周世銀 黃廷甫 李成鋒

（華能?chē)?guó)際電力股份有限公司貴州清潔能源分公司）

0 引言

隨著我國(guó)電力體制改革不斷深化，風(fēng)能發(fā)電已經(jīng)成為我國(guó)電力系統(tǒng)的重要組成部分，加大了對(duì)風(fēng)能資源的利用率。并且在新型技術(shù)的支撐下，風(fēng)電機(jī)組市場(chǎng)不斷推出新型設(shè)備，機(jī)組功率也隨之提升，由低瓦數(shù)向高瓦數(shù)方向發(fā)展。高瓦數(shù)機(jī)組的運(yùn)行效率更高，有助于降低能源浪費(fèi)量，但也要看到高瓦機(jī)組運(yùn)行功率大，給風(fēng)電機(jī)組散熱系統(tǒng)提出了更高的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)風(fēng)冷系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足高瓦機(jī)組散熱要求。同時(shí)，目前很多風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行中存在水冷系統(tǒng)過(guò)溫現(xiàn)象，增加風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。這就需要對(duì)風(fēng)電機(jī)組水冷系統(tǒng)過(guò)溫原因進(jìn)行分析，并采取有效的應(yīng)對(duì)措施。

1 問(wèn)題的提出

某品牌風(fēng)電機(jī)組中的水冷系統(tǒng)用于變流器、發(fā)電機(jī)降溫作用。水冷系統(tǒng)主要是由水泵、散熱板、管路、發(fā)電機(jī)集成散熱板、變流器集成散熱板構(gòu)成。風(fēng)電場(chǎng)裝有該品牌風(fēng)電機(jī)組規(guī)模達(dá)到上千臺(tái)，在持續(xù)運(yùn)行4年后，傳感器檢測(cè)到風(fēng)場(chǎng)中發(fā)電機(jī)組存在變流器、發(fā)電機(jī)運(yùn)行溫度過(guò)高等情況，系統(tǒng)自動(dòng)降低運(yùn)行功率，影響風(fēng)電產(chǎn)能。通過(guò)后續(xù)排查發(fā)現(xiàn)是由于變流器、發(fā)電機(jī)水冷系統(tǒng)存在堵塞現(xiàn)象，影響水循環(huán)導(dǎo)致無(wú)法起到良好的制冷效果。通過(guò)對(duì)故障風(fēng)電機(jī)組水冷系統(tǒng)進(jìn)行抽樣檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，所有水冷系統(tǒng)的冷卻液均已經(jīng)變質(zhì)。

2 原因分析

2.1 水冷系統(tǒng)失效原因分析

本次案例中的風(fēng)電機(jī)組水冷系統(tǒng)制冷效能不足主要是由于冷卻液流量不符合制冷標(biāo)準(zhǔn)。技術(shù)人員通過(guò)拆解水冷系統(tǒng)后發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部流道上有非常多的雜質(zhì)，部分流道已經(jīng)被雜質(zhì)幾乎堵死，該通道幾乎沒(méi)有冷卻液流動(dòng)，冷卻液無(wú)法帶動(dòng)熱量到散熱區(qū)域排出熱量［1］。可見(jiàn)，本次水冷系統(tǒng)性能下降主要是因?yàn)殡s質(zhì)堵塞流道造成的結(jié)果。

對(duì)雜質(zhì)取樣分析（光譜分析法），顯示雜質(zhì)中主要物質(zhì)為金屬元素，包括鐵、鋁、銅、鋅等。進(jìn)一步深入分析這些雜質(zhì)的來(lái)源，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)內(nèi)部流道是產(chǎn)生鐵的主要來(lái)源，外置散熱板是鋁的主要來(lái)源、變流器散熱板是銅的主要來(lái)源，焊接材料是鋅的主要來(lái)源。在水冷系統(tǒng)流道內(nèi)壁中發(fā)現(xiàn)了金屬腐蝕情況，主要是腐蝕源為冷卻液，受到腐蝕的離子與其他金屬離子結(jié)合，所產(chǎn)生的沉淀物不溶于冷卻液，隨著機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，在流道內(nèi)壁上長(zhǎng)期堆積固化，影響冷卻液的順暢流通，減少了冷卻液的流量，無(wú)法帶走過(guò)多的熱能，導(dǎo)致部件熱能無(wú)法及時(shí)排除，出現(xiàn)過(guò)溫現(xiàn)象［2］。

