淺談變頻器水冷系統維護

呂紅志/德昌風電開發有限公司

淺談變頻器水冷系統維護

呂紅志/德昌風電開發有限公司

文章描述了對于大型風力發電機組變頻器水冷系統在日常維護中發現的一些問題，以水冷系統冷卻液為突破口，針對其濃度、溫度對變頻器冷卻效果的影響進行分析，并歸納總結了其因地制宜地對水冷系統進行維護改造的一些方法，從而提高變頻器冷卻效果，降低機組故障率。

風力發電；水冷系統；冷卻液；維護

引言

隨著我國大型風力發電行業的快速發展，兆瓦級風電機組正朝著更大容量的趨勢發展，占據市場主力的1.5MW機型也將逐漸被2.0MW、2.5MW等大容量機組取代。由于變頻器在交流-整流-逆變的每個過程都會發熱，特別是逆變過程會產生大量的熱，變頻器功率更大則意味著發熱更加嚴重，因此，比風冷散熱效率更加突出的水冷系統是目前大功率變頻器的主要冷卻方式。在我風場所有風電機組中，各變頻器廠家均采用的水冷系統方式。在設備選型、其內部性能既定的條件下，如何通過變頻器水冷系統的載體——“冷卻液”，分析其對整個水冷系統的影響，結合我們風電場自身情況，對變頻器水冷系統開展因地制宜地維護和優化工作，是我在本文中分析和闡述的主要內容。

1.系統原理

變流器水冷系統主要分為內循環和外循環兩大系統，內外循環之間設有熱交換器，進行熱能量交換。內循環是整套水冷系統的核心，它通過水泵經管路向變頻器的整流、逆變模板及電抗器等設備的冷卻板內部注入循環水，對設備進行冷卻；而外循環則是從外部接入一套循環水系統，將變頻器產生的熱量通過內循環經外部熱交換器（散熱器）即時交換出去。恒定壓力和流速的冷卻介質（冷卻液）源源不斷流經發熱體帶走熱量，溫升冷卻介質由高壓循環泵的進口經室外空氣散熱器與冷空氣進行熱交換，散熱后的冷卻介質再循環進入發熱體，形成一個密閉式循環系統。

2.冷卻液

2.1冷卻液的組成

冷卻液是變頻器冷卻系統的冷卻介質，由乙二醇與水按比例混合而成。乙二醇是一種無色微粘的液體，沸點是197.4℃，冰點是-11.5℃，能與水任意比例混合，混合后由于改變了冷卻水的蒸氣壓，從而使冰點顯著降低。其降低的程度在一定范圍內隨乙二醇的含量增加而下降，但是當乙二醇的含量為60％時，冰點可降低至-48.3℃，超過這個極限時，冰點反而要上升。因此冷卻液中的乙二醇濃度一般在0～60％之間。

2.2冷卻液的作用

可見，添加了乙二醇的冷卻液，其主要作用是降低冷卻液的冰點，起到防凍的效果。除此之此，冷卻液還應具有防腐蝕性、沸點高、防垢、導電率低等特點。而乙二醇的濃度與冷卻液的冷卻效果并無關系，眾所周知，水的比熱容是相對較高的，一定質量的水升高（或降低）一定溫度所吸熱（或放熱）很多，因此水被廣泛用作冷卻劑或取暖物。根據：

公式①： Q=c·m·△T

(Q為吸收（或放出）的熱量；c為比熱容；m是物體的質量，Δ T是吸熱（或放熱）后溫度所上升（或下降）值)

可知，同樣質量的物體吸收相同的熱量時，比熱容較大的物體溫升較小。

表一　乙二醇水溶液比熱容表

由表一可知，冷卻液中乙二醇濃度越高，其比熱容值越小，而純水的比熱容是最大的，根據公式①可知，在變頻器水冷液流速恒定等前提下，若冷卻液不考慮防凍效果的話，用純水做冷卻液，相同溫升（△T）下，水冷液吸收的熱量最多。因此純水是最為理想狀態下的冷卻劑，但考慮冷卻液需具備防凍效果，因此又必須添加乙二醇，但是濃度多少合適呢，這既要考慮冷卻液的冰點，又要兼顧冷卻液的冷卻效果。

