风力发电机组塔底冷却装置及控制方法与流程

本发明涉及风电技术领域，特别涉及风力发电机组塔架底部的冷却装置及控制方法。

背景技术：

随着陆上风资源开发日趋饱和，风电开发逐渐转到海上。但是海上风电面临成本高、维护难、环境恶劣等挑战。

为降低海上风电单位千瓦投资成本，机组逐渐趋于大型化，而提升单机功率，会使各个子部件发热量增大，需要主动散热的部件增多。

目前，大功率风电机组内各个发热部件往往单独设置散热系统。这种分散式冷却方式不仅成本高，而且故障点也较多，海上的高湿环境还容易造成凝露，导致电子元件短路。另外，海上风机维护难度大，出海维护频次不宜过高，因此要求系统具备较高的可靠性。

针对这一问题，申请公布号为CN105179180A的发明专利申请公开了“一种大功率海上风力发电机组塔底冷却系统”，其将变流散热器和箱变散热器进行集成设计共用一套散热器系统并放置于塔架外部，另外在塔架放置电控柜体的三层内设置密闭循环风路系统，来控制塔架下部三层空间内的温湿度。

但是，这种技术方案将散热器外置，在吊装时需要花费更多时间，并需要占用较多空间，尤其对于海上机组而言，会占用基础外平台较多空间，增大基础外平台建造成本；而且，散热器外置，还需要在塔架上开较多的孔洞用于布设水冷散热器的进出水管以及给水冷风扇提供电源的电缆。另外，此技术方案仅能控制塔架下面三层密闭空间中的温湿度，无法调节塔架内其它空间的温湿度。

此外，其虽然提出在塔架底部三层内实行密闭风循环环路，但实际上，运维人员是需要进入这一层空间内进行作业的，在人员进出时，必然带来外界气体(盐雾，高湿)进入，另外为维持人员在其中作业时的生存需要，在人员作业时，也无法做到完全密封(由于人员呼吸需要氧气)，所以难以控制这三层密封循环风路系统中的空气洁净度。

因此，如何克服风力发电机组塔底冷却装置存在的上述不足，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供风力发电机组塔底冷却装置。该塔底冷却装置将散热器内置于塔架内，可以提高散热系统集成度，对于海上机组，可降低基础外平台建造成本及海上吊装所需时间，同时减少塔架上用于进出水管及电缆的穿出而所需的开孔数量以及随之而来的密封问题。

本发明的另一目的是提供用于上述风力发电机组塔底冷却装置的控制方法。

为实现上述目的，本发明提供风力发电机组塔底冷却装置，包括塔架和散热器，所述散热器用于对设于所述塔架底部的发热部件进行冷却；所述塔架内部设有主风道，所述散热器内置于所述主风道中；所述主风道中设有第一风机，并通过所述第一风机驱动所述主风道中的空气流动冷却所述散热器；所述主风道与所述塔架外环境组成开式循环。

优选地，所述塔架设有进风口和出风口，以所述散热器为界，所述进风口至所述散热器的通路形成进风段，所述散热器至所述出风口的通路形成出风段，所述进风段、散热器和出风段组成所述主风道。

