風電機組水冷系統過溫的原因解析

周世銀 黃廷甫 李成鋒

（華能國際電力股份有限公司貴州清潔能源分公司）

0 引言

隨著我國電力體制改革不斷深化，風能發電已經成為我國電力系統的重要組成部分，加大了對風能資源的利用率。并且在新型技術的支撐下，風電機組市場不斷推出新型設備，機組功率也隨之提升，由低瓦數向高瓦數方向發展。高瓦數機組的運行效率更高，有助于降低能源浪費量，但也要看到高瓦機組運行功率大，給風電機組散熱系統提出了更高的挑戰，傳統風冷系統已經無法滿足高瓦機組散熱要求。同時，目前很多風電機組在運行中存在水冷系統過溫現象，增加風電機組運行風險。這就需要對風電機組水冷系統過溫原因進行分析，并采取有效的應對措施。

1 問題的提出

某品牌風電機組中的水冷系統用于變流器、發電機降溫作用。水冷系統主要是由水泵、散熱板、管路、發電機集成散熱板、變流器集成散熱板構成。風電場裝有該品牌風電機組規模達到上千臺，在持續運行4年后，傳感器檢測到風場中發電機組存在變流器、發電機運行溫度過高等情況，系統自動降低運行功率，影響風電產能。通過后續排查發現是由于變流器、發電機水冷系統存在堵塞現象，影響水循環導致無法起到良好的制冷效果。通過對故障風電機組水冷系統進行抽樣檢測發現，所有水冷系統的冷卻液均已經變質。

2 原因分析

2.1 水冷系統失效原因分析

本次案例中的風電機組水冷系統制冷效能不足主要是由于冷卻液流量不符合制冷標準。技術人員通過拆解水冷系統后發現，內部流道上有非常多的雜質，部分流道已經被雜質幾乎堵死，該通道幾乎沒有冷卻液流動，冷卻液無法帶動熱量到散熱區域排出熱量［1］。可見，本次水冷系統性能下降主要是因為雜質堵塞流道造成的結果。

對雜質取樣分析（光譜分析法），顯示雜質中主要物質為金屬元素，包括鐵、鋁、銅、鋅等。進一步深入分析這些雜質的來源，發現發電機內部流道是產生鐵的主要來源，外置散熱板是鋁的主要來源、變流器散熱板是銅的主要來源，焊接材料是鋅的主要來源。在水冷系統流道內壁中發現了金屬腐蝕情況，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合，所產生的沉淀物不溶于冷卻液，隨著機組長時間運行，在流道內壁上長期堆積固化，影響冷卻液的順暢流通，減少了冷卻液的流量，無法帶走過多的熱能，導致部件熱能無法及時排除，出現過溫現象［2］。

目前，市場中風電機組專用冷卻液產品較少、價格高，很多風場都是采用汽車用的冷卻液，而通過分析汽車專用的冷卻液相關生產標準發現，其中包含了對鐵、鋁、銅、鋅等金屬的防腐要求，正常情況下使用冷卻液不會對風電機組水冷系統造成負面影響，因此表明水冷系統中的冷卻液已經失效或失去了防腐能力，這也是造成機組水冷系統過溫的根本原因。

2.2 冷卻液失效原因分析

目前，市場上絕大部分冷卻液都是由乙二醇、丙二醇、添加劑、水按照相關比例混合而成的產品，可以在低溫環境下保持良好的流動性，并且行業生產標準冷卻液中不得添加無機物、金屬離子。部分冷卻液生產廠家所生產的冷卻液存在質量隱患，增加了冷卻液長期使用產生質變的概率。從冷卻液技術參數指標方面分析，可從以下幾點出發：

（1）顏色。冷卻液中包含了乙二醇、水等材料，混合液為透明色，為了區分于日常引用瓶裝水，廠家會向混合液中加入顏色，也可以根據冷卻液顏色變化判定是否存在變質情況。如果水冷系統的冷卻液存在變質問題，冷卻液觀感上較為渾濁、不清澈，這是因為冷卻液中含有較多顆粒元素造成的結果。

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

（3）密度。設備出廠冷卻液判定標準為：－45℃環境下冷卻液密度為1.073～1.075kg／m3，但在日常檢驗中由于無法實現檢測條件或難度較大，一般不采用密度判定冷卻液是否失效。

