風(fēng)電水冷系統(tǒng)中氣囊式膨脹罐失效分析

倪安業(yè)，陳栩坤，任 凱，何政平

(湖南高涵熱管理技術(shù)有限公司，湖南 岳陽 414000)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，IGBT模塊會(huì)發(fā)出大量的熱，為保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常穩(wěn)定運(yùn)行，必須采取相應(yīng)的冷卻措施對(duì)其進(jìn)行有效的散熱，以避免IGBT模塊因溫度過高而發(fā)生熱失效。常見的冷卻方式有風(fēng)冷和水冷兩種，由于水的強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)高達(dá)15000W/(m2·K)，是氣體強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)的百倍以上，因此對(duì)于大功率電力電子設(shè)備，采用水冷的方式冷卻效率更高[1]。

目前，裝機(jī)容量為2MW及以上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組普遍采用水冷的方式進(jìn)行散熱。風(fēng)電水冷系統(tǒng)為密閉式循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，隨著環(huán)境溫度的變化，水冷系統(tǒng)中工作介質(zhì)的溫度也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，并在體積上產(chǎn)生熱脹冷縮現(xiàn)象，由此造成水冷系統(tǒng)壓力變化。尤其當(dāng)工作介質(zhì)膨脹時(shí)，如果不能將與膨脹體積相當(dāng)?shù)乃颗懦鱿到y(tǒng)，則系統(tǒng)內(nèi)將產(chǎn)生很大的壓力，使系統(tǒng)超壓，會(huì)造成系統(tǒng)管道及設(shè)備的損壞或降低使用壽命[2]。

為解決上述問題，風(fēng)電水冷系統(tǒng)中通常會(huì)設(shè)置氣囊式膨脹罐來緩沖工作介質(zhì)的熱脹冷縮體積變化。但根據(jù)目前現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，膨脹罐失效已然成為風(fēng)電水冷系統(tǒng)最常見的失效模式之一，喪失應(yīng)有的緩沖穩(wěn)壓能力，導(dǎo)致水冷系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組被迫停機(jī)，其產(chǎn)生的負(fù)面影響不容小覷。因此，對(duì)膨脹罐進(jìn)行失效分析具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 膨脹罐穩(wěn)壓原理

風(fēng)電水冷系統(tǒng)中氣囊式膨脹罐存在四種典型的狀態(tài)：a)預(yù)充壓力狀態(tài)；b)補(bǔ)液至系統(tǒng)靜壓狀態(tài)；c)最低溫狀態(tài)；d)最高溫狀態(tài)。四種不同狀態(tài)下膨脹罐的形態(tài)如圖1所示：

水冷系統(tǒng)運(yùn)行前，會(huì)先通過膨脹罐底部的氣嘴對(duì)其進(jìn)行預(yù)充氣壓，常見預(yù)充壓力P0的大小為1.2bar，在預(yù)充壓力作用下，膨脹罐氣囊被完全壓縮，此時(shí)膨脹罐容積全部被預(yù)充氣體所占據(jù)。隨后，會(huì)通過補(bǔ)水泄空閥向系統(tǒng)中進(jìn)行補(bǔ)液，直至系統(tǒng)靜壓Pi為2.0bar，在補(bǔ)液過程中，會(huì)有部分液體進(jìn)入并儲(chǔ)存到膨脹罐氣囊里，膨脹罐內(nèi)的預(yù)充氣體被擠壓，壓力增大，直至與系統(tǒng)靜壓達(dá)到平衡，此時(shí)膨脹罐氣囊內(nèi)外液體壓力與氣體壓力均為系統(tǒng)靜壓Pi，膨脹罐容積被液體和預(yù)充氣體共同占據(jù)。

圖1 氣囊式膨脹罐緩沖穩(wěn)壓原理

在補(bǔ)液完成后，水冷系統(tǒng)即可投入運(yùn)行，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，隨著環(huán)境溫度的變化，系統(tǒng)中工作介質(zhì)的溫度也會(huì)隨之變化，并發(fā)生熱脹冷縮現(xiàn)象。以最低溫和最高溫兩種極端工況為例：在最低溫狀態(tài)下，系統(tǒng)中的工作介質(zhì)發(fā)生收縮，體積減小，壓力減小，此時(shí)膨脹罐氣囊里儲(chǔ)存的液體會(huì)補(bǔ)充到系統(tǒng)中，使整個(gè)密閉式水冷卻系統(tǒng)保持充滿液體的狀態(tài)，同時(shí)，由于有膨脹罐氣囊內(nèi)的液體補(bǔ)充到系統(tǒng)中，使得水冷系統(tǒng)壓力不至過小。在最高溫狀態(tài)下，系統(tǒng)中的工作介質(zhì)發(fā)生膨脹，體積增大，壓力增大，此時(shí)膨脹水量會(huì)通過管路進(jìn)入到膨脹罐氣囊里，膨脹罐內(nèi)預(yù)充氣體被壓縮直至與系統(tǒng)壓力達(dá)到平衡，使得水冷系統(tǒng)壓力不至過大。正是因?yàn)橛信蛎浌薜木彌_穩(wěn)壓作用，才能保證水冷系統(tǒng)在不同溫度工況下始終保持充滿液體的狀態(tài)，并且壓力不至于過低或過高，進(jìn)而保證水冷系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

