一种陆上风电机组土壤源热泵冷却系统及方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组冷却技术领域，具体涉及一种陆上风电机组土壤源热泵冷却系统及方法。

背景技术

风力发电机组冷却系统的主要作用是对各相关设备进行冷却，保证各设备运行在合理温度范围内。通常，风电机组需要冷却的设备主要有发电机、变流器、变压器、主齿轮箱及液压系统等。

双馈发电机定子绕组、转子绕组因损耗会引起发热，常用空-空冷却和空-水冷却，其中空-水冷系统冷端来自冷却风扇或自然风。内转子式永磁发电机由于定子损耗会产生热量，通常采用空气通过外表面和内部风路冷却。外转子式永磁发电机采用空-水冷方式，空-水冷系统冷端来自冷却风扇或自然风。若发电机温度过高，可能导致绝缘脆化、机械强度减弱，严重时引起部件损坏。变流器由于电力电子器件工作时的损耗也会引起发热，目前主要采用空-水冷却，冷端来自冷却风扇。变压器按冷却方式分为油浸式变压器和干式变压器，冷却方式较为成熟。风电机组的主齿轮箱，采用润滑油对啮合齿面进行润滑和冷却，带走机械摩擦产生的热量。润滑油温度过高，则油粘度下降，不利于油膜形成和润滑。目前在润滑油温度较高时，通过润滑油系统冷却器进行冷却，冷端采用外置式冷却风扇。对于采用液压变桨、偏航的风电机组，还需对液压系统进行冷却，通常采用空-水冷却。

目前风电机组冷却系统较为分散独立，需各自配备冷却风扇等设备或设计自然风回路，系统繁杂，自用电量较大，成本较高；冷却器冷端多为冷却风扇的强制风或者自然风，空-空换热或空-水换热效率较低；随着风电机组容量不断增大，各设备散热量增加，对冷却系统效率、可靠性等要求更高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种陆上风电机组土壤源热泵冷却系统及方法，以解决目前风电机组冷却系统较为分散独立、系统繁杂、自用电量较大、成本较高、换热效率较低、不能很好适应风电机组大型化散热量大幅增加的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种陆上风电机组土壤源热泵冷却系统，包括土壤换热器、冷凝换热器、蒸发换热器和风电机组设备换热组；土壤换热器设置在地下，土壤换热器和冷凝换热器之间形成冷却循环，用于冷却进入冷凝换热器的工质；冷凝换热器和蒸发换热器之间形成冷却循环，用于冷却进入蒸发换热器的工质；蒸发换热器和风电机组设备换热组之间形成冷却循环，用于冷却进入风电机组设备换热组的工质。

进一步的，土壤换热器和冷凝换热器之间形成的冷却循环包括循环水泵和循环水调节阀；循环水泵出口与冷凝换热器冷端入口相连，入口与土壤换热器出口相连；冷凝换热器冷端出口经循环水调节阀与土壤换热器入口相连。

进一步的，冷凝换热器和蒸发换热器之间形成的冷却循环包括膨胀阀和压缩机；膨胀阀出口与蒸发换热器冷端入口相连，入口与冷凝换热器热端出口相连；压缩机入口与蒸发换热器冷端出口相连，出口与冷凝换热器热端入口相连；冷凝换热器冷端及热端入口管道均设置有压力表，出口管道均置有热电偶。

进一步的，蒸发换热器和风电机组设备换热组之间形成的冷却循环冷包括冷却水泵，冷却水泵出口与风电机组设备换热组冷端入口母管相连，入口与蒸发换热器热端出口相连；风电机组设备换热组冷端出口母管与蒸发换热器热端入口相连；蒸发换热器冷端及热端入口管道均设置有压力表，出口管道均设置有热电偶；循环水泵出口与冷却水泵出口均设置有压力表。

进一步的，循环水泵入口管道连接有循环水稳压水箱；冷却水泵入口管道连接有冷却水稳压水箱。

进一步的，循环水泵出口处设置有隔离门；冷却水泵入口与出口处均设置有隔离门；土壤换热器入口与出口处均设置有隔离门；循环水稳压水箱、冷却水稳压水箱下方管道均设置有隔离门。

进一步的，风电机组设备换热组包括发电机换热器、变流器换热器、变压器换热器、主齿轮箱换热器和液压系统换热器；风电机组设备换热组冷端入口母管分为五个支路管道分别和发电机换热器、变流器换热器、变压器换热器、主齿轮箱换热器和液压系统换热器的入口，发电机换热器、变流器换热器、变压器换热器、主齿轮箱换热器和液压系统换热器的出口连接到风电机组设备换热组冷端出口母管。