优选地，所述塔架设有塔架门以及对应于所述塔架门的分层平台；所述进风口设于所述分层平台下层空间的侧壁上。

优选地，所述散热器与所述第一风机之间设有第一通风管，所述第一风机与所述出风口之间设有第二通风管。

优选地，所述塔架门为双层门，其第一道门为全开门，第二道门为气密门；所述全开门形成所述出风口，所述全开门与所述气密门的侧壁面和顶部之间形成连通所述出风口的通路。

优选地，所述散热器和所述第一风机设于所述分层平台的下层空间。

优选地，所述第一风机为并列的双路风机或多路风机，各所述第一风机的出风口分别通过相对应的所述第二通风管与所述双层门的下底面连接形成通路。

优选地，所述散热器和所述第一风机设于所述分层平台的上层空间，所述进风口与所述散热器之间设有第三通风管路。

优选地，所述第一风机的所述出风口与所述双层门的顶部连接形成通路。

优选地，所述主风道上设置有旁通风道；所述旁通风道设有第二风机，所述旁通风道的进风口设有风道切换装置，所述旁通风道的出风口通往所述分层平台的上层空间。

优选地，所述风道切换装置具有三种工作状态：

在第一工作状态，所述旁通风道与所述主风道的进风段连通，并与所述主风道的出风段关闭；

在第二工作状态，所述旁通风道与所述主风道的出风段连通，并与所述主风道的进风段关闭；

在第三工作状态，所述旁通风道与所述主风道的进风段和出风段均关闭。

优选地，所述旁通风道设有盐雾过滤器。

优选地，所述旁通风道进一步设有除湿机和/或电加热装置。

优选地，所述旁通风道设有单向阀、用于连通所述主风道进风段的第一进风口，以及用于连通所述主风道出风段的第二进风口；所述风道切换装置包括盖板以及通过旋转轴驱动所述盖板转动的电机，所述盖板固定在所述旋转轴上，所述旋转轴与所述电机连接；

在第一工作状态，所述单向阀导通，所述电机驱动所述盖板转动至关闭所述第二进风口的位置；

在第二工作状态，所述单向阀导通，所述电机驱动所述盖板转动至关闭所述第一进风口的位置；

在第三工作状态，所述单向阀关闭。

优选地，所述旁通风道设有用于连通所述主风道进风段的第一进风口，以及用于连通所述主风道出风段的第二进风口；所述风道切换装置包括设于所述第一进风口的第一单向阀和设于所述第二进风口的第二单向阀；

在第一工作状态，所述第一单向阀导通，且所述第二单向阀关闭；

在第二工作状态，所述第二单向阀导通，且所述第一单向阀关闭；

在第三工作状态，所述第一单向阀和第二单向阀均关闭。

优选地，所述主风道中的气流改向，其进风段变为出风段、出风段变为进风段。

为实现上述第二目的，本发明提供控制方法，用于控制上述多项方案所述的风力发电机组塔底冷却装置，所述散热器的进水口设置温度传感器，包括：

当T_(水，in)低于设定的温度值时，关闭所述第一风机；

当T_(水，in)高于设定的温度值时，启动所述第一风机；

所述T_(水，in)为所述温度传感器测量的温度值。

为实现上述第二目的，本发明提供另一控制方法，用于控制上述多项方案所述的风力发电机组塔底冷却装置，所述旁通风道通往的塔架底部空间内设置温度传感器和湿度传感器，包括：

当T高于设定温度值时，所述风道切换装置切换到主风道进风段引入冷空气，过滤后提供给塔架内部环境，用于冷却塔架内部环境；

当RH高于设定相对湿度值时，同时T低于设定的温度值时，所述风道切换装置切换到主风道出风段引入热空气，过滤后提供给塔架内部环境，用于降低塔架内部环境的相对湿度；

当RH高于设定的相对湿度值时，同时T高于设定的温度值时，所述风道切换装置切换到主风道进风段引入冷空气，过滤后提供给塔架内部环境，用于冷却塔架内部环境，并降低塔架内部环境的湿度；

所述T为单个所述温度传感器的测量值或多个所述温度传感器测量的最大值，所述RH为单个所述湿度传感器的测量值或多个所述湿度传感器测量的最大值。

本发明在塔架内部设置主风道，并将塔架底部大发热量部件的散热器放置于主风道中。由于散热器内置，可以在码头上完成组装，从而降低了在海上吊装时所需时间，同时由于散热器不再放置到塔架外平台上，减小了塔架外平台尺寸。另外，散热器内置后，不再需要进出水管及电缆在塔架壁上穿出，由此提高了塔架的密封性。

在优选方案中，通过双层门设计，在保证进出风口所需通风截面积的情况下，可有效的减少塔架壁上的开孔数量及面积。

在另一优选方案中，由风道切换装置、第二风机以及盐雾过滤器等组成的旁通风道，可以根据工况需要引入主风道进风段的冷风来冷却塔架内的空气，或引入主风道出风段的热空气来降低塔架内的相对湿度。