2 膨脹罐失效分析

根據(jù)水冷系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和膨脹罐穩(wěn)壓原理可以得出，氣囊式膨脹罐要實(shí)現(xiàn)緩沖穩(wěn)壓功能，必須滿足如下幾個(gè)條件：(1)補(bǔ)液至系統(tǒng)靜壓時(shí)，膨脹罐氣囊內(nèi)儲(chǔ)存的水量足以補(bǔ)充系統(tǒng)工作介質(zhì)在低溫時(shí)的體積縮小量；(2)低溫環(huán)境下系統(tǒng)壓力不能過小，水泵入口壓力需大于最低入口壓力要求，以避免水泵發(fā)生氣蝕；(3)補(bǔ)液后膨脹罐剩余腔體容積足以容納工作介質(zhì)在高溫時(shí)的體積膨脹量；(4)高溫環(huán)境下膨脹罐內(nèi)氣體壓力須小于膨脹罐最大容許壓力值；(5)高溫環(huán)境下系統(tǒng)壓力不能過大，被冷卻器件入口壓力需小于最大允許壓力值，以避免對(duì)設(shè)備造成損壞。由于膨脹罐內(nèi)氣壓直接影響系統(tǒng)壓力大小，因此，條件(4)和(5)可綜合表述為高溫環(huán)境下膨脹罐內(nèi)氣體壓力需小于某一特定壓力限值。

設(shè)補(bǔ)液至系統(tǒng)靜壓時(shí)膨脹罐氣囊內(nèi)儲(chǔ)存的水量為V儲(chǔ)水，補(bǔ)液后膨脹罐剩余腔體容積為Vi，由理想氣體狀態(tài)方程得：

式中，R為摩爾氣體常數(shù)，其值為R=8.3145J/(mol·K)。

在最低溫環(huán)境下，水冷系統(tǒng)工作介質(zhì)體積縮小量△V減為：

假設(shè)最低溫環(huán)境下，膨脹罐內(nèi)氣體壓力為Pmin，則：

由理想氣體狀態(tài)方程

在最高溫環(huán)境下，水冷系統(tǒng)工作介質(zhì)體積膨脹量△V增為：

假設(shè)最高溫環(huán)境下，膨脹罐內(nèi)氣體壓力為Pmax，則：

由理想氣體狀態(tài)方程

根據(jù)上述分析可知，膨脹罐要實(shí)現(xiàn)緩沖穩(wěn)壓功能，須在極端環(huán)境溫度下同時(shí)滿足壓力條件和容積條件，即：

其中，Pmi表示防止水泵發(fā)生氣蝕的最低壓力限值，Pma表示防止水冷系統(tǒng)壓力過高的最高壓力限值。

以某一套具體的風(fēng)電水冷系統(tǒng)為例，系統(tǒng)總水容量為200L，選用容積為24L的氣囊式膨脹罐，分析其在不同環(huán)境溫度下預(yù)充氣壓和補(bǔ)液至系統(tǒng)靜壓對(duì)膨脹罐緩沖穩(wěn)壓性能的影響。圖2和圖3分別展示了該系統(tǒng)應(yīng)用于我國南、北地區(qū)時(shí)水冷系統(tǒng)及膨脹罐內(nèi)的壓力和水量變化關(guān)系。