进一步的，发电机换热器、变流器换热器、变压器换热器、主齿轮箱换热器及液压系统换热器入口处均设置有隔离门。

进一步的，电机换热器冷端出口管道上设置有第一调节阀，变流器换热器冷端出口管道上设置有第二调节阀，变压器换热器冷端出口管道上设置有第三调节阀，主齿轮箱换热器冷端出口管道上设置有第四调节阀，液压系统换热器冷端出口管道上设置有第五调节阀；发电机换热器、变流器换热器、变压器换热器、主齿轮箱换热器及液压系统换热器冷端入口管道均设置有压力表，出口管道均设置有热电偶。

进一步的，一种陆上风电机组土壤源热泵冷却系统的冷却方法，包括以下步骤：

a.循环水由循环水泵出口，至冷凝换热器冷端入口，与热泵机组工质换热被加热后，由冷凝换热器冷端出口流出，经循环水调节阀，至土壤换热器中与恒温土壤进行换热被冷却，至循环水泵入口，经循环水泵加压后，流入冷凝换热器冷端入口，形成闭式循环；

b.热泵机组工质在冷凝换热器中与循环水换热被冷却后，由冷凝换热器热端出口流出，经膨胀阀减压减温后，进入蒸发换热器冷端入口，与冷却水换热被加热后，由蒸发换热器冷端出口流出，经压缩机压缩，进入冷凝换热器热端入口，与循环水换热被冷却，形成闭式循环；

c.冷却水由蒸发换热器热端出口流出，经冷却水泵加压后，流入各用户换热器冷端入口，在各用户换热器中换热对各发热设备进行冷却后，由各用户换热器冷端出口流出，经各用户回水管道上的调节阀，至蒸发换热器热端入口，与热泵机组工质换热后被冷却，再由蒸发换热器热端出口流出，形成闭式循环。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明依靠土壤源热泵系统对风电机组设备进行冷却，系统简单，集中度高，便于实现全程自动控制。

本发明利用了土壤的地热资源，土壤的温度较稳定，因此系统换热工况稳定，不受外界空气温度一年四季大幅变化而影响。

本发明系统中换热型式为水-水换热和水-土壤换热，相较普通水-空气换热效率更高，更适应风电机组大型化发展方向。

土壤源热泵的循环性能系数较高，制冷量相同的条件下，耗电更少，节约成本。土壤源热泵系统运行可靠性高、维护少。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

图中：1-土壤换热器，2-循环水稳压水箱，3-循环水泵，4-冷凝换热器，5-循环水调节阀，6-压缩机，7-膨胀阀，8-蒸发换热器，9-冷却水稳压水箱，10-冷却水泵，11-风电机组设备换热组，12-发电机换热器，13-变流器换热器，14-变压器换热器，15-主齿轮箱换热器，16-液压系统换热器，17-第二调节阀，18-第一调节阀，19-第三调节阀，20-第四调节阀，21-第五调节阀。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种陆上风电机组土壤源热泵冷却系统，包括土壤换热器1、循环水稳压水箱2、循环水泵3、冷凝换热器4、循环水调节阀5、压缩机6、膨胀阀7、蒸发换热器8、冷却水稳压水箱9、冷却水泵10、风电机组设备换热组11；

所述风电机组设备换热组11包括：发电机换热器12、变流器换热器13、变压器换热器14；对于有主齿轮箱的风电机组，还包括主齿轮箱换热器15；对于采用液压变桨、偏航的机组，还包括液压系统换热器16。

所述循环水泵3出口与冷凝换热器4冷端入口相连，入口与土壤换热器1出口相连；所述冷凝换热器4冷端出口经循环水调节阀5与土壤换热器1入口相连。

所述膨胀阀7出口与蒸发换热器8冷端入口相连，入口与冷凝换热器4热端出口相连；所述压缩机6入口与蒸发换热器8冷端出口相连，出口与冷凝换热器4热端入口相连。

所述冷却水泵10出口与风电机组设备换热组11冷端入口母管相连，入口与蒸发换热器热端出口相连；风电机组设备换热组11冷端出口母管与蒸发换热器热端入口相连。

所述循环水稳压水箱2通过底部管道与循环水泵3入口管道相连；所述冷却水稳压水箱9通过底部管道与冷却水泵10入口管道相连。

所述土壤换热器1根据地形特征可采用垂直埋管系统、水平埋管系统或螺旋埋管系统。

所述循环水泵3、压缩机6和冷却水泵10采用变频技术或永磁技术调节转速。

所述循环水泵3出口处设置有隔离门；所述冷却水泵10入口与出口处均设置有隔离门；所述土壤换热器1入口与出口处均设置有隔离门；所述循环水稳压水箱2、冷却水稳压水箱9下方管道均设置有隔离门；所述风电机组设备换热组12中发电机换热器12、变流器换热器13、变压器换热器14、主齿轮箱换热器15及液压系统换热器16入口处均设置有隔离门；