附图说明

图1为本发明实施例公开的风力发电机组塔底冷却装置的半剖图；

图2为图1所示风力发电机组塔底冷却装置的轴测图(在图中隐藏塔架)；

图3为图1所示风力发电机组塔底冷却装置在另一角度的轴测图(同样隐藏塔架)；

图4为本发明实施例公开的一种旁通风道的结构示意图；

图5为本发明实施例公开的一种风道切换装置的示意图；

图6为本发明实施例公开的另一种风道切换装置的示意图；

图7为整体式散热器的结构示意图；

图8为拼装式散热器的结构示意图；

图9为串联式散热器的结构示意图；

图10为旁通风道在主风道中的位置示意图；

图11为图10所示旁通风道的风路原理图；

图12为本发明实施例公开的第二种风力发电机组塔底冷却装置的半剖图；

图13为图12所示风力发电机组塔底冷却装置的轴测图(在图中隐藏塔架)；

图14为图12所示风力发电机组塔底冷却装置在另一角度的轴测图(同样隐藏塔架)。

图中：

1.塔架 2.散热器 3.塔架门 31.第一道门 32.第二道门 4.分层平台 5.第一通风管 6.第一风机 7.进风口 8.踏板 9.第二通风管 10.出风口 11、11’.风道切换装置 111、111’.箱体 112.步进电机 113.旋转轴 114.盖板 115.单向阀 116.第一进风口 117.第二进风口 12.盐雾过滤器 13.第二风机 112’.第一单向阀 113’.第二单向阀 14.第三通风管

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供的风力发电机组塔底冷却装置主要有两部分组成：主风道和旁通风道。其中，主风道与外界空气组成一个开式循环，从外界引入大量未经过滤的冷空气，主要用散热，流经主风道内的散热器后，再排到塔架外；旁通风道用于从主风道中引出部分空气，并将其过滤后提供给塔架内部环境。下面对两个风道分别进行描述。

请参考图1、图2、图3，图1为本发明实施例公开的风力发电机组塔底冷却装置的半剖图；图2为图1所示风力发电机组塔底冷却装置的轴测图；图3为图1所示风力发电机组塔底冷却装置在另一角度的轴测图。

如图所示，塔架底部的主要发热部件(典型的如风机塔架底部的箱变、变流器等)通过水冷散热系统，将其热量带到散热器2(典型的如水空换热器)。将该散热器2放置于塔架1内部，具体位置在塔架门3所在分层平台4的下层空间，这里命名为负一层，负一层与塔架上层其它空间隔离密封，沿气流方向，散热器2后面为第一通风管5，第一通风管5后面安装有第一风机6。

塔架门3采用双层门，第一道门31采用全开式结构来形成出风口10，第二道门32采用气密门，利用两道门之间的侧壁面和顶部之间形成的通路连通出风口10，第一风机6为离心风机，其数量为两个，两个离心风机的出风口分别与双层门的下底面连接形成通路，进风口7位于踏板8下方的塔架侧壁上。

这里需要说明的是，第一风机6的数量可以为一个，然后将出风口分成两路，分别与双层门的下底面连接形成通路，或者使用两个以上离心风机。

以散热器2为界，进风口7、负一层的空间作为进风段，散热器2之后的第一通风管5，两个离心风机、连接离心风机和双层门下底面的两个第二通风管9以及双层门内的通路、出风口10形成出风段，进风段、散热器2和出风段组成整个主风道，出风段内的第一风机6用于驱动主风道中的空气流动，使外界的冷空气不断从进风口7进入，流经进风段，冷却散热器2后，变成热空气，再流经出风段，最后从出风口10流出，整个主风道与塔架外空气组成一个循环，源源不断的冷却主风道中的散热器2。

请参考图4、图5，图4为本发明实施例公开的一种旁通风道的结构示意图；图5为本发明实施例公开的一种风道切换装置的示意图。

如图所示，旁通风道的进风口设置风道切换装置11，该风道切换装置用于决定旁通风道是从主风道的进风段(冷空气)引风还是从主风道的出风段(热空气)引风，风道切换装置11之后是盐雾过滤器12和第二风机13，其中盐雾过滤器12的作用是将空气中的液滴和盐颗粒除去，第二风机13用于驱动旁通风道中的气体流动，将从主风道中引出的部分气体，流经风道切换装置11、盐雾过滤器12、第二风机13之后，提供给塔架1内部环境。

请一并参考图10、图11，图10为旁通风道在主风道中的位置示意图；图11为图10所示旁通风道的风路原理图。

风道切换装置11主要由箱体111、步进电机112、旋转轴113、盖板114、单向阀115等组成，其中盖板114固定在旋转轴113上，旋转轴113与步进电机112连接，进行切换时，步进电机112旋转，带动旋转轴113以及盖板114一起旋转，打开一个进风口，同时关闭另一个进风口，从而实现进风口的切换，两个进风口分别为第一进风口116和第二进风口117，其中第一进风口116位于箱体111的下端，第二进风口117位于箱体111的侧面，单向阀115位于箱体111的顶部，在气流方向上处于第一进风口116和第二进风口117的下游。当旁通风道不需要从主风道中引流时，单向阀115关闭。其冷风、热风切换方式如下：