（4）冰點。冷卻液的核心指標之一就是冰點值，標準規格的冷卻液的標準冰點值為－45℃，通過檢測冷卻液溫度，如果溫度大于－40℃，基本可以判定冷卻液失效。

（5）沸點。冷卻液在投入使用中的最高溫度值稱之為沸點，如果使用環境溫度在沸點以上就會導致冷卻液的功能喪失，增加變質、揮發概率。但標準冷卻液和變質冷卻液的沸點差距不大，所以一般不用做判定冷卻液失效的依據［3］。

（6）PH值。冷卻液PH值會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加速氧化物的溶解速率，會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值當中的溶解速率，并且由于金屬材質不同其所適應的PH值也存在差異。如圖1所示，線3、線4、線5左側為腐蝕區域，線1、線6下部是金屬穩定區域，其他區域為鈍化區域，根據金屬腐蝕特性，鈍化區較為理想，但難以掌控。而穩定區可控性更強，所以應盡可能控制在腐蝕區域［4］。PH值會直接影響金屬材料的腐蝕速率，嚴格控制冷風液的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，如果檢測風電機組冷卻液PH值低于7.5，則表明冷卻液已經失效，會加速金屬腐蝕效率。

（7）玻璃器皿腐蝕試驗。如圖2所示，玻璃器皿腐蝕試驗是檢測冷卻液防腐性能的方法，通過采用該項試驗測試，分析冷卻液中是否存在金屬腐蝕超標參數，如果最終檢測結果表明金屬腐蝕超標，則表示冷卻液的金屬防腐性能失效，在投入使用中會加速金屬腐蝕速率，造成水路遭受腐蝕、脫落、聚集、堵塞。

圖2 玻璃器皿試驗中金屬腐蝕圖

（8）模擬使用腐蝕試驗。模擬水冷系統在運行中，水泵、存儲器、散熱器、軟管等部件運行環境情況，實驗環境溫度為88℃，并在此溫度、水流量的基礎上持續運行1000h以上，觀察試片腐蝕情況，從而判定冷卻液性能是否滿足標準。

（9）儲備堿度。為了長時間保證冷卻液PH值長期處在7.5～11之間，需要做好儲備堿度工作，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，而氯含量也是評價冷卻液性能的重要指標之一，氯含量過高會加速金屬腐蝕速率，要求冷卻液氯含量不超過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，這是因為氯離子具有較強的滲透能力，化學反應所產生的物質具有較強親水性，在溶液中以離子狀態存在。金屬表面由于氯離子的滲透，與金屬和水發生化學反應，產生氯化鐵溶于冷卻液當中，反復作用無法消耗冷卻液當中的氯，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或投入使用前氯含量并未超標，而冷卻液在使用中的氯含量超標主要是因為用自來水清洗發電機組水路，再加上發電機組水路較為復雜，導致清洗的自來水無法全部排出，自來水中包含氯離子，無法排出的自來水存留在水冷系統中，從而造成腐蝕問題。

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

3 風電機組水冷系統維護措施

3.1 定期更換冷卻液

冷卻液規定使用壽命為3年，所以向水冷系統中加入冷卻液應記錄時間，在風電機組運維期間如果冷卻液使用時間即將超過3年，需要更換新的冷卻液，避免冷卻液出現變質情況。

3.2 冷卻液變質更換

如果水冷系統的冷卻液出現變質問題，需要停機排除變質的冷卻液，并清洗水路系統，除去水路系統中的水垢、鐵銹、油質。完成清洗之后將水路系統烘干后再加入新的冷卻液。

3.3 冷卻液風場檢測

在水冷系統運行中應定期進行冷卻液性能檢測，通過觀察、性能測試判定冷卻液性能是否達標。首先，觀察冷卻液的顏色，正常情況下冷卻液應為清澈的紅色，如果冷卻液顏色變成淡黃色則表明已經變質。其次，聞冷卻液的味道，正常的冷卻液散發一種并不刺激的味道，如果聞到冷卻液出現刺激性味道或臭味則表明已經變質。再次，檢測冷卻液冰點，取出水冷系統中少量冷卻液放入到冰點儀器當中檢測，冷卻液冰點在－40℃以下時表明沒有變質，否則判定冷卻液已經變質［6］。最后，檢測冷卻液的PH值，PH值是保證冷卻液防腐性能指標的重要參數，使用高精度試紙檢測冷卻液的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失效。

4 結束語

綜上所述，風電機組水冷系統過溫的根本原因是冷卻液失效或變質造成的結果，由于冷卻液失效會加速水路腐蝕，造成水路堵塞，影響水冷系統的冷卻效能，從而造成水冷系統過溫現象。這就需要正確使用冷卻液，選擇質量好的冷卻液產品，并對系統中冷卻液定期更換，從而降低水冷系統過溫故障發生概率。