所述发电机换热器12冷端出口管道上设置有第一调节阀8，所述变流器换热器13冷端出口管道上设置有第一调节阀7，所述变压器换热器14冷端出口管道上设置有第一调节阀9，所述主齿轮箱换热器15冷端出口管道上设置有第二调节阀0，所述液压系统换热器16冷端出口管道上设置有第二调节阀1；

所述发电机换热器12、变流器换热器13、变压器换热器14、主齿轮箱换热器15及液压系统换热器16冷端入口管道均设置有压力表，出口管道均设置有热电偶；冷凝换热器4冷端及热端入口管道均设置有压力表，出口管道均置有热电偶；蒸发换热器8冷端及热端入口管道均设置有压力表，出口管道均设置有热电偶；循环水泵3出口与冷却水泵10出口均设置有压力表。

流经土壤换热器1、循环水泵3、冷凝换热器4冷端、循环水调节阀5系统的循环水采用除盐水；流经风电机组设备换热组11、冷却水泵10、蒸发换热器8热端系统的冷却水采用除盐水；流经冷凝换热器4热端、膨胀阀7、蒸发换热器8冷端、压缩机6系统的热泵机组工质采用R22等常用环保制冷剂。

一种陆上风电机组土壤源热泵冷却系统的冷却方法，包括以下步骤：

a.循环水由循环水泵3出口，至冷凝换热器4冷端入口，与热泵机组工质换热被加热后，由冷凝换热器4冷端出口流出，经循环水调节阀5，至土壤换热器1中与恒温土壤进行换热被冷却，至循环水泵3入口，经循环水泵3加压后，流入冷凝换热器4冷端入口，形成闭式循环；

b.热泵机组工质在冷凝换热器4中与循环水换热被冷却后，由冷凝换热器4热端出口流出，经膨胀阀7减压减温后，进入蒸发换热器8冷端入口，与冷却水换热被加热后，由蒸发换热器8冷端出口流出，经压缩机6压缩，进入冷凝换热器4热端入口，与循环水换热被冷却，形成闭式循环；

c.冷却水由蒸发换热器8热端出口流出，经冷却水泵10加压后，流入各用户换热器冷端入口，在各用户换热器中换热对各发热设备进行冷却后，由各用户换热器冷端出口流出，经各用户回水管道上的调节阀，至蒸发换热器8热端入口，与热泵机组工质换热后被冷却，再由蒸发换热器8热端出口流出，形成闭式循环。

一种陆上风电机组土壤源热泵冷却系统的冷却方法，采用如下控制方法：

a.进入各设备用户换热器冷却水的流量由各设备冷端出口管路上的调节阀开度进行控制，各调节阀开度实时跟踪各设备冷端出口管道中冷却水温度进行自动调节。

b.冷却水泵出口压力由冷却水泵10采用变频或永磁方式自动调节转速方式完成；

c.热泵机组工质流量由压缩机6转速调节方式完成。

d.循环水流量由循环水调节阀5开度进行控制，该调节阀开度实时跟踪冷凝换热器4冷端出口管道中循环水温度进行自动调节；

e.循环水泵出口压力由循环水泵3采用变频或永磁方式自动调节转速方式完成。

实施例：

当风电机组功率增大时，发电机、变流器、变压器、主齿轮箱的发热量均增大，此时上述各用户换热器冷端出口冷却水温度增加，通过自动开大各自换热器对应冷端出口管道上设置的调节阀增加冷却水流量，来提高各用户换热器冷却能力，使风电机组各部件运行在合理温度，同时冷却水泵10提高转速，以保证其出口压力在合理范围内。同时，压缩机6提高转速增加功率，通过蒸发换热器8将热量带入热泵工质，降低冷却水温度；热泵工质吸收的热量，再通过冷凝换热器4，被循环水系统带走，工质被冷却。循环水系统吸收热量增加后，冷凝换热器4冷端出口循环水温度升高，此时自动开大循环水调节阀5开度，增加循环水系统流量，提高冷却能力，同时循环水泵3增加转速，保证循环水泵出口压力维持在合理范围内。

上述调节过程，均通过自动调节方式完成。当风电机组功率减小时，或某个用户换热器换热量增大或者减小时，调节过程原理相同。

本发明依靠土壤源热泵系统对风电机组设备进行冷却，系统简单，集中度高，便于实现全程自动控制，换热效率高，适应风电机组大型化发展方向。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。