2.3現場實際情況分析

經檢測我風場三期機組變頻器水冷系統冷卻液中的乙二醇濃度為60％，因此其冰點可達到—48.3℃，但是當機組在長時間滿負荷運行狀態下，變頻器便普遍開始報IGBT模塊過熱故障。通過抽樣實驗對比，將臨近機組冷卻液濃度稀釋到20％，再與未稀釋濃度（60％）的機組進行運行對比，兩者的冷卻效果差異非常明顯。

2015年5月22日，風場平均風速到達11m/s左右，戶外溫度25℃，三期機組已滿發運行兩個小時左右。對三期機組變頻器IGBT模塊溫度以及冷卻液入口、出口溫度進行記錄和對比：冷卻液已稀釋機組的IGBT模塊溫度基本上維持在55～65℃之間，而乙二醇濃度為60％的機組IGBT模塊溫度基本都在70℃以上，臨近溫度報警值（80℃）。通過多次數據對比，已稀釋機組IGBT模塊溫度都明顯低于未稀釋機組，同樣伴隨的現象還有：稀釋后流出的冷卻液出口溫度明顯比未稀釋的高，經熱交換器冷卻后的變頻器進口冷卻液溫度，稀釋后的冷卻液進口溫度比未稀釋的低。

實驗證明，乙二醇濃度太高，并不利于變頻器冷卻，而且影響效果十分明顯。主要原因有四點：

①濃度越高，比熱容越小，冷卻液在流經發熱模塊的時候，吸收的熱量少；

②當高濃度冷卻液流經熱交換器的時候，其釋放的熱量也相對較少，因此液體冷卻效果并不明顯，當冷卻液經熱交換器冷卻完后（溫度下降并不明顯）再循環至變頻器內部對發熱設備進行冷卻，如此反復惡性循環，冷卻效果越來越差，尤其是機組滿負荷運行時間越長的情況下，IGBT模塊溫度或冷卻液溫度就會逐漸升高達到溫度保護停機值；

③高濃度的乙二醇冷卻液，其粘度大、阻力大，在管道內的流動性不好，使得循環泵在保持相同轉速下，管道流速下降，流量隨之降低，冷卻效果也將大打折扣；

④當外循環的熱交換器由于外部環境（空氣溫度高、散熱片堵塞）導致自身冷卻效果降低，對冷卻液降溫效果不明顯的情況下，同樣會導致機組報冷卻液溫度高或模塊過熱等故障。

2.4現場維護措施

因此，結合我風場實際情況，我們對所有高濃度冷卻液開展了稀釋工作。我風場氣候屬于亞熱帶季風季風，全年氣溫偏高，年最低溫度接近于0℃左右，最高溫度接近40℃左右，因此極少有冬天結冰的天氣出現，將乙二醇冷卻液稀釋到20％左右，冷卻液冰點為—9℃左右，完全有足夠的余量能夠保證冬季冷卻液防凍的作用。

其次，我風場夏季氣溫高，紫外線強，置于室外的熱交換器在太陽的暴曬中，對其冷卻效果也有不少的影響。尤其是我風場處于居民活動頻繁的農田間，每年農民耕作時焚燒大量的草木灰和空氣中的沙塵經常容易進入熱交換器的散熱片縫隙中，造成堵塞，通風效果受到嚴重影響，使冷卻液熱交換能力明顯下降，機組通常在這個季節容易報變頻器冷卻液溫度高。因此我們在日常維護工作中，需定期對熱交換器進行清洗工作。

3.結語

對于變頻器水冷系統的日常維護工作，我們主要就是圍繞冷卻液的一系列問題開展的。建議各風場應根據所在地的氣候條件，因地制宜的調整冷卻液的乙二醇濃度。每月應對冷卻管路定期巡視，檢查管接頭及水管是否有滲漏，防止漏液造成設備短路；檢查冷卻液壓力是否正常，必須保證冷卻液全部充滿管路，液體中不能有大量氣泡存在，若有氣體應采取措施排氣；檢查三通閥是否處于中間工作位置。夏季應根據設備運行情況，定期對熱交換器進行散熱器的沖洗工作。冷卻液建議沒三年進行一次更換，更換時必須清洗干凈過濾器。