目前，市場(chǎng)中風(fēng)電機(jī)組專(zhuān)用冷卻液產(chǎn)品較少、價(jià)格高，很多風(fēng)場(chǎng)都是采用汽車(chē)用的冷卻液，而通過(guò)分析汽車(chē)專(zhuān)用的冷卻液相關(guān)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，其中包含了對(duì)鐵、鋁、銅、鋅等金屬的防腐要求，正常情況下使用冷卻液不會(huì)對(duì)風(fēng)電機(jī)組水冷系統(tǒng)造成負(fù)面影響，因此表明水冷系統(tǒng)中的冷卻液已經(jīng)失效或失去了防腐能力，這也是造成機(jī)組水冷系統(tǒng)過(guò)溫的根本原因。

2.2 冷卻液失效原因分析

目前，市場(chǎng)上絕大部分冷卻液都是由乙二醇、丙二醇、添加劑、水按照相關(guān)比例混合而成的產(chǎn)品，可以在低溫環(huán)境下保持良好的流動(dòng)性，并且行業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)冷卻液中不得添加無(wú)機(jī)物、金屬離子。部分冷卻液生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的冷卻液存在質(zhì)量隱患，增加了冷卻液長(zhǎng)期使用產(chǎn)生質(zhì)變的概率。從冷卻液技術(shù)參數(shù)指標(biāo)方面分析，可從以下幾點(diǎn)出發(fā)：

（1）顏色。冷卻液中包含了乙二醇、水等材料，混合液為透明色，為了區(qū)分于日常引用瓶裝水，廠家會(huì)向混合液中加入顏色，也可以根據(jù)冷卻液顏色變化判定是否存在變質(zhì)情況。如果水冷系統(tǒng)的冷卻液存在變質(zhì)問(wèn)題，冷卻液觀感上較為渾濁、不清澈，這是因?yàn)槔鋮s液中含有較多顆粒元素造成的結(jié)果。

（2）氣味。醇類(lèi)是冷卻液制作的主要原料，而絕大部分醇類(lèi)均帶有一定的刺鼻化學(xué)味道。而變質(zhì)的冷卻液會(huì)被微生物分解產(chǎn)生其他化學(xué)物質(zhì)，其氣味也會(huì)隨之產(chǎn)生變化，主要是以惡臭味為主。如果冷卻液變質(zhì)可以通過(guò)聞氣味的方式判定是否變質(zhì)。

（3）密度。設(shè)備出廠冷卻液判定標(biāo)準(zhǔn)為：－45℃環(huán)境下冷卻液密度為1.073～1.075kg／m3，但在日常檢驗(yàn)中由于無(wú)法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)條件或難度較大，一般不采用密度判定冷卻液是否失效。

（4）冰點(diǎn)。冷卻液的核心指標(biāo)之一就是冰點(diǎn)值，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的冷卻液的標(biāo)準(zhǔn)冰點(diǎn)值為－45℃，通過(guò)檢測(cè)冷卻液溫度，如果溫度大于－40℃，基本可以判定冷卻液失效。

（5）沸點(diǎn)。冷卻液在投入使用中的最高溫度值稱(chēng)之為沸點(diǎn)，如果使用環(huán)境溫度在沸點(diǎn)以上就會(huì)導(dǎo)致冷卻液的功能喪失，增加變質(zhì)、揮發(fā)概率。但標(biāo)準(zhǔn)冷卻液和變質(zhì)冷卻液的沸點(diǎn)差距不大，所以一般不用做判定冷卻液失效的依據(jù)［3］。

