳感器，2個位于栗站進、出口，測量水冷循環栗進、出口溫度，3個位于管路20、21、32上，分別測量功耗部1、2及艙內熱交換器5的出口水溫，一個安裝于管路29上，測量管路20、21、32混合后的水溫。如圖2所示，風冷循環配置一個溫度傳感器和一個濕度傳感器，位于內艙體尾部上方，分別測量封閉式機艙內部空氣溫濕度。
[0021]水冷循環控制主要包括以下內容:I)水冷循環栗出口溫度傳感器測得栗出口溫度低于低溫設定值時，開啟加熱器26使得系統供水溫度達到正常工作溫度范圍，同時三通閥27運動至全關狀態，系統進行艙內循環，將系統散熱能力降至最低;2)水冷循環栗出口溫度傳感器測得栗出口溫度高于高溫設定值時，三通閥運動至全開狀態，將系統散熱能力升至最大，此時加熱器處于關閉狀態;3)由于風力發電機組功率隨外界風速變化而變化，而水冷功耗部件1、2發熱量又由機組功率決定，所以水冷功耗部件1、2的發熱量時刻變化，為保證水冷系統冷卻液溫度維持在合理范圍內，根據兩個水冷功耗器件1、2的出口處溫度傳感器，及兩個水冷功耗器件1、2和艙內熱交換器5冷卻液輸出匯合后管路29上溫度傳感器的檢測，系統根據發熱量的變化控制三通閥27的開度，實現對系統散熱能力地調節;4)熱交換器3底部自帶多組風扇4，與艙體外形成強對流換熱，風扇的啟停個數由管路29上溫度傳感器所測水溫決定。
[0022]風冷循環控制主要包括以下內容:I)當封閉式機艙內空氣溫度高于高溫設定值時，系統控制風扇6開啟，封閉式機艙內部空氣熱量經過風循環通過艙內熱交換器5進入水循環;2)當封閉式機艙內空氣溫度低于低溫設定值時，系統控制風扇6開啟，同時開啟水冷循環加熱器26，并將三通閥調至全關狀態，封閉式機艙內空氣通過艙內熱交換器5外循環從水循環散熱，以保證封閉式機艙內溫度在正常溫度范圍內；3)另外，當封閉式機艙內空氣相對濕度高于設定時，系統通過降低三通閥27開度或開啟加熱器26提升循環水溫，并開啟風扇6，通過艙內熱交換器5對封閉式機艙內空氣進行加熱，以降低封閉式機艙內空氣的相對濕度，降低凝露風險。
【主權項】
1.一種封閉式海上型風力發電機組機艙環境系統，其特征在于，包括水冷循環栗站、艙內熱交換器(5)、三通閥(27)、熱交換器(3)、管路和傳感器，整個機艙被機艙后部的隔艙(12)分內外兩個艙體，除了熱交換器(3)及貫穿隔艙連接熱交換器(3)的管路之外其他的所有器件均密封于封閉式的內艙體中；冷卻液自栗站流出后分三路分別進入內艙體中的兩個水冷功耗部件(1、2)和艙內熱交換器(5 )中進行冷熱交換，冷熱交換后的冷卻液匯流進入管路，再經過后三通閥(27)進行控制分流，一路直接回栗站，形成水冷內循環，另一路通過管路到外艙體的熱交換器(3)進行冷熱交換后回到栗站，形成水冷外循環；內艙體的熱交換器(5)懸掛安裝在機艙罩(13)橫梁支架上，熱交換器(5)位于水冷功耗部件(2)上方，熱交換器(5)上自帶的風扇(6)，風扇(6)出風方向為水冷功耗部件(I)上方，水冷功耗器件(2)自帶散熱器(10)安裝在水冷功耗器件(2)頂部，艙內調溫空氣經艙內風扇(6)驅動通過艙內熱交換器(5)流出，流經水冷功耗器件(2)和水冷功耗器件(I)上表面吹向機艙尾部，遇到機艙尾部的隔艙(12)后折返經艙內下部空間流回機艙前部，最后由負壓吸回艙內熱交換器(5)，形成艙內風循環風路;熱交換器(3)位于外艙體與大氣聯通循環，形成外艙體風循環;艙內風路循環與水路循環通過艙內熱交換器(5)耦合;傳感器包括溫度、濕度和壓力傳感器，作為控制三通閥(27)、栗站、艙內熱交換器(5)和熱交換器(3)的檢測信號。2.