由圖2可以看出，在四季溫度變化范圍為5～40℃的南方地區(qū)，不論在何時(shí)進(jìn)行預(yù)充氣壓1.2bar和補(bǔ)液至系統(tǒng)靜壓2.0bar，始終能滿足V儲(chǔ)水>ΔV減和Vi>ΔV增的容積條件，且系統(tǒng)最小壓力Pmin在1.14～2.00bar范圍內(nèi)不至過小，能有效避免水泵發(fā)生氣蝕，系統(tǒng)最大壓力Pmax在2.35～4.21bar范圍內(nèi)變化，當(dāng)Pmax≥4bar時(shí)，系統(tǒng)壓力偏大，存在對(duì)設(shè)備造成損壞的風(fēng)險(xiǎn)。由圖3可以看到，在四季溫度變化范圍為-30～40℃的北方地區(qū)，若在超過25℃環(huán)境溫度時(shí)進(jìn)行預(yù)充氣壓1.2bar和補(bǔ)液至系統(tǒng)靜壓2.0bar，會(huì)造成V儲(chǔ)水<ΔV減，即補(bǔ)液時(shí)膨脹罐氣囊內(nèi)儲(chǔ)存的水量不足以補(bǔ)充低溫環(huán)境下系統(tǒng)工作介質(zhì)的體積縮小量，不滿足容積條件。另一方面，在環(huán)境溫度15℃以上采用1.2bar和2.0bar的參數(shù)進(jìn)行預(yù)充氣壓和補(bǔ)液操作時(shí)，會(huì)造成系統(tǒng)最小壓力Pmin偏低，在1.0bar以下，容易引起水泵氣蝕，對(duì)水泵和系統(tǒng)造成損壞。在環(huán)境溫度-5℃以下采用1.2bar和2.0bar的參數(shù)進(jìn)行預(yù)充氣壓和補(bǔ)液操作時(shí)，會(huì)造成系統(tǒng)最大壓力Pmax偏高甚至超高，容易對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)管道造成損壞。此外，由于壓力超高，還會(huì)引起膨脹罐密封部件的變形或松動(dòng)，導(dǎo)致泄漏。

可見，同樣是預(yù)充氣壓1.2bar和補(bǔ)液至系統(tǒng)靜壓2.0bar，但環(huán)境溫度不同，膨脹罐的緩沖穩(wěn)壓效果也不盡相同，在環(huán)境溫度變化范圍較小的地區(qū)，膨脹罐接近同時(shí)滿足低溫和高溫下的容積條件和壓力條件，但在環(huán)境溫度變化范圍較大的地區(qū)，當(dāng)在不同溫度下進(jìn)行預(yù)充氣壓和補(bǔ)液至系統(tǒng)靜壓的操作時(shí)，則明顯不能保證膨脹罐同時(shí)滿足容積條件和壓力條件，膨脹罐容易失效，喪失應(yīng)有的緩沖穩(wěn)壓功能，使得水冷系統(tǒng)不能保持充滿液體的狀態(tài)，并出現(xiàn)壓力超高或超低，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備造成損壞。

圖2 南方地區(qū)膨脹罐緩沖穩(wěn)壓分析

圖3 北方地區(qū)膨脹罐緩沖穩(wěn)壓分析

3 結(jié)語

傳統(tǒng)風(fēng)電水冷系統(tǒng)中氣囊式膨脹罐的選型計(jì)算，都只考慮了常溫20℃或25℃下進(jìn)行預(yù)充氣壓和補(bǔ)液至系統(tǒng)靜壓時(shí)，水冷系統(tǒng)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的壓力變化和工作介質(zhì)體積變化，因此，選用的膨脹罐只能保證在20℃或25℃進(jìn)行預(yù)充氣壓和補(bǔ)液時(shí)實(shí)現(xiàn)緩沖穩(wěn)壓功能。但工程實(shí)際中，預(yù)充氣壓和補(bǔ)液操作具有時(shí)間上的不確定性，可能是在任意溫度下進(jìn)行的。當(dāng)預(yù)充氣壓和補(bǔ)液操作不在常溫下進(jìn)行時(shí)，膨脹罐就存在發(fā)生失效的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是在四季溫差較大的地區(qū)。

本文分析了不同地區(qū)不同溫度下進(jìn)行預(yù)充氣壓和補(bǔ)液操作對(duì)水冷系統(tǒng)壓力變化和工作介質(zhì)體積變化的影響，找到了膨脹罐失效的根本原因在于不同環(huán)境溫度時(shí)膨脹罐無法同時(shí)滿足容積條件和壓力條件，為后續(xù)風(fēng)電水冷系統(tǒng)中氣囊式膨脹罐的選型計(jì)算提供了新思路，即選型計(jì)算時(shí)，需全面考慮不同溫度下進(jìn)行預(yù)充氣壓和補(bǔ)液操作對(duì)系統(tǒng)壓力和介質(zhì)體積變化的影響，保證所選用膨脹罐滿足在任意溫度下進(jìn)行預(yù)充氣壓和補(bǔ)液操作時(shí)，均能實(shí)現(xiàn)緩沖穩(wěn)壓功能，避免膨脹罐發(fā)生失效，保障風(fēng)電水冷系統(tǒng)的持續(xù)正常穩(wěn)定運(yùn)行。