（6）PH值。冷卻液PH值會(huì)直接影響鋼鐵材料的銹蝕速率。如圖1所示，隨著冷卻液的PH值升高其腐蝕率會(huì)隨之降低，但并不是一味的提升冷卻液PH值就更好，冷卻液的堿性提升會(huì)加速氧化物的溶解速率，會(huì)間接造成鋼鐵材料腐蝕，所以有效控制冷卻液的PH值有助于減緩金屬材料冷卻速率。

圖1 鐵-水體系的電位-PH圖

金屬材料腐蝕速率主要是受金屬氧化物在不同PH值當(dāng)中的溶解速率，并且由于金屬材質(zhì)不同其所適應(yīng)的PH值也存在差異。如圖1所示，線(xiàn)3、線(xiàn)4、線(xiàn)5左側(cè)為腐蝕區(qū)域，線(xiàn)1、線(xiàn)6下部是金屬穩(wěn)定區(qū)域，其他區(qū)域?yàn)殁g化區(qū)域，根據(jù)金屬腐蝕特性，鈍化區(qū)較為理想，但難以掌控。而穩(wěn)定區(qū)可控性更強(qiáng)，所以應(yīng)盡可能控制在腐蝕區(qū)域［4］。PH值會(huì)直接影響金屬材料的腐蝕速率，嚴(yán)格控制冷風(fēng)液的PH值范圍，可以減緩金屬材料的腐蝕速率。市面上大部分冷卻液的PH值范圍為7.5～11，如果檢測(cè)風(fēng)電機(jī)組冷卻液PH值低于7.5，則表明冷卻液已經(jīng)失效，會(huì)加速金屬腐蝕效率。

（7）玻璃器皿腐蝕試驗(yàn)。如圖2所示，玻璃器皿腐蝕試驗(yàn)是檢測(cè)冷卻液防腐性能的方法，通過(guò)采用該項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)試，分析冷卻液中是否存在金屬腐蝕超標(biāo)參數(shù)，如果最終檢測(cè)結(jié)果表明金屬腐蝕超標(biāo)，則表示冷卻液的金屬防腐性能失效，在投入使用中會(huì)加速金屬腐蝕速率，造成水路遭受腐蝕、脫落、聚集、堵塞。

圖2 玻璃器皿試驗(yàn)中金屬腐蝕圖

（8）模擬使用腐蝕試驗(yàn)。模擬水冷系統(tǒng)在運(yùn)行中，水泵、存儲(chǔ)器、散熱器、軟管等部件運(yùn)行環(huán)境情況，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為88℃，并在此溫度、水流量的基礎(chǔ)上持續(xù)運(yùn)行1000h以上，觀察試片腐蝕情況，從而判定冷卻液性能是否滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)。

（9）儲(chǔ)備堿度。為了長(zhǎng)時(shí)間保證冷卻液PH值長(zhǎng)期處在7.5～11之間，需要做好儲(chǔ)備堿度工作，這也是確保冷卻液具有防腐性能的重要保障。

（10）氯含量。冷卻液中包含了一定的氯離子，而氯含量也是評(píng)價(jià)冷卻液性能的重要指標(biāo)之一，氯含量過(guò)高會(huì)加速金屬腐蝕速率，要求冷卻液氯含量不超過(guò)60mg／kg，最佳氯含量為25mg／kg［5］。氯離子在水路腐蝕中主要是起到催化作用，這是因?yàn)槁入x子具有較強(qiáng)的滲透能力，化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的物質(zhì)具有較強(qiáng)親水性，在溶液中以離子狀態(tài)存在。金屬表面由于氯離子的滲透，與金屬和水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氯化鐵溶于冷卻液當(dāng)中，反復(fù)作用無(wú)法消耗冷卻液當(dāng)中的氯，所生成的化合物也難以溶解，從而造成金屬腐蝕。如果冷卻液在出廠時(shí)或投入使用前氯含量并未超標(biāo)，而冷卻液在使用中的氯含量超標(biāo)主要是因?yàn)橛米詠?lái)水清洗發(fā)電機(jī)組水路，再加上發(fā)電機(jī)組水路較為復(fù)雜，導(dǎo)致清洗的自來(lái)水無(wú)法全部排出，自來(lái)水中包含氯離子，無(wú)法排出的自來(lái)水存留在水冷系統(tǒng)中，從而造成腐蝕問(wèn)題。

