风电机组水冷系统过温的原因解析

周世银 黄廷甫 李成锋

（华能国际电力股份有限公司贵州清洁能源分公司）

0 引言

随着我国电力体制改革不断深化，风能发电已经成为我国电力系统的重要组成部分，加大了对风能资源的利用率。并且在新型技术的支撑下，风电机组市场不断推出新型设备，机组功率也随之提升，由低瓦数向高瓦数方向发展。高瓦数机组的运行效率更高，有助于降低能源浪费量，但也要看到高瓦机组运行功率大，给风电机组散热系统提出了更高的挑战，传统风冷系统已经无法满足高瓦机组散热要求。同时，目前很多风电机组在运行中存在水冷系统过温现象，增加风电机组运行风险。这就需要对风电机组水冷系统过温原因进行分析，并采取有效的应对措施。

1 问题的提出

某品牌风电机组中的水冷系统用于变流器、发电机降温作用。水冷系统主要是由水泵、散热板、管路、发电机集成散热板、变流器集成散热板构成。风电场装有该品牌风电机组规模达到上千台，在持续运行4年后，传感器检测到风场中发电机组存在变流器、发电机运行温度过高等情况，系统自动降低运行功率，影响风电产能。通过后续排查发现是由于变流器、发电机水冷系统存在堵塞现象，影响水循环导致无法起到良好的制冷效果。通过对故障风电机组水冷系统进行抽样检测发现，所有水冷系统的冷却液均已经变质。

2 原因分析

2.1 水冷系统失效原因分析

本次案例中的风电机组水冷系统制冷效能不足主要是由于冷却液流量不符合制冷标准。技术人员通过拆解水冷系统后发现，内部流道上有非常多的杂质，部分流道已经被杂质几乎堵死，该通道几乎没有冷却液流动，冷却液无法带动热量到散热区域排出热量［1］。可见，本次水冷系统性能下降主要是因为杂质堵塞流道造成的结果。

对杂质取样分析（光谱分析法），显示杂质中主要物质为金属元素，包括铁、铝、铜、锌等。进一步深入分析这些杂质的来源，发现发电机内部流道是产生铁的主要来源，外置散热板是铝的主要来源、变流器散热板是铜的主要来源，焊接材料是锌的主要来源。在水冷系统流道内壁中发现了金属腐蚀情况，主要是腐蚀源为冷却液，受到腐蚀的离子与其他金属离子结合，所产生的沉淀物不溶于冷却液，随着机组长时间运行，在流道内壁上长期堆积固化，影响冷却液的顺畅流通，减少了冷却液的流量，无法带走过多的热能，导致部件热能无法及时排除，出现过温现象［2］。

目前，市场中风电机组专用冷却液产品较少、价格高，很多风场都是采用汽车用的冷却液，而通过分析汽车专用的冷却液相关生产标准发现，其中包含了对铁、铝、铜、锌等金属的防腐要求，正常情况下使用冷却液不会对风电机组水冷系统造成负面影响，因此表明水冷系统中的冷却液已经失效或失去了防腐能力，这也是造成机组水冷系统过温的根本原因。

2.2 冷却液失效原因分析

目前，市场上绝大部分冷却液都是由乙二醇、丙二醇、添加剂、水按照相关比例混合而成的产品，可以在低温环境下保持良好的流动性，并且行业生产标准冷却液中不得添加无机物、金属离子。部分冷却液生产厂家所生产的冷却液存在质量隐患，增加了冷却液长期使用产生质变的概率。从冷却液技术参数指标方面分析，可从以下几点出发：

（1）颜色。冷却液中包含了乙二醇、水等材料，混合液为透明色，为了区分于日常引用瓶装水，厂家会向混合液中加入颜色，也可以根据冷却液颜色变化判定是否存在变质情况。如果水冷系统的冷却液存在变质问题，冷却液观感上较为浑浊、不清澈，这是因为冷却液中含有较多颗粒元素造成的结果。

（2）气味。醇类是冷却液制作的主要原料，而绝大部分醇类均带有一定的刺鼻化学味道。而变质的冷却液会被微生物分解产生其他化学物质，其气味也会随之产生变化，主要是以恶臭味为主。如果冷却液变质可以通过闻气味的方式判定是否变质。

（3）密度。设备出厂冷却液判定标准为：－45℃环境下冷却液密度为1.073～1.075kg／m3，但在日常检验中由于无法实现检测条件或难度较大，一般不采用密度判定冷却液是否失效。

（4）冰点。冷却液的核心指标之一就是冰点值，标准规格的冷却液的标准冰点值为－45℃，通过检测冷却液温度，如果温度大于－40℃，基本可以判定冷却液失效。

（5）沸点。冷却液在投入使用中的最高温度值称之为沸点，如果使用环境温度在沸点以上就会导致冷却液的功能丧失，增加变质、挥发概率。但标准冷却液和变质冷却液的沸点差距不大，所以一般不用做判定冷却液失效的依据［3］。

