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摘 要：散热布置是风电机组中的重要组成部分，散热布置的效果直接关系到风电机组运行的稳定和安全。海上风电机组运行温度过高是一个十分突出的问题，提高海上风电机组的散热效率是当前研究的重要内容。本文就以某MW级海上风电机组为例，对其散热布置进行了详细研究，以为海上风电机组散热水平的提升提供借鉴。
关键词：海上风电机组；散热布置；改进措施
近些年来，随着风电技术的不断进步，海上风电机组的容量不断增大，风电机组发电机等关键部分的发热也日益增加，如此以来，就要求风电机组的散热布置必须拥有更好的散热效果，才能充分保证风电机组运行的效率。海上风电机组的散热布置效果需要从散热通道、系统阻力两个方面进行分析，本文就以某MW级海上风电机组散热布置为研究对象，展开相应分析。
一、某MW级海上风电机组散热布置概述
海上风电机组的冷却系统沿用的是陆上风电机组的设计方式，即强制风冷和液冷两种方式，但是，由于海上空气中的盐含量相对较高，具有较强的腐蚀性，会给裸露的发电机或齿轮箱等造成腐蚀，因此，需要将这些发热部件密封起来，直接的强制风冷方式已不再适用，而循环液冷是一种可行的散热布置方式。
相比较而言，液冷方式的效率是低于强制风冷的，随着海上风电机组容量的增大，其发热量也随之增高，仅依靠循环液冷是无法满足需求的，故而，强制风冷方式也是必不可少的。
在强制风冷散热布置中，为了避免外部空气携带的盐雾等腐蚀物质进入到风电机组中造成零部件侵蚀，需要将强制风冷散热器设计在机舱当中，并将散热通道进行密封设计，同时，散热通道设计还要根据风电机组自动偏航对风的特点，保证主风向的气流能够顺利进入其中，经散热器和冷却液进行热交换，然后排出到机舱之外。因此，在强制风冷散热布置中，要同时兼顾机舱空间中散热器的布置与散热通道的结构设计。
以某MW级海上风电机组的散热布置为例，其冷却系统使用的冷却介质时水-乙二醇溶液，在发电机、变频器和齿轮箱等发热部件上，均设置单独的冷却系统，所有的强制风冷散热器在结构形式上是相同的。
在具体布置上，发电机、变频器和齿轮箱的冷却系统均是将散热器并联的方式，散热器的数量分别为4台、2台和3台；同时，由于机舱内采取的是传动链布局方式，机舱中部空间较小，所有的散热器都被布置在机舱尾部中，9台散热器以前4后5布置，前面4台均倾斜45°，后边5台保持水平并排，散热通道设计在机舱中前端，以确保散热通道通风正常，且具有足够的防腐蚀能力；散热器与所配风扇是处于散热通道内部的，散热通道的入口、出口都是直接与机舱罩密封连接的，其中，入口置于机舱罩底部，是外部空气进入的部位；出口位于机舱罩后部，是内部热空气排出的部位，具体布置图见图1[1]。
二、散热通道CFD
（一）构建散热通道的模型
散热通道模型是对散热通道性能分析的基础，在本研究中，模型假设条件为：散热通道内的空气是不可以压缩的一种流体，然后选用标准k-ε方程作为湍流模型，非耦合求解器作为计算方式，最后以Fluent来分析散热通道内的流场。
由于散熱通道的实际情况存在较大差异，为使模型建立更加简便，需要采取一定的简化措施，具体包括：（1）根据散热布置的对成性特点，以机舱中心面为对称面，来将散热布置分割呈两部分，取其中一部分进行研究，以降低研究工作量和难度；（2）假设在各个散热通道入口上，外部风进入的风速是相同的；（3）对散热通道入口风量值进行设置，以满足散热所需风量为标准。
（二）对散热通道进行网格划分
按照该MW级海上风电机组的机舱结构的特征，此风电机组散热通道应设置为异形结构，故而在对本散热通道模型进行网格划分时，可采取Gambit混合网格工具，在局部网格上需要适当加密，最终划分得到的网格数量有1742610个。
（三）散热通道边界条件的选择
在边界条件上，主要包括入口、出口、中心面和其它壁面四个方面，其具体的边界条件分别为：
首先，入口的边界条件。根据散热通道空气是不可压缩流体的假设和已知的散热器需要的风量大小，可确定入口边界条件为Velocity-inlet。其中，散热通道入口直径为1.2m，所需的总风量为261000m3/h，根据计算可知，每个通道入口风速平均值为8.013m/s。
其次，出口的边界条件。出口的压力条件为Pressure，环境条件压力和流动入口的静压均为0Pa。
第三，中心面边界条件。散热器、散热通道、风扇等构件共同组成的散热系统围绕机舱中心面，呈现出较高的对称性，因此，中心面应选择Symmerty。
第四，其他避免边界条件为Wall[2]。
三、系统阻力分析
