高效全焊式板式空空冷卻器在海上大功率風電機組的應用

摘 要：介紹了各類型大功率海上風力發電機組冷卻方式，分析了高效全焊式板式空空冷卻器在海上大功率風電機組應用的主要優勢，并展望了其應用前景。

關鍵詞：海上大功率風電機組;全焊式板式空空冷卻器;耐腐蝕性;耐磨性

0? ? 引言

隨著風電機組的功率越來越大并伴隨著海上風電機組成為風力發電行業越來越重要的一個發展方向，機組的冷卻問題越來越凸顯出來。如何采用更加高效、可靠的冷卻方式給機組散熱，是各主機廠家和冷卻設備制造商都非常關注的重要課題。

1? ? 現狀

1.1? ? 現有海上大功率機組換熱的基本情況

按照發電機類型來分，主流的海上大功率機組有雙饋式、鼠籠式、半直驅、直驅幾種技術路線。各類機組的散熱方式主要有開放式過濾空氣直冷、穿管式強迫空空冷、套片式換熱器強迫空水冷、定子內水冷、板式空空冷等形式。其中，板式空空冷卻器根據換熱器的設計平臺和制造方式的不同，分為翻邊扣壓式和全焊式。

1.2? ? 各種冷卻形式的比較

從冷卻效率、可靠性、可維性等方面對以上幾種主流類型的風力發電機組的冷卻方式進行了比較，如表1所示。

綜合冷卻效率、可靠性、可維性等因素，板式空空冷卻器的優點較為突出。相比于穿管式強迫空空冷、套片式強迫空水冷，板式換熱器有很高的換熱效率和很好的可維性;相比于定子內水冷，因為沒有液基制冷劑的使用，板式換熱具有更高的可靠性;相比于開放式過濾空氣直冷板式換熱器，板式換熱可以隔絕內外風路且無需定期更換耗材，擁有更高的可靠性。

2? ? 兩種類型板式空空冷卻器的比較

板式空空冷卻器以其傳熱系數高、耐腐蝕、對數平均溫差大、空間小、末端溫差小、污垢系數低、容易改變換熱面積或流程組合等優勢，非常適合在海上大功率風電機組上應用，特別適用于直驅、半直驅風電機組。

在我司將全焊式板式空空冷卻器應用到海上大功率機組之前，類似的風電機組大多采用的是翻邊扣壓式結構的板式空空冷卻器。我們從換熱片成型技術、材料選擇、泄漏率、耐受壓差、耐腐蝕性等方面對這兩種類型的空冷器進行了分析和比較。

2.1? ? 換熱片成型技術

翻邊扣壓式結構的板式換熱器板片成型不限于單層和雙層，均是利用翻邊扣壓式結構，必要時會在翻邊扣壓過程中涂密封膠，而全焊式板式換熱器的板片成型技術是焊接。兩種結構的板片成型示意圖如圖1、圖2所示。

2.2? ? 兩種形式的冷卻器選用材質的比較

2.2.1? ? 換熱板片材質

翻邊扣壓式板式冷卻器的換熱器板片材質可以選擇1050、1100、1200、3102、8006、8011等合金鋁材質并可加環氧涂層，也可采用0Cr18Ni9、00Cr17Ni14Mo2等不銹鋼材質。受限于板片的翻邊和扣壓工藝，一般板片厚度為0.2 mm左右。全焊式板式空冷器的換熱器板片可采用0Cr18Ni9、00Cr17Ni14Mo2等不銹鋼材質，也可選用可靠性更高的2205、Ti等材質，一般板片厚度為1 mm左右。

2.2.2? ? 框架及結構件材質的選用

兩種形式的冷卻器板材均可采用碳鋼、鍍鋅板、不銹鋼等材質。

2.3? ? 內外風路各自泄漏率和互相摻混的比較

因自身結構影響，翻邊扣壓式冷卻器的內外風路均不可避免地存在著泄漏。根據實驗室數據，在標準空氣狀態下，內外循環側壓差250 Pa測試工況下，其內部漏風率約0.1%;標準空氣狀態下，內外壓差±400 Pa測試工況下，外部漏風率約0.1%;內外風路的互相摻混實際可達0.3%。

全焊式板式空冷器的內外風路各自完全隔絕，根據實驗室測試結果，在標準空氣狀態下，內外風路分別在0.8 MPa壓力下測漏，無泄漏。因為內外風路完全隔絕，也就從源頭上避免了內外風路的互相交叉。

2.4? ? 耐腐蝕性和耐磨性的比較

通過材料選擇、涂層等方式的保證，兩種類型的冷卻器均擁有良好的耐腐蝕性。不同的裝機地點有不同的氣候、地理特性，內外風路中夾雜的顆粒伴隨著快速的氣流會對板片產生一定的磨損，從板片本身來看，全焊式板式空冷器材料更厚，也就擁有了更大的腐蝕裕度和更好的耐磨性。

2.5? ? 內外循環兩側耐受最大壓差的比較

翻邊扣壓式冷卻器的內外循環側耐受的最大壓差以實際應用中內外循環兩側可能出現的最大壓差的1.5倍為標準，耐受壓差在千帕級別;全焊式板式冷卻器的內外循環側耐受的最大壓差以容器設計為標準，耐受壓差在兆帕級別，可以耐受臺風帶來的內外壓差。

2.6? ? 綜合比較

從材料選擇和成型方式來看，全焊式空冷器擁有更好的機械強度;從內外側風路各自泄漏和互相摻混情況來看，全焊式冷卻器完全避免了外側鹽霧空氣進入機艙內部，擁有更好的耐腐蝕性;從內外循環兩側耐受最大壓差的比較來看，全焊式冷卻器具有更強的魯棒性，更適用于海洋大氣環境。

3? ? 全焊式板式空空冷卻器在海上風電機組的應用及前景

在風電機組的應用中，翻邊扣壓式冷卻器通常只能安裝在環境相對較好的機艙內部環境中，全焊式板式冷卻器因其機械強度更高、耐腐蝕/耐壓差性能更好等特點，具備獨立安裝于機艙外側的條件。通過將空冷器安裝于機艙外，可以大大減小機艙的體積，減少整機成本，優化整機結構，為海上大功率機組的散熱提供了更好的解決方案。

近幾年來，我司設計、制造的全焊式板式空空冷卻器，已經廣泛應用于6.0 MW級半直驅海上風力發電機組，運行可靠，取得了客戶的一致好評。通過改變流程組合等方式，產品同樣可以應用于直驅、雙饋等風力發電機組的發電機和機艙散熱等領域。

4? ? 結語

綜上所述，全焊式板式空空冷卻器在風電行業擁有非常廣闊的應用領域和前景，值得大力推廣應用。

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收稿日期：2020-04-03

作者簡介：黃剛（1984—），男，江蘇泰州人，工程師，主要從事散熱冷卻系統設計、換熱設備研發等工作。