（6）PH值。冷却液PH值会直接影响钢铁材料的锈蚀速率。如图1所示，随着冷却液的PH值升高其腐蚀率会随之降低，但并不是一味的提升冷却液PH值就更好，冷却液的碱性提升会加速氧化物的溶解速率，会间接造成钢铁材料腐蚀，所以有效控制冷却液的PH值有助于减缓金属材料冷却速率。

图1 铁-水体系的电位-PH图

金属材料腐蚀速率主要是受金属氧化物在不同PH值当中的溶解速率，并且由于金属材质不同其所适应的PH值也存在差异。如图1所示，线3、线4、线5左侧为腐蚀区域，线1、线6下部是金属稳定区域，其他区域为钝化区域，根据金属腐蚀特性，钝化区较为理想，但难以掌控。而稳定区可控性更强，所以应尽可能控制在腐蚀区域［4］。PH值会直接影响金属材料的腐蚀速率，严格控制冷风液的PH值范围，可以减缓金属材料的腐蚀速率。市面上大部分冷却液的PH值范围为7.5～11，如果检测风电机组冷却液PH值低于7.5，则表明冷却液已经失效，会加速金属腐蚀效率。

（7）玻璃器皿腐蚀试验。如图2所示，玻璃器皿腐蚀试验是检测冷却液防腐性能的方法，通过采用该项试验测试，分析冷却液中是否存在金属腐蚀超标参数，如果最终检测结果表明金属腐蚀超标，则表示冷却液的金属防腐性能失效，在投入使用中会加速金属腐蚀速率，造成水路遭受腐蚀、脱落、聚集、堵塞。

图2 玻璃器皿试验中金属腐蚀图

（8）模拟使用腐蚀试验。模拟水冷系统在运行中，水泵、存储器、散热器、软管等部件运行环境情况，实验环境温度为88℃，并在此温度、水流量的基础上持续运行1000h以上，观察试片腐蚀情况，从而判定冷却液性能是否满足标准。

（9）储备碱度。为了长时间保证冷却液PH值长期处在7.5～11之间，需要做好储备碱度工作，这也是确保冷却液具有防腐性能的重要保障。

（10）氯含量。冷却液中包含了一定的氯离子，而氯含量也是评价冷却液性能的重要指标之一，氯含量过高会加速金属腐蚀速率，要求冷却液氯含量不超过60mg／kg，最佳氯含量为25mg／kg［5］。氯离子在水路腐蚀中主要是起到催化作用，这是因为氯离子具有较强的渗透能力，化学反应所产生的物质具有较强亲水性，在溶液中以离子状态存在。金属表面由于氯离子的渗透，与金属和水发生化学反应，产生氯化铁溶于冷却液当中，反复作用无法消耗冷却液当中的氯，所生成的化合物也难以溶解，从而造成金属腐蚀。如果冷却液在出厂时或投入使用前氯含量并未超标，而冷却液在使用中的氯含量超标主要是因为用自来水清洗发电机组水路，再加上发电机组水路较为复杂，导致清洗的自来水无法全部排出，自来水中包含氯离子，无法排出的自来水存留在水冷系统中，从而造成腐蚀问题。

（11）铝泵气穴腐蚀。如果泵体、叶片均采用了铝制品，叶片在高速旋转下，冷却液会形成气泡，并逐渐乳化，从而造成铝制泵体、叶片出现腐蚀问题，腐蚀的叶片会影响导流性能，腐蚀较为严重的情况会直接造成叶片损坏。

3 风电机组水冷系统维护措施

3.1 定期更换冷却液

冷却液规定使用寿命为3年，所以向水冷系统中加入冷却液应记录时间，在风电机组运维期间如果冷却液使用时间即将超过3年，需要更换新的冷却液，避免冷却液出现变质情况。

3.2 冷却液变质更换

如果水冷系统的冷却液出现变质问题，需要停机排除变质的冷却液，并清洗水路系统，除去水路系统中的水垢、铁锈、油质。完成清洗之后将水路系统烘干后再加入新的冷却液。

3.3 冷却液风场检测

在水冷系统运行中应定期进行冷却液性能检测，通过观察、性能测试判定冷却液性能是否达标。首先，观察冷却液的颜色，正常情况下冷却液应为清澈的红色，如果冷却液颜色变成淡黄色则表明已经变质。其次，闻冷却液的味道，正常的冷却液散发一种并不刺激的味道，如果闻到冷却液出现刺激性味道或臭味则表明已经变质。再次，检测冷却液冰点，取出水冷系统中少量冷却液放入到冰点仪器当中检测，冷却液冰点在－40℃以下时表明没有变质，否则判定冷却液已经变质［6］。最后，检测冷却液的PH值，PH值是保证冷却液防腐性能指标的重要参数，使用高精度试纸检测冷却液的PH值，要求冷却液PH值在7.5～11之间，超出该范围表明冷却液已经失效。

4 结束语

综上所述，风电机组水冷系统过温的根本原因是冷却液失效或变质造成的结果，由于冷却液失效会加速水路腐蚀，造成水路堵塞，影响水冷系统的冷却效能，从而造成水冷系统过温现象。这就需要正确使用冷却液，选择质量好的冷却液产品，并对系统中冷却液定期更换，从而降低水冷系统过温故障发生概率。