風(fēng)電專用冷卻液的研制

楊 兵

中國石化潤滑油有限公司北京研究院

供圖/楊兵

國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)發(fā)展迅速，對風(fēng)電專用冷卻液有大量需求和較高的質(zhì)量要求。本文制定了風(fēng)電專用冷卻液的研制指標(biāo)，以乙二醇和水作為基液，通過對多種緩蝕劑進行復(fù)配，研制了一種風(fēng)電專用冷卻液。研制產(chǎn)品具有突出的金屬腐蝕保護功能，能夠滿足風(fēng)電冷卻設(shè)備較為苛刻的長周期金屬緩蝕性要求，具有較好的市場前景。

風(fēng)能開發(fā)是全球普遍關(guān)注的新能源開發(fā)領(lǐng)域，風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能利用的重要形式。中國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)經(jīng)過多年的快速發(fā)展期，2013年累計裝機量已達到全球第一[1]，成為世界風(fēng)電發(fā)展的主力軍。2017年中國新增裝機容量1 966萬kW，仍居世界首位，達到全球新增裝機量的37%[2]。

對風(fēng)力發(fā)電機的冷卻主要有空冷和液冷兩種方式，功率小于750 kW的機組通常采用空冷，而對于功率大于750 kW的大型風(fēng)電機組，需要采用循環(huán)液冷的方式滿足冷卻需求。2010年，國內(nèi)新增裝機主導(dǎo)功率已達到1.5 MW，占比70%以上，2017年新增裝機主導(dǎo)功率為3 MW，占比60%以上。新增裝機的絕大部分和舊有的大部分機組設(shè)備都有冷卻液的需求。

當(dāng)前國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢為單機容量增大、風(fēng)輪直徑加大、塔架高度上升、控制技術(shù)的進步以及海上風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展。其中，單機容量增大將導(dǎo)致發(fā)電機內(nèi)部各部件的散熱量增加，更多的機組將采用水冷散熱，風(fēng)電冷卻液的用量也將進一步上升。

目前，國內(nèi)風(fēng)電行業(yè)的設(shè)備水平不斷提高，但風(fēng)電冷卻液還沒有相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，市售產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，使用效果難以保證。本文對風(fēng)電專用冷卻液的關(guān)鍵指標(biāo)進行分析，以乙二醇和水作為基液，通過對多種緩蝕劑復(fù)配，研制了一種風(fēng)電專用冷卻液。

研制產(chǎn)品性能要求及研制指標(biāo)

風(fēng)力發(fā)電設(shè)備冷卻系統(tǒng)主要分為風(fēng)機冷卻系統(tǒng)和變流器冷卻系統(tǒng)兩部分。冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件包括水泵、水冷板、溫度傳感器等，系統(tǒng)的主要組成材料包括銅、鋼、鋁合金、橡膠等。由于連續(xù)運轉(zhuǎn)時間長，維護困難，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備冷卻系統(tǒng)對冷卻液性能要求較為苛刻，主要體現(xiàn)在對冷卻液的材料兼容和防護能力，以及長時間運轉(zhuǎn)的需求等方面。其中，冷卻液對金屬材料的緩蝕性能是風(fēng)電專用冷卻液的研制重點和難點。因此，針對冷卻液的金屬材料緩蝕性能制定了研制目標(biāo)，包括玻璃器皿腐蝕和鑄鋁合金傳熱腐蝕兩項關(guān)鍵指標(biāo)，見表1。

研制過程

研制產(chǎn)品在乙二醇和去離子水組成的基液中加入緩蝕劑和染料，以滿足對產(chǎn)品金屬緩蝕性能的要求。針對風(fēng)電專用冷卻液對銅、不銹鋼和鋁合金的緩蝕要求，緩蝕劑初步選用脂肪族羧酸A、脂肪族羧酸B、芳香族羧酸A、芳香族羧酸B、陽離子表面活性劑A、陰離子表面活性劑A、雜環(huán)類化合物A、雜環(huán)類化合物B等進行復(fù)配[3，4]。

制定了8種配方配比，其中陽離子表面活性劑和陰離子表面活性劑含量采用經(jīng)驗值a和b。按照SH/T 0085《發(fā)動機冷卻液腐蝕測定法（玻璃器皿法）》的條件，采用黃銅、不銹鋼和鋁合金試片開展玻璃器皿腐蝕試驗；按照SH/T 0620《發(fā)動機冷卻液對傳熱狀態(tài)下的鑄鋁合金腐蝕測定法》，開展鑄鋁合金傳熱腐蝕試驗，對配方進行初步篩選，結(jié)果見表2。

表1 風(fēng)電專用冷卻液研制目標(biāo)

根據(jù)表2的試驗結(jié)果可知，6號配方和8號配方的玻璃器皿腐蝕和鑄鋁合金傳熱腐蝕試驗結(jié)果相對較好，結(jié)果顯示脂肪族羧酸A和B的質(zhì)量比在1∶1的條件下復(fù)配芳香族羧酸A或B均有協(xié)同效應(yīng)，尤其是對難以防護的4系和5系鋁的防護較為明顯。在這兩組配方的基礎(chǔ)上調(diào)整各組分的用量，繼續(xù)開展玻璃器皿腐蝕和鑄鋁合金傳熱腐蝕試驗，結(jié)果見表3。

根據(jù)表3的試驗結(jié)果可知，13號配方和14號配方樣品的試驗結(jié)果滿足表1的研制目標(biāo)，且13號配方樣品的指標(biāo)值優(yōu)于14號配方樣品，且配方成本與14號樣品相當(dāng)，結(jié)果顯示脂肪族羧酸A和B的質(zhì)量比在1:1的條件下復(fù)配加大量的雜環(huán)類化合物A和芳香族羧酸A或B會放大協(xié)同效應(yīng)，這也提示生成配位膜的雜環(huán)化合物與化學(xué)吸附的羧酸化合物對于鋁合金防護的較好協(xié)同[5]。對13號樣品配方重復(fù)開展玻璃器皿腐蝕試驗和鑄鋁合金傳熱腐蝕試驗，結(jié)果見表4。

根據(jù)表4的試驗結(jié)果可知，該配方能夠滿足對風(fēng)電專用冷卻液金屬緩蝕能力的要求，最終確定風(fēng)電專用冷卻液配方，見表5，全分析結(jié)果見表6。

試驗結(jié)果顯示，該配方的性能可以滿足指標(biāo)要求。

結(jié)論

通過在乙二醇和去離子水組成的基液中，對多種類別的緩蝕劑進行復(fù)配，開展金屬腐蝕試驗驗證，研制了一種風(fēng)電專用冷卻液產(chǎn)品。該產(chǎn)品具有突出的金屬腐蝕保護功能，能夠滿足風(fēng)電冷卻設(shè)備較為苛刻的長周期金屬緩蝕性要求，緩蝕劑加劑量低于5%，成本較低，可以滿足客戶的實際使用要求，具有較強的市場競爭力。

表2 1～8號配方樣品試驗結(jié)果

表3 9～14號配方樣品試驗結(jié)果

表4 13號配方樣品重復(fù)試驗結(jié)果

表5 風(fēng)電專用冷卻液配方

表6 風(fēng)電專用冷卻液配方全分析結(jié)果