当单向阀115开启时，步进电机112动作，带动盖板114向下旋转，此时第一进风口116(即热风进口)关闭，第二进风口117(即冷风进口)开启，风道切换装置将冷风引入旁通风道。

当单向阀115开启时，步进电机112动作，带动盖板114向上旋转，此时第一进风口116关闭，第二进风口117开启，风道切换装置将热风引入旁通风道。

当单向阀115关闭时，风道切换装置11停止将冷风或热风引入旁通风道。

当然，风道切换装置11还可以有其他实现形式。如图6所示，该风道切换装置11’主要由箱体111’和两个单向阀组成，其中第一单向阀112’设于第一进风口116，第二单向阀113’设于第二进风口117，进行切换时，一个单向阀开启，另一个单向阀关闭，从而实现进风口的切换。当旁通风道不需要从主风道中引流时，两个单向阀同时关闭，其冷风、热风切换方式如下：

当第一单向阀112’开启时，第二单向阀113’关闭，此时第一进风口116开启，第二进风口117关闭，风道切换装置将热风引入旁通风道。

当第二单向阀113’开启时，第一单向阀112’关闭，此时第二进风口117开启，第一进风口116关闭，风道切换装置将冷风引入旁通风道。

当第一单向阀112’和第二单向阀113’都关闭时，风道切换装置停止将冷风或热风引入旁通风道。

这里，可以在旁通风道加装电加热装置，用于从主风道中引入的热空气温度不足时，加热空气，用于降低塔架内部环境的相对湿度，电加热装置可以集成到盐雾过滤器12中，而且，为获得更好的除湿效果，还可以加装除湿机。

上述双层门的顶部和侧壁面可以设置百叶窗，在出风口10上有排气时，百叶窗打开，在出风口10不排气时，百叶窗关闭，防止雨水和杂物进入，也可以设置滤网，用于防止异物进入；踏板8用于运维人员在塔架门前站立，同时用于隔开进出风口，防止“热短路”，为了防止“热短路”，也可以将进风口7不设计在塔架门的正下方，而是与塔架门3在周向上相互错开；在踏板8下面塔架侧壁上的进风口处，可以设置百叶窗，也可以设置滤网，还可以设置挡水板，也可以是几种形式的组合。

请参考图7、图8、图9，图7为整体式散热器的结构示意图；图8为拼装式散热器的结构示意图；图9为串联式散热器的结构示意图。

如图所示，主风道中的散热器2依据塔架底部大发热部件(典型如塔架底部的箱变、变流器)所采用的水冷散热系统的不同，可以有三种实现形式。

当塔架底部的大发热部件所采用的水冷系统为集中式散热系统(典型的如箱变和变流器共用一套水冷散热系统)时，主风道中的散热器2采用整体式散热器。

当塔架底部的大发热部件所采用的水冷系统为分布式散热系统(典型的如箱变和变流器分别拥有各自的水冷散热系统)时，主风道中的散热器2可以采用拼装式散热器，或者串联式散热器。

其中，拼装式散热器使用多块散热器并列安装在一起，冷却空气分别通过各个散热器，散热器之间相互独立，各自拥有独立的进出水管；串联式散热器将多块散热器串联安装在一起，冷却空气依次流经各个散热器，散热器之间相互独立，各自拥有独立的进出水管。

