高效全焊式板式空空冷卻器在海上大功率風(fēng)電機(jī)組的應(yīng)用

摘 要：介紹了各類(lèi)型大功率海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組應(yīng)用的主要優(yōu)勢(shì)，并展望了其應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：海上大功率風(fēng)電機(jī)組;全焊式板式空空冷卻器;耐腐蝕性;耐磨性

0? ? 引言

隨著風(fēng)電機(jī)組的功率越來(lái)越大并伴隨著海上風(fēng)電機(jī)組成為風(fēng)力發(fā)電行業(yè)越來(lái)越重要的一個(gè)發(fā)展方向，機(jī)組的冷卻問(wèn)題越來(lái)越凸顯出來(lái)。如何采用更加高效、可靠的冷卻方式給機(jī)組散熱，是各主機(jī)廠(chǎng)家和冷卻設(shè)備制造商都非常關(guān)注的重要課題。

1? ? 現(xiàn)狀

1.1? ? 現(xiàn)有海上大功率機(jī)組換熱的基本情況

按照發(fā)電機(jī)類(lèi)型來(lái)分，主流的海上大功率機(jī)組有雙饋式、鼠籠式、半直驅(qū)、直驅(qū)幾種技術(shù)路線(xiàn)。各類(lèi)機(jī)組的散熱方式主要有開(kāi)放式過(guò)濾空氣直冷、穿管式強(qiáng)迫空空冷、套片式換熱器強(qiáng)迫空水冷、定子內(nèi)水冷、板式空空冷等形式。其中，板式空空冷卻器根據(jù)換熱器的設(shè)計(jì)平臺(tái)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(duì)以上幾種主流類(lèi)型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的冷卻方式進(jìn)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(yōu)點(diǎn)較為突出。相比于穿管式強(qiáng)迫空空冷、套片式強(qiáng)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(nèi)水冷，因?yàn)闆](méi)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(kāi)放式過(guò)濾空氣直冷板式換熱器，板式換熱可以隔絕內(nèi)外風(fēng)路且無(wú)需定期更換耗材，擁有更高的可靠性。

2? ? 兩種類(lèi)型板式空空冷卻器的比較

板式空空冷卻器以其傳熱系數(shù)高、耐腐蝕、對(duì)數(shù)平均溫差大、空間小、末端溫差小、污垢系數(shù)低、容易改變換熱面積或流程組合等優(yōu)勢(shì)，非常適合在海上大功率風(fēng)電機(jī)組上應(yīng)用，特別適用于直驅(qū)、半直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組。

在我司將全焊式板式空空冷卻器應(yīng)用到海上大功率機(jī)組之前，類(lèi)似的風(fēng)電機(jī)組大多采用的是翻邊扣壓式結(jié)構(gòu)的板式空空冷卻器。我們從換熱片成型技術(shù)、材料選擇、泄漏率、耐受壓差、耐腐蝕性等方面對(duì)這兩種類(lèi)型的空冷器進(jìn)行了分析和比較。

2.1? ? 換熱片成型技術(shù)

翻邊扣壓式結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，必要時(shí)會(huì)在翻邊扣壓過(guò)程中涂密封膠，而全焊式板式換熱器的板片成型技術(shù)是焊接。兩種結(jié)構(gòu)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(zhì)的比較

2.2.1? ? 換熱板片材質(zhì)

翻邊扣壓式板式冷卻器的換熱器板片材質(zhì)可以選擇1050、1100、1200、3102、8006、8011等合金鋁材質(zhì)并可加環(huán)氧涂層，也可采用0Cr18Ni9、00Cr17Ni14Mo2等不銹鋼材質(zhì)。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(zhì)，也可選用可靠性更高的2205、Ti等材質(zhì)，一般板片厚度為1 mm左右。

2.2.2? ? 框架及結(jié)構(gòu)件材質(zhì)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(zhì)。

