高效全焊式板式空空冷却器在海上大功率风电机组的应用

摘 要：介绍了各类型大功率海上风力发电机组冷却方式，分析了高效全焊式板式空空冷却器在海上大功率风电机组应用的主要优势，并展望了其应用前景。

关键词：海上大功率风电机组;全焊式板式空空冷却器;耐腐蚀性;耐磨性

0    引言

随着风电机组的功率越来越大并伴随着海上风电机组成为风力发电行业越来越重要的一个发展方向，机组的冷却问题越来越凸显出来。如何采用更加高效、可靠的冷却方式给机组散热，是各主机厂家和冷却设备制造商都非常关注的重要课题。

1    现状

1.1    现有海上大功率机组换热的基本情况

按照发电机类型来分，主流的海上大功率机组有双馈式、鼠笼式、半直驱、直驱几种技术路线。各类机组的散热方式主要有开放式过滤空气直冷、穿管式强迫空空冷、套片式换热器强迫空水冷、定子内水冷、板式空空冷等形式。其中，板式空空冷却器根据换热器的设计平台和制造方式的不同，分为翻边扣压式和全焊式。

1.2    各种冷却形式的比较

从冷却效率、可靠性、可维性等方面对以上几种主流类型的风力发电机组的冷却方式进行了比较，如表1所示。

综合冷却效率、可靠性、可维性等因素，板式空空冷却器的优点较为突出。相比于穿管式强迫空空冷、套片式强迫空水冷，板式换热器有很高的换热效率和很好的可维性;相比于定子内水冷，因为没有液基制冷剂的使用，板式换热具有更高的可靠性;相比于开放式过滤空气直冷板式换热器，板式换热可以隔绝内外风路且无需定期更换耗材，拥有更高的可靠性。

2    两种类型板式空空冷却器的比較

板式空空冷却器以其传热系数高、耐腐蚀、对数平均温差大、空间小、末端温差小、污垢系数低、容易改变换热面积或流程组合等优势，非常适合在海上大功率风电机组上应用，特别适用于直驱、半直驱风电机组。

在我司将全焊式板式空空冷却器应用到海上大功率机组之前，类似的风电机组大多采用的是翻边扣压式结构的板式空空冷却器。我们从换热片成型技术、材料选择、泄漏率、耐受压差、耐腐蚀性等方面对这两种类型的空冷器进行了分析和比较。

2.1    换热片成型技术

翻边扣压式结构的板式换热器板片成型不限于单层和双层，均是利用翻边扣压式结构，必要时会在翻边扣压过程中涂密封胶，而全焊式板式换热器的板片成型技术是焊接。两种结构的板片成型示意图如图1、图2所示。

2.2    两种形式的冷却器选用材质的比较

2.2.1    换热板片材质

翻边扣压式板式冷却器的换热器板片材质可以选择1050、1100、1200、3102、8006、8011等合金铝材质并可加环氧涂层，也可采用0Cr18Ni9、00Cr17Ni14Mo2等不锈钢材质。受限于板片的翻边和扣压工艺，一般板片厚度为0.2 mm左右。全焊式板式空冷器的换热器板片可采用0Cr18Ni9、00Cr17Ni14Mo2等不锈钢材质，也可选用可靠性更高的2205、Ti等材质，一般板片厚度为1 mm左右。

2.2.2    框架及结构件材质的选用

两种形式的冷却器板材均可采用碳钢、镀锌板、不锈钢等材质。

2.3    内外风路各自泄漏率和互相掺混的比较

因自身结构影响，翻边扣压式冷却器的内外风路均不可避免地存在着泄漏。根据实验室数据，在标准空气状态下，内外循环侧压差250 Pa测试工况下，其内部漏风率约0.1%;标准空气状态下，内外压差±400 Pa测试工况下，外部漏风率约0.1%;内外风路的互相掺混实际可达0.3%。

全焊式板式空冷器的内外风路各自完全隔绝，根据实验室测试结果，在标准空气状态下，内外风路分别在0.8 MPa压力下测漏，无泄漏。因为内外风路完全隔绝，也就从源头上避免了内外风路的互相交叉。

2.4    耐腐蚀性和耐磨性的比较

通过材料选择、涂层等方式的保证，两种类型的冷却器均拥有良好的耐腐蚀性。不同的装机地点有不同的气候、地理特性，内外风路中夹杂的颗粒伴随着快速的气流会对板片产生一定的磨损，从板片本身来看，全焊式板式空冷器材料更厚，也就拥有了更大的腐蚀裕度和更好的耐磨性。

2.5    内外循环两侧耐受最大压差的比较

翻边扣压式冷却器的内外循环侧耐受的最大压差以实际应用中内外循环两侧可能出现的最大压差的1.5倍为标准，耐受压差在千帕级别;全焊式板式冷却器的内外循环侧耐受的最大压差以容器设计为标准，耐受压差在兆帕级别，可以耐受台风带来的内外压差。

2.6    综合比较

从材料选择和成型方式来看，全焊式空冷器拥有更好的机械强度;从内外侧风路各自泄漏和互相掺混情况来看，全焊式冷却器完全避免了外侧盐雾空气进入机舱内部，拥有更好的耐腐蚀性;从内外循环两侧耐受最大压差的比较来看，全焊式冷却器具有更强的鲁棒性，更适用于海洋大气环境。

3    全焊式板式空空冷却器在海上风电机组的应用及前景

在风电机组的应用中，翻边扣压式冷却器通常只能安装在环境相对较好的机舱内部环境中，全焊式板式冷却器因其机械强度更高、耐腐蚀/耐压差性能更好等特点，具备独立安装于机舱外侧的条件。通过将空冷器安装于机舱外，可以大大减小机舱的体积，减少整机成本，优化整机结构，为海上大功率机组的散热提供了更好的解决方案。

近几年来，我司设计、制造的全焊式板式空空冷却器，已经广泛应用于6.0 MW级半直驱海上风力发电机组，运行可靠，取得了客户的一致好评。通过改变流程组合等方式，产品同样可以应用于直驱、双馈等风力发电机组的发电机和机舱散热等领域。

4    结语

综上所述，全焊式板式空空冷却器在风电行业拥有非常广阔的应用领域和前景，值得大力推广应用。

[参考文献]

[1] 程宝华，李先瑞.板式换热器及换热装置技术应用手册[M].北京：中国建筑工业工业出版社，2005.

[2] 马小明，钱颂文，朱冬生，等.管壳式换热器[M].北京：中国石化出版社，2010.

[3] 孙智，任耀剑，隋艳伟.失效分析——基础与应用[M].2版.北京：机械工业出版社，2017.

[4] 板式热交换器：NB 47004—2009[S].

收稿日期：2020-04-03

作者简介：黄刚（1984—），男，江苏泰州人，工程师，主要从事散热冷却系统设计、换热设备研发等工作。