取散热通道的某段入口中心界面为研究对象，其对应的压力分布和速度分布云图分别如图2和图3所示。
结合图2和图3的相应数据和散热通道模型计算可得，散热通道入风口和出风口的压力差是69.95Pa，也就是说，在满足散热通道基本的风量需求时，异性通道本身的系统阻力为69.95Pa，散热器在空气侧的压降为230Pa，也就是说散热器造成的系统阻力为230Pa，因此，本散热系统的总系统阻力总值为299.95Pa，即风扇需要克服的系统阻力。
在选用与散热器相配套的风扇时，要根据系统阻力，也就是散热通道阻力和散热器空气侧压降之和来确定，保证风扇的性能曲线值与所需风量值相符。
在本MW级海上风电机组的散热系统中，使用的散热器风扇实际性能曲线情况见图4，在图中，系统阻力曲线和风扇性能曲线的焦点就是工作点，此时，风扇静压为275Pa，风流量为500m3/min，效率为65%。
从上述可知，理论上风扇静压275Pa是低于实际值299.95Pa（见图5），因此，风扇实际运行的工作点为图5中A所述，处于理论运行工作点B的左侧，此点的效率为62%、风量为474m3/min，并向风扇非稳定工作区移动。同时，风扇风量的减小会影响到散热器的冷却功能，风扇效率的降低也会使整个散热系统的冷却效率出现下降。故而，本MW级海上风电机组散热器所配的风扇性能是不满足实际需求的[3]。
四、海上风电机组散热布置的优化
以MW级海上风电机组散热分布情况为例，通过以上分析可知以下结论：（1）散热通道入风口的结构设计会影响到风量供应效率，进而干扰散热效率；（2）机舱中散热器的位置、散热通道的结构决定着散热系统的阻力大小，也是影响散热效率的重要因素；（3）散热器空气侧压降、散热通道系统阻力之和即散热器所配风扇需要克服的阻力，决定着风扇应有的特性。
因此，在对海上风电机组散热布置进行优化时，需要从散热通道结构、散热器布置形式以及风扇特性匹配情况三个角度来综合分析，提高整个散热系统的散热效率。
结语：
随着风力发电不断发展，海上发电机组规模会持续增加，散热布置作为影响海上发电机组运行效率和安全的重要因素，加强对散热布置的研究，采取合适的散热布置方式，提高发电机组的散热效率，有着十分重要的现实意义。
参考文献
[1]刘海涛，王丁会，刘广林.浅析海上风电机组的散热布置[J].可再生能源，2013，04：71-73.
[2]章双全，王海龙.海上双馈机组的散热布置优化研究[J].机电工程，2014，05：634-638.
[3]陈效国，刘衍选，蔡晓峰.关于风电机组塔底部分散热方案的探讨[J].风能，2014，08：100-103.
关键词：海上风电机组；散热布置；改进措施
近些年来，随着风电技术的不断进步，海上风电机组的容量不断增大，风电机组发电机等关键部分的发热也日益增加，如此以来，就要求风电机组的散热布置必须拥有更好的散热效果，才能充分保证风电机组运行的效率。海上风电机组的散热布置效果需要从散热通道、系统阻力两个方面进行分析，本文就以某MW级海上风电机组散热布置为研究对象，展开相应分析。
一、某MW级海上风电机组散热布置概述
海上风电机组的冷却系统沿用的是陆上风电机组的设计方式，即强制风冷和液冷两种方式，但是，由于海上空气中的盐含量相对较高，具有较强的腐蚀性，会给裸露的发电机或齿轮箱等造成腐蚀，因此，需要将这些发热部件密封起来，直接的强制风冷方式已不再适用，而循环液冷是一种可行的散热布置方式。
相比较而言，液冷方式的效率是低于强制风冷的，随着海上风电机组容量的增大，其发热量也随之增高，仅依靠循环液冷是无法满足需求的，故而，强制风冷方式也是必不可少的。
在强制风冷散热布置中，为了避免外部空气携带的盐雾等腐蚀物质进入到风电机组中造成零部件侵蚀，需要将强制风冷散热器设计在机舱当中，并将散热通道进行密封设计，同时，散热通道设计还要根据风电机组自动偏航对风的特点，保证主风向的气流能够顺利进入其中，经散热器和冷却液进行热交换，然后排出到机舱之外。因此，在强制风冷散热布置中，要同时兼顾机舱空间中散热器的布置与散热通道的结构设计。
以某MW级海上风电机组的散热布置为例，其冷却系统使用的冷却介质时水-乙二醇溶液，在发电机、变频器和齿轮箱等发热部件上，均设置单独的冷却系统，所有的强制风冷散热器在结构形式上是相同的。
在具体布置上，发电机、变频器和齿轮箱的冷却系统均是将散热器并联的方式，散热器的数量分别为4台、2台和3台；同时，由于机舱内采取的是传动链布局方式，机舱中部空间较小，所有的散热器都被布置在机舱尾部中，9台散热器以前4后5布置，前面4台均倾斜45°，后边5台保持水平并排，散热通道设计在机舱中前端，以确保散热通道通风正常，且具有足够的防腐蚀能力；散热器与所配风扇是处于散热通道内部的，散热通道的入口、出口都是直接与机舱罩密封连接的，其中，入口置于机舱罩底部，是外部空气进入的部位；出口位于机舱罩后部，是内部热空气排出的部位，具体布置图见图1[1]。