根據權利要求1所述封閉式海上型風力發電機組機艙環境系統，其特征在于，所述熱交換器(3)位于外艙體下部，熱交換器(3)底部自帶多組風扇(4)，風扇(4)運轉，帶動氣流通過外艙體機艙尾部的百葉窗(11)及機艙尾部底板上的格柵(14)與大氣聯通循環，形成艙外風循環。3.根據權利要求1所述封閉式海上型風力發電機組機艙環境系統，其特征在于，所述熱交換器(3)位于外艙體上部，由自然風形成一次自然風冷。4.根據權利要求1至3任意一項所述封閉式海上型風力發電機組機艙環境系統，其特征在于，所述栗站包括并聯的兩個主循環栗(7、8)、過濾器(9)、泄壓閥(25)、膨脹罐(24)和加熱器(26)，兩個主循環栗(7、8)，給整個系統提供循環動力，兩個主循環栗采用雙栗冗余配置，互為備份，主循環栗入口管路上連接膨脹罐(24)，對整個系統進行壓力補償或緩沖；主循環栗出口管路串接過濾器(9)過濾冷卻液中雜質；過濾器(9)后的管路上連接有泄壓閥(25),對系統起壓力保護作用，栗站入水管道還連接有加熱器(26)。5.根據權利要求4所述封閉式海上型風力發電機組機艙環境系統，其特征在于，所述水冷循環栗站進、出口各配置一個壓力傳感器P，測量水冷栗進、出口壓力；配置6個溫度傳感器，2個位于栗站進出口，測量水冷循環栗進出口溫度，3個位于水冷功耗部件(1、2)和艙內熱交換器(5)的出水管路上，測量出口水溫，I個安裝于兩個功耗部及艙內熱交換器(5)出水匯合的管路上，測量三路混合后的水溫，位于內艙體尾部上方配置一個溫度傳感器和一個濕度傳感器，分別測量封閉式機艙內部空氣溫濕度。6.根據權利要求5所述封閉式海上型風力發電機組機艙環境系統的控制方法，其特征在于，包括水冷循環控制和風冷循環控制， 水冷循環控制包括: I)水冷循環栗站出口溫度傳感器測得栗出口溫度低于低溫設定值時，開啟加熱器(26)使得系統供水溫度達到正常工作溫度范圍，同時三通閥(27)運動至全關狀態，系統進行水冷內循環，將系統散熱能力降至最低； 2)水冷循環栗出口溫度傳感器測得栗出口溫度高于高溫設定值時，三通閥(27)運動至全開狀態，系統進行水冷外循環，將系統散熱能力升至最大，此時加熱器(26)處于關閉狀態； 3)由于風力發電機組功率隨外界風速變化而變化，而水冷功耗部件(1、2)發熱量時刻變化，根據兩個水冷功耗器件(1、2)的出口處溫度傳感器，及兩個功耗部及艙內熱交換器(5)出水匯合的管路上溫度傳感器的檢測，控制三通閥(27)的開度，調節艙內溫度； 風冷循環控制包括: a)當封閉式機艙內空氣溫度高于高溫設定值時，控制風扇(6)開啟，封閉式機艙內部空氣熱量經過風循環通過艙內熱交換器(5)進入水循環； b)當封閉式機艙內空氣溫度低于低溫設定值時，系統控制風扇(6)開啟，同時開啟水冷循環加熱器(26)，并將三通閥(27)調至全關狀態，封閉式機艙內空氣通過艙內熱交換器(5)外循環從水循環散熱，以保證封閉式機艙內溫度在正常溫度范圍內； c)當封閉式機艙內空氣相對濕度高于設定時，系統通過降低三通閥(27)開度或開啟加熱器(26)提升循環水溫，并開啟風扇(6)，通過艙內熱交換器(5)對封閉式機艙內空氣進行加熱，以降低封閉式機艙內空氣的相對濕度，降低凝露風險。7.根據權利要求6所述封閉式海上型風力發電機組機艙環境系統的控制方法，其特征在于，當熱交換器(3)底部自帶多組風扇(4)時，與艙體外形成強對流換熱，風扇的啟停個數根據兩個水冷功耗器件(1、2)的出口處溫度傳感器，及兩個功耗部及艙內熱交換器(5)出水匯合的管路上溫度傳感器的檢測水溫控制。
【文檔編號】F03D9/30GK105927484SQ201610531489
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年7月7日
【發明人】吳努斌, 謝德奎, 陸斌, 戴欣怡, 葉勝林
【申請人】遠景能源（江蘇）有限公司