综上所述，本发明将原来放置于塔架1外部的散热器2(典型的如用于给箱变和变流散热的水空换热器)内置于塔架1内部，可以提高系统集成度，对于海上机组，将降低基础外平台建造成本(基础外平台可以做的更小)及海上吊装所需时间(因目前的海上吊装，外置的散热器要在塔架吊装完后才能吊装，同时还要在海上去安装所需的进出水管以及电缆等，需要较多的海上作业时间，散热器内置后，在码头就可以组装完毕，在海上没有安装散热器的时间花费)。同时，散热器2内置于塔架1内部，还可以减少塔架1上用于进出水管及电缆的穿出而所需的开孔数量以及随之而来的密封问题。另外，使用双层门的顶部及侧壁面与出风口10连通，在保证主风道所需的进出风口通风截面积的情况下，可有效减少塔架壁上的开孔数量及面积。此外，在主风道旁设置旁通风道，可以根据工况需求，从主风道中引入部分气体经过滤后提供给塔架1内部环境。当塔架1内部环境温度高于设定值时，旁通风道通过风道切换装置11、11’从主风道的进风段引入冷空气，经过滤后，用以冷却塔架1内部环境。当塔架1内部相对湿度高于设定值，旁通风道通过风道切换装置11、11’从主风道的出风段引入热空气，经过滤后，用以降低塔架1内部环境的相对湿度。

请参考图12、图13、图14，图12为本发明实施例公开的第二种风力发电机组塔底冷却装置的半剖图；图13为图12所示风力发电机组塔底冷却装置的轴测图；图14为图12所示风力发电机组塔底冷却装置在另一角度的轴测图。

在另一实施例中，散热器2可以位于塔架门3所对应分层平台4的上层空间，散热器2通过第三通风管14与进风口7连通，散热器2后设置第一风机6(图中示意的是位置，风机未画出)，第一道门31依然形成出风口，与双层门的顶部及侧壁面形成的通路连通，进风口7依然位于踏板8下方的塔架侧壁上，以散热器2为界，进风口、第三通风管14作为进风段，散热器2之后的第一通风管5、第一风机6、第二通风管9以及与之相连的双层门内的通路、出风口10形成出风段，进风段、散热器2和出风段组成整个主风道，其余结构与第一实施例大体相同，请参考上文的描述。

上述实施例仅是本发明的优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要作出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式。例如离心风机也可以位于进风段；或者，旁通风道中的第二风机13可以为轴流风机，也可以为离心风机；又或者，主风道中的气流方向可以改变，将进风段改为出风段，将出风段改为进风段，等等。由于可能实现的方式较多，这里就不再一一举例说明。

除了上述风力发电机组塔底冷却装置，本发明还提供对其进行控制的控制方法，包括主风道控制和旁通风道控制，具体如下：

1)主风道控制：

预先在散热器2的进水口，设置温度传感器，其测量的温度值用T_(水，in)表示。

当T_(水，in)低于设定的温度值时，第一风机关闭；

当T_(水，in)高于设定的温度值时，第一风机启动。

2)旁通风道控制：

预先在塔架1底部的几层空间内分别设置温湿度传感器，典型情况为在塔架底部的三层空间内设置温湿度传感器，其测量的温度值分别用T₁，T₂，T₃表示，其测量的相对湿度值分别用RH₁，RH₂，RH₃表示。

当max(T₁，T₂，T₃)高于设定温度值时，风道切换装置11、11’切换到主风道进风段引入冷空气，过滤后提供给塔架内部环境，用于冷却塔架内部环境。

当max(RH₁，RH₂，RH₃)高于设定相对湿度值时，同时max(T₁，T₂，T₃)低于设定的温度值时，风道切换装置11、11’切换到主风道出风段引入热空气，过滤后提供给塔架内部环境，用于降低塔架内部环境的相对湿度。

当max(RH₁，RH₂，RH₃)高于设定的相对湿度值时，同时max(T₁，T₂，T₃)高于设定的温度值时，风道切换装置11、11’切换到主风道进风段引入冷空气，过滤后提供给塔架内部环境，用于冷却塔架内部环境，用于降低塔架内部环境的湿度。

本发明在塔架内部设置主风道，并将塔架底部大发热量部件的散热器放置于主风道中。由于散热器内置，可以在码头上完成组装，从而降低了在海上吊装时所需时间，同时由于散热器不再放置到塔架外平台上，减小了塔架外平台尺寸。另外，散热器内置后，不再需要进出水管及电缆在塔架壁上穿出，由此提高了塔架的密封性。

此外，通过双层门设计，在保证进出风口所需通风截面积的情况下，可有效的减少塔架壁上的开孔数量及面积。

通过进一步设置由风道切换装置、第二风机以及盐雾过滤器等组成的旁通风道，可以根据工况需要引入主风道进风段的冷风来冷却塔架内的空气，或引入主风道出风段的热空气来降低塔架内的相对湿度。

以上对本发明所提供的风力发电机组塔底冷却装置及控制方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。