风电水冷系统中气囊式膨胀罐失效分析

倪安业，陈栩坤，任 凯，何政平

(湖南高涵热管理技术有限公司，湖南 岳阳 414000)

风力发电机组在运行过程中，IGBT模块会发出大量的热，为保证风力发电机组的正常稳定运行，必须采取相应的冷却措施对其进行有效的散热，以避免IGBT模块因温度过高而发生热失效。常见的冷却方式有风冷和水冷两种，由于水的强制对流换热系数高达15000W/(m2·K)，是气体强制对流换热系数的百倍以上，因此对于大功率电力电子设备，采用水冷的方式冷却效率更高[1]。

目前，装机容量为2MW及以上的风力发电机组普遍采用水冷的方式进行散热。风电水冷系统为密闭式循环水冷却系统，随着环境温度的变化，水冷系统中工作介质的温度也会相应发生变化，并在体积上产生热胀冷缩现象，由此造成水冷系统压力变化。尤其当工作介质膨胀时，如果不能将与膨胀体积相当的水量排出系统，则系统内将产生很大的压力，使系统超压，会造成系统管道及设备的损坏或降低使用寿命[2]。

为解决上述问题，风电水冷系统中通常会设置气囊式膨胀罐来缓冲工作介质的热胀冷缩体积变化。但根据目前现场运行经验，膨胀罐失效已然成为风电水冷系统最常见的失效模式之一，丧失应有的缓冲稳压能力，导致水冷系统无法正常运行，风力发电机组被迫停机，其产生的负面影响不容小觑。因此，对膨胀罐进行失效分析具有十分重要的现实意义。

1 膨胀罐稳压原理

风电水冷系统中气囊式膨胀罐存在四种典型的状态：a)预充压力状态；b)补液至系统静压状态；c)最低温状态；d)最高温状态。四种不同状态下膨胀罐的形态如图1所示：

水冷系统运行前，会先通过膨胀罐底部的气嘴对其进行预充气压，常见预充压力P0的大小为1.2bar，在预充压力作用下，膨胀罐气囊被完全压缩，此时膨胀罐容积全部被预充气体所占据。随后，会通过补水泄空阀向系统中进行补液，直至系统静压Pi为2.0bar，在补液过程中，会有部分液体进入并储存到膨胀罐气囊里，膨胀罐内的预充气体被挤压，压力增大，直至与系统静压达到平衡，此时膨胀罐气囊内外液体压力与气体压力均为系统静压Pi，膨胀罐容积被液体和预充气体共同占据。

图1 气囊式膨胀罐缓冲稳压原理

在补液完成后，水冷系统即可投入运行，在系统运行过程中，随着环境温度的变化，系统中工作介质的温度也会随之变化，并发生热胀冷缩现象。以最低温和最高温两种极端工况为例：在最低温状态下，系统中的工作介质发生收缩，体积减小，压力减小，此时膨胀罐气囊里储存的液体会补充到系统中，使整个密闭式水冷却系统保持充满液体的状态，同时，由于有膨胀罐气囊内的液体补充到系统中，使得水冷系统压力不至过小。在最高温状态下，系统中的工作介质发生膨胀，体积增大，压力增大，此时膨胀水量会通过管路进入到膨胀罐气囊里，膨胀罐内预充气体被压缩直至与系统压力达到平衡，使得水冷系统压力不至过大。正是因为有膨胀罐的缓冲稳压作用，才能保证水冷系统在不同温度工况下始终保持充满液体的状态，并且压力不至于过低或过高，进而保证水冷系统的正常稳定运行。

2 膨胀罐失效分析

根据水冷系统运行经验和膨胀罐稳压原理可以得出，气囊式膨胀罐要实现缓冲稳压功能，必须满足如下几个条件：(1)补液至系统静压时，膨胀罐气囊内储存的水量足以补充系统工作介质在低温时的体积缩小量；(2)低温环境下系统压力不能过小，水泵入口压力需大于最低入口压力要求，以避免水泵发生气蚀；(3)补液后膨胀罐剩余腔体容积足以容纳工作介质在高温时的体积膨胀量；(4)高温环境下膨胀罐内气体压力须小于膨胀罐最大容许压力值；(5)高温环境下系统压力不能过大，被冷却器件入口压力需小于最大允许压力值，以避免对设备造成损坏。由于膨胀罐内气压直接影响系统压力大小，因此，条件(4)和(5)可综合表述为高温环境下膨胀罐内气体压力需小于某一特定压力限值。