（11）鋁泵氣穴腐蝕。如果泵體、葉片均采用了鋁制品，葉片在高速旋轉(zhuǎn)下，冷卻液會(huì)形成氣泡，并逐漸乳化，從而造成鋁制泵體、葉片出現(xiàn)腐蝕問(wèn)題，腐蝕的葉片會(huì)影響導(dǎo)流性能，腐蝕較為嚴(yán)重的情況會(huì)直接造成葉片損壞。

3 風(fēng)電機(jī)組水冷系統(tǒng)維護(hù)措施

3.1 定期更換冷卻液

冷卻液規(guī)定使用壽命為3年，所以向水冷系統(tǒng)中加入冷卻液應(yīng)記錄時(shí)間，在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維期間如果冷卻液使用時(shí)間即將超過(guò)3年，需要更換新的冷卻液，避免冷卻液出現(xiàn)變質(zhì)情況。

3.2 冷卻液變質(zhì)更換

如果水冷系統(tǒng)的冷卻液出現(xiàn)變質(zhì)問(wèn)題，需要停機(jī)排除變質(zhì)的冷卻液，并清洗水路系統(tǒng)，除去水路系統(tǒng)中的水垢、鐵銹、油質(zhì)。完成清洗之后將水路系統(tǒng)烘干后再加入新的冷卻液。

3.3 冷卻液風(fēng)場(chǎng)檢測(cè)

在水冷系統(tǒng)運(yùn)行中應(yīng)定期進(jìn)行冷卻液性能檢測(cè)，通過(guò)觀察、性能測(cè)試判定冷卻液性能是否達(dá)標(biāo)。首先，觀察冷卻液的顏色，正常情況下冷卻液應(yīng)為清澈的紅色，如果冷卻液顏色變成淡黃色則表明已經(jīng)變質(zhì)。其次，聞冷卻液的味道，正常的冷卻液散發(fā)一種并不刺激的味道，如果聞到冷卻液出現(xiàn)刺激性味道或臭味則表明已經(jīng)變質(zhì)。再次，檢測(cè)冷卻液冰點(diǎn)，取出水冷系統(tǒng)中少量冷卻液放入到冰點(diǎn)儀器當(dāng)中檢測(cè)，冷卻液冰點(diǎn)在－40℃以下時(shí)表明沒(méi)有變質(zhì)，否則判定冷卻液已經(jīng)變質(zhì)［6］。最后，檢測(cè)冷卻液的PH值，PH值是保證冷卻液防腐性能指標(biāo)的重要參數(shù)，使用高精度試紙檢測(cè)冷卻液的PH值，要求冷卻液PH值在7.5～11之間，超出該范圍表明冷卻液已經(jīng)失效。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，風(fēng)電機(jī)組水冷系統(tǒng)過(guò)溫的根本原因是冷卻液失效或變質(zhì)造成的結(jié)果，由于冷卻液失效會(huì)加速水路腐蝕，造成水路堵塞，影響水冷系統(tǒng)的冷卻效能，從而造成水冷系統(tǒng)過(guò)溫現(xiàn)象。這就需要正確使用冷卻液，選擇質(zhì)量好的冷卻液產(chǎn)品，并對(duì)系統(tǒng)中冷卻液定期更換，從而降低水冷系統(tǒng)過(guò)溫故障發(fā)生概率。