二、散热通道CFD
（一）构建散热通道的模型
散热通道模型是对散热通道性能分析的基础，在本研究中，模型假设条件为：散热通道内的空气是不可以压缩的一种流体，然后选用标准k-ε方程作为湍流模型，非耦合求解器作为计算方式，最后以Fluent来分析散热通道内的流场。
由于散熱通道的实际情况存在较大差异，为使模型建立更加简便，需要采取一定的简化措施，具体包括：（1）根据散热布置的对成性特点，以机舱中心面为对称面，来将散热布置分割呈两部分，取其中一部分进行研究，以降低研究工作量和难度；（2）假设在各个散热通道入口上，外部风进入的风速是相同的；（3）对散热通道入口风量值进行设置，以满足散热所需风量为标准。
（二）对散热通道进行网格划分
按照该MW级海上风电机组的机舱结构的特征，此风电机组散热通道应设置为异形结构，故而在对本散热通道模型进行网格划分时，可采取Gambit混合网格工具，在局部网格上需要适当加密，最终划分得到的网格数量有1742610个。
（三）散热通道边界条件的选择
在边界条件上，主要包括入口、出口、中心面和其它壁面四个方面，其具体的边界条件分别为：
首先，入口的边界条件。根据散热通道空气是不可压缩流体的假设和已知的散热器需要的风量大小，可确定入口边界条件为Velocity-inlet。其中，散热通道入口直径为1.2m，所需的总风量为261000m3/h，根据计算可知，每个通道入口风速平均值为8.013m/s。
其次，出口的边界条件。出口的压力条件为Pressure，环境条件压力和流动入口的静压均为0Pa。
第三，中心面边界条件。散热器、散热通道、风扇等构件共同组成的散热系统围绕机舱中心面，呈现出较高的对称性，因此，中心面应选择Symmerty。
第四，其他避免边界条件为Wall[2]。
三、系统阻力分析
取散热通道的某段入口中心界面为研究对象，其对应的压力分布和速度分布云图分别如图2和图3所示。
结合图2和图3的相应数据和散热通道模型计算可得，散热通道入风口和出风口的压力差是69.95Pa，也就是说，在满足散热通道基本的风量需求时，异性通道本身的系统阻力为69.95Pa，散热器在空气侧的压降为230Pa，也就是说散热器造成的系统阻力为230Pa，因此，本散热系统的总系统阻力总值为299.95Pa，即风扇需要克服的系统阻力。
在选用与散热器相配套的风扇时，要根据系统阻力，也就是散热通道阻力和散热器空气侧压降之和来确定，保证风扇的性能曲线值与所需风量值相符。
在本MW级海上风电机组的散热系统中，使用的散热器风扇实际性能曲线情况见图4，在图中，系统阻力曲线和风扇性能曲线的焦点就是工作点，此时，风扇静压为275Pa，风流量为500m3/min，效率为65%。
从上述可知，理论上风扇静压275Pa是低于实际值299.95Pa（见图5），因此，风扇实际运行的工作点为图5中A所述，处于理论运行工作点B的左侧，此点的效率为62%、风量为474m3/min，并向风扇非稳定工作区移动。同时，风扇风量的减小会影响到散热器的冷却功能，风扇效率的降低也会使整个散热系统的冷却效率出现下降。故而，本MW级海上风电机组散热器所配的风扇性能是不满足实际需求的[3]。
四、海上风电机组散热布置的优化
以MW级海上风电机组散热分布情况为例，通过以上分析可知以下结论：（1）散热通道入风口的结构设计会影响到风量供应效率，进而干扰散热效率；（2）机舱中散热器的位置、散热通道的结构决定着散热系统的阻力大小，也是影响散热效率的重要因素；（3）散热器空气侧压降、散热通道系统阻力之和即散热器所配风扇需要克服的阻力，决定着风扇应有的特性。
因此，在对海上风电机组散热布置进行优化时，需要从散热通道结构、散热器布置形式以及风扇特性匹配情况三个角度来综合分析，提高整个散热系统的散热效率。
结语：
随着风力发电不断发展，海上发电机组规模会持续增加，散热布置作为影响海上发电机组运行效率和安全的重要因素，加强对散热布置的研究，采取合适的散热布置方式，提高发电机组的散热效率，有着十分重要的现实意义。
参考文献
[1]刘海涛，王丁会，刘广林.浅析海上风电机组的散热布置[J].可再生能源，2013，04：71-73.
[2]章双全，王海龙.海上双馈机组的散热布置优化研究[J].机电工程，2014，05：634-638.
[3]陈效国，刘衍选，蔡晓峰.关于风电机组塔底部分散热方案的探讨[J].风能，2014，08：100-103.