设补液至系统静压时膨胀罐气囊内储存的水量为V储水，补液后膨胀罐剩余腔体容积为Vi，由理想气体状态方程得：

式中，R为摩尔气体常数，其值为R=8.3145J/(mol·K)。

在最低温环境下，水冷系统工作介质体积缩小量△V减为：

假设最低温环境下，膨胀罐内气体压力为Pmin，则：

由理想气体状态方程

在最高温环境下，水冷系统工作介质体积膨胀量△V增为：

假设最高温环境下，膨胀罐内气体压力为Pmax，则：

由理想气体状态方程

根据上述分析可知，膨胀罐要实现缓冲稳压功能，须在极端环境温度下同时满足压力条件和容积条件，即：

其中，Pmi表示防止水泵发生气蚀的最低压力限值，Pma表示防止水冷系统压力过高的最高压力限值。

以某一套具体的风电水冷系统为例，系统总水容量为200L，选用容积为24L的气囊式膨胀罐，分析其在不同环境温度下预充气压和补液至系统静压对膨胀罐缓冲稳压性能的影响。图2和图3分别展示了该系统应用于我国南、北地区时水冷系统及膨胀罐内的压力和水量变化关系。

由图2可以看出，在四季温度变化范围为5～40℃的南方地区，不论在何时进行预充气压1.2bar和补液至系统静压2.0bar，始终能满足V储水>ΔV减和Vi>ΔV增的容积条件，且系统最小压力Pmin在1.14～2.00bar范围内不至过小，能有效避免水泵发生气蚀，系统最大压力Pmax在2.35～4.21bar范围内变化，当Pmax≥4bar时，系统压力偏大，存在对设备造成损坏的风险。由图3可以看到，在四季温度变化范围为-30～40℃的北方地区，若在超过25℃环境温度时进行预充气压1.2bar和补液至系统静压2.0bar，会造成V储水<ΔV减，即补液时膨胀罐气囊内储存的水量不足以补充低温环境下系统工作介质的体积缩小量，不满足容积条件。另一方面，在环境温度15℃以上采用1.2bar和2.0bar的参数进行预充气压和补液操作时，会造成系统最小压力Pmin偏低，在1.0bar以下，容易引起水泵气蚀，对水泵和系统造成损坏。在环境温度-5℃以下采用1.2bar和2.0bar的参数进行预充气压和补液操作时，会造成系统最大压力Pmax偏高甚至超高，容易对设备和系统管道造成损坏。此外，由于压力超高，还会引起膨胀罐密封部件的变形或松动，导致泄漏。

可见，同样是预充气压1.2bar和补液至系统静压2.0bar，但环境温度不同，膨胀罐的缓冲稳压效果也不尽相同，在环境温度变化范围较小的地区，膨胀罐接近同时满足低温和高温下的容积条件和压力条件，但在环境温度变化范围较大的地区，当在不同温度下进行预充气压和补液至系统静压的操作时，则明显不能保证膨胀罐同时满足容积条件和压力条件，膨胀罐容易失效，丧失应有的缓冲稳压功能，使得水冷系统不能保持充满液体的状态，并出现压力超高或超低，对系统设备造成损坏。

图2 南方地区膨胀罐缓冲稳压分析

图3 北方地区膨胀罐缓冲稳压分析

3 结语

传统风电水冷系统中气囊式膨胀罐的选型计算，都只考虑了常温20℃或25℃下进行预充气压和补液至系统静压时，水冷系统在整个温度范围内的压力变化和工作介质体积变化，因此，选用的膨胀罐只能保证在20℃或25℃进行预充气压和补液时实现缓冲稳压功能。但工程实际中，预充气压和补液操作具有时间上的不确定性，可能是在任意温度下进行的。当预充气压和补液操作不在常温下进行时，膨胀罐就存在发生失效的风险，尤其是在四季温差较大的地区。

本文分析了不同地区不同温度下进行预充气压和补液操作对水冷系统压力变化和工作介质体积变化的影响，找到了膨胀罐失效的根本原因在于不同环境温度时膨胀罐无法同时满足容积条件和压力条件，为后续风电水冷系统中气囊式膨胀罐的选型计算提供了新思路，即选型计算时，需全面考虑不同温度下进行预充气压和补液操作对系统压力和介质体积变化的影响，保证所选用膨胀罐满足在任意温度下进行预充气压和补液操作时，均能实现缓冲稳压功能，避免膨胀罐发生失效，保障风电水冷系统的持续正常稳定运行。