海上风电变压器冷却系统的优化设计

海上风电变压器冷却系统的优化设计
发表时间：2018-06-14T17:13:15.377Z 来源：《电力设备》2018年第3期作者：郭运波孙红玲[导读] 摘要：本文利用海上风电变压器主体和冷却系统合理的布置方式，实现了两者的错层布置。

（济南西门子变压器有限公司山东济南 250022）
摘要：本文利用海上风电变压器主体和冷却系统合理的布置方式，实现了两者的错层布置。

并且针对安装空间受限的要求，将冷却管路采用U型布置，利用温升优化，解决了冷却系统空间布置问题。

本文同时采用合适的试验方法解决了温升试验的要求，节约试验费用。

关键词：风电；变压器；冷却系统；优化
1 引言
风力发电作为清洁可再生能源，近几年在我国被大力推广。

海上风电场有风速稳定、对环境影响小的优势。

因此海上风电设计质量的提高和开发成本下降的技术研究变得十分迫切。

变压器作为海上风电最主要的电力转换传输设备，其设计布置情况极大地影响着发电平台的造价和性能，因此本文主要针对变压器的冷却布置提供了优化设计方案。

2 冷却系统布置的优化设计
以往的海上风电项目一直采用主体与冷却系统在同一层的平层设计布置，这就要求建筑足够大的风电平台。

而本文采用了国内首个设计方案，即主体与冷却系统错层布置，两者具有高度差，此设计极好地解决了空间受限的问题，节约了空间成本。

为了减少工程造价，风电平台在做整体规划时，变压器主体由于对环境条件要求较高，所以安置在室内密闭空间，采用空调微正压的空气循环方式保证室内温度和湿度，这样可以使主体防腐和绝缘性能得到保证。

冷却系统用的片散由于不牵涉绝缘等特殊要求，往往直接置于室外。

在以往变压器整体平层布置时，需要搭建很大的安装平台，这会增加海上打桩和地基操作，不仅增加成本还降低了系统运行的安全性。

为了给客户提供优化方案，本文提出了冷却器错层布置的优化方案，如图1所示。

冷却器高于变压器地基，下方的空间可以用来放置发电设备或者作为地网使用。

甚至可以将冷却器设计在变压器正上方，大大减小了占地面积。

图1 冷却系统错层布置和试验方案
错层布置能充分利用建筑空间，但也给设计带来诸多需要解决的问题，主要牵涉到热学和力学领域。

1. 油压问题：由于变压器通常采用ONAN自然循环的方式，因此需要计算变压器油在热力自动循环过程中，能够到达高位置的冷却器和储油柜，并且保证流速达到计算值。

我们采用有限元热流耦合分析，计算出油流在管路循环中的流量。

通过三维有限元模拟分析，我们得出当主体和冷却器之间的错位高度达到7.5米时，需要增加油流泵才能保证冷却介质在管路中的油流动力。

2. 温升问题：错层布置实际上人为抬高了散热中心与生热中心（主要指线圈）的高度差。

理论上效果会变好，但考虑到自冷情况下的油流速度，因此需要在电算时提高顶层油温升和顶层与底层的温度差，增加热动力。

使热油能够克服自身重力而循环到冷却器中。

3. 强度问题：抬高液位会使变压器油箱强度变弱，通常情况下油箱按照0.1MPa的强度进行设计，但是错层布置会使液面压力升高1倍甚至更高，有些客户要求在储油柜上方加30KPa的正压进行试验，因此对于油箱箱底和箱盖，不能按照常规计算进行强度校核，往往需要增加厚度或者更换更高强度的材料才能满足强度要求，否则油箱会出现变形过大或者漏油的情况，造成试验失败。

3 冷却管路的优化设计及试验方法
对于大容量的变压器，从冷却系统通往变压器的管路经常需要两进两出，但这样既需要增加管路重量，同时还要占据很大一部分空间，本文通过温升有限元模拟的方法，采用一进一出，管路采用口径比较粗的DN300进行连接。

一般情况下冷却系统的片散布置在一条线上，但是这样会使占用面积过长。

为了解决这个问题，本文采用U型布置的管路连接将冷却系统分为两部分，两组冷却系统采用上上相连，下下相连的方式构成一个整体。

在管道连接之间增加适量的膨胀节以适应加工误差和管道重力下垂的因素。

同时在拐弯和距离较远的连接处，放置管道支撑以便减小变形，整条管路的制作需要在加工商处配做。

U型设计会使管路的长度和折弯都比正常计算数据有所恶化，所以在设计过程中需要增加5%左右的安全余量，最终的试验证明此优化方法完全能满足散热要求。

同时这样的布置方法极大地减少了风电平台的占地空间，缩减成本。

在变压器错层布置做试验时，由于整体高度往往超过12米，而且还要考虑起吊高度，致使很多厂家的实验室无法满足要求。

如果运至专门的试验基地，需要昂贵的运输和试验花费。

所以需要合理布置冷却器的高度，使之能在现有的试验环境下进行。

片散高度的降低使得原有温升计算无法与实际对应，需要我们重新核算。

针对此台产品，变压器主体与冷却系统的原有高度差为5米，我们降至1.5米的高度进行试验，冷却器的散热中心相当于降低3.5米。

冷却器支撑可以设计成中间具有法兰过渡的架构，在做试验时可以直接利用自身支撑作为降低高度的差值，节约工艺制作临时工装的费用。

而且管路在重新布置时长度和折弯也有所变化，这都需要根据试验布置的具体数据通过温升计算程序来核算。

同时还需要工艺和车间加工支架用于支撑冷却系统到指定高度。

试验管路的布置和优化参考附图1所示。

管路在具体设计时要合理考虑冷却系统降低造成的高度差，从而使试验管路采用正常设计管路的一部分就可以实现，无需另做试验管路。

4 结论
本文针对海上风电变压器的错层布置，完成了冷却系统的布置计算和管路系统的优化设计。

同时为错层布置的冷却系统试验提供了合理方案。

此方法对空间条件受限或者为了节约占地面积的成本具有很好的效果，可用于指导安装在此类区域变压器错层布置的设计和优化。

参考文献
[1]赵云等.海上升压站主变压器冷却方式选择[J].勘测设计，2015.2(3):91-95.
[2]唐洪良等.海上风电并网的关键技术与最新进展[J].机电工程，2014.31(7):928-932.
作者简介
郭运波（1984-01），男，汉族，籍贯：山东济南市，当前职务：技术经理，当前职称：工程师，学历：硕士，研究方向：变压器产品的设计研发。