2.3? ? 內(nèi)外風(fēng)路各自泄漏率和互相摻混的比較

因自身結(jié)構(gòu)影響，翻邊扣壓式冷卻器的內(nèi)外風(fēng)路均不可避免地存在著泄漏。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，在標(biāo)準(zhǔn)空氣狀態(tài)下，內(nèi)外循環(huán)側(cè)壓差250 Pa測(cè)試工況下，其內(nèi)部漏風(fēng)率約0.1%;標(biāo)準(zhǔn)空氣狀態(tài)下，內(nèi)外壓差±400 Pa測(cè)試工況下，外部漏風(fēng)率約0.1%;內(nèi)外風(fēng)路的互相摻混實(shí)際可達(dá)0.3%。

全焊式板式空冷器的內(nèi)外風(fēng)路各自完全隔絕，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果，在標(biāo)準(zhǔn)空氣狀態(tài)下，內(nèi)外風(fēng)路分別在0.8 MPa壓力下測(cè)漏，無(wú)泄漏。因?yàn)閮?nèi)外風(fēng)路完全隔絕，也就從源頭上避免了內(nèi)外風(fēng)路的互相交叉。

2.4? ? 耐腐蝕性和耐磨性的比較

通過(guò)材料選擇、涂層等方式的保證，兩種類(lèi)型的冷卻器均擁有良好的耐腐蝕性。不同的裝機(jī)地點(diǎn)有不同的氣候、地理特性，內(nèi)外風(fēng)路中夾雜的顆粒伴隨著快速的氣流會(huì)對(duì)板片產(chǎn)生一定的磨損，從板片本身來(lái)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(nèi)外循環(huán)兩側(cè)耐受最大壓差的比較

翻邊扣壓式冷卻器的內(nèi)外循環(huán)側(cè)耐受的最大壓差以實(shí)際應(yīng)用中內(nèi)外循環(huán)兩側(cè)可能出現(xiàn)的最大壓差的1.5倍為標(biāo)準(zhǔn)，耐受壓差在千帕級(jí)別;全焊式板式冷卻器的內(nèi)外循環(huán)側(cè)耐受的最大壓差以容器設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)，耐受壓差在兆帕級(jí)別，可以耐受臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的內(nèi)外壓差。

2.6? ? 綜合比較

從材料選擇和成型方式來(lái)看，全焊式空冷器擁有更好的機(jī)械強(qiáng)度;從內(nèi)外側(cè)風(fēng)路各自泄漏和互相摻混情況來(lái)看，全焊式冷卻器完全避免了外側(cè)鹽霧空氣進(jìn)入機(jī)艙內(nèi)部，擁有更好的耐腐蝕性;從內(nèi)外循環(huán)兩側(cè)耐受最大壓差的比較來(lái)看，全焊式冷卻器具有更強(qiáng)的魯棒性，更適用于海洋大氣環(huán)境。

3? ? 全焊式板式空空冷卻器在海上風(fēng)電機(jī)組的應(yīng)用及前景

在風(fēng)電機(jī)組的應(yīng)用中，翻邊扣壓式冷卻器通常只能安裝在環(huán)境相對(duì)較好的機(jī)艙內(nèi)部環(huán)境中，全焊式板式冷卻器因其機(jī)械強(qiáng)度更高、耐腐蝕/耐壓差性能更好等特點(diǎn)，具備獨(dú)立安裝于機(jī)艙外側(cè)的條件。通過(guò)將空冷器安裝于機(jī)艙外，可以大大減小機(jī)艙的體積，減少整機(jī)成本，優(yōu)化整機(jī)結(jié)構(gòu)，為海上大功率機(jī)組的散熱提供了更好的解決方案。

近幾年來(lái)，我司設(shè)計(jì)、制造的全焊式板式空空冷卻器，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于6.0 MW級(jí)半直驅(qū)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，運(yùn)行可靠，取得了客戶(hù)的一致好評(píng)。通過(guò)改變流程組合等方式，產(chǎn)品同樣可以應(yīng)用于直驅(qū)、雙饋等風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)和機(jī)艙散熱等領(lǐng)域。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，全焊式板式空空冷卻器在風(fēng)電行業(yè)擁有非常廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和前景，值得大力推廣應(yīng)用。

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收稿日期：2020-04-03

作者簡(jiǎn)介：黃剛（1984—），男，江蘇泰州人，工程師，主要從事散熱冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)、換熱設(shè)備研發(fā)等工作。