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泵驅兩相流技術應用案例現階段我國大力發展可再生資源，風力發電具有良好發展前景，中國陸上70米高度風功率≧300瓦/平方米區域風能資源技術可開發量約為26億千瓦。

一、背景

1.技術應用所屬行業特點、機遇與挑戰

現階段我國大力發展可再生資源，風力發電具有良好發展前景，中國陸上70米高度風功率≧300瓦/平方米區域風能資源技術可開發量約為26億千瓦。海上風能方面，5~25米水深的海域內、50米高度風電可裝機容量2億千萬，5~50米水深、70米高度風電可裝機容量約5億千瓦。按上述數據測算，已併網風能占中國可開發總量的3.48%，中國風電行業任然具有很大的開發空間。且我過政府相繼制定和頒布了一些列優化能源結構法律和規定，要求電網企業全額收購其電網覆蓋範圍內清潔能源發電項目上網電量，並將風電機組列為第一順位。

隨着風電產業的發展，單機容量持續增大已逐步成為技術發展趨勢，而隨着風電發電設備單機容量持續增大，自身發熱量也在急劇增加，對於風電發電設備的熱管理技術要求也在不斷地提高。風電行業採用的散熱方式從最初的簡單可靠的依靠風扇轉動達到散熱的強迫風冷，到現在所採用的外置水泵的水冷散熱。參照冷卻設備行業的冷卻方式的選擇方向，利用熱管的相變換熱將是未來風電系統熱管理散熱系統的發展趨勢。

2.技術應用所解決的行業難點、熱點問題，必要性及重要性

根據現有的老舊機組故障數據。我國風電行業因老舊機組故障損失電量達8240萬kWh。其中變頻器一般性故障占總停機故障中的29.35%，損失電量占總損失電量中的19.66%。而變頻器故障問題中絕大多數都是元器件失效產生的，據相關研究表明[1]，當電子器件的工作溫度範圍在70~80℃的時候，其可靠性會隨着工作溫度每增加1℃時以5%速率的趨勢大幅下降，並且隨着其工作溫度的升高，也會導致其使用壽命大幅降低。根據電子器件故障進行分析研究。由於各種環境因素所導致的設備故障占到了50%以上，而在這其中，由於溫度過高而導致的電子設備故障則占到了55%。

所以對於風電設備來說，由高溫引起的重要電子電器原件頻繁更換甚至變頻器炸機燃燒，機械部件嚴重損耗，使得運維成本居高不下。因此，散熱問題已經成為風電汗液提升發電效率、降低運維成本的阻礙。

現有的風電散熱系統選擇的是液冷冷卻的技術路線，在長時間的使用下，也發現了超溫現象。從實踐來看，存在下述的三大問題：

（1）該散熱系統散熱功率總體偏小，滿足不了變頻器和發電機共同散熱的要求；

（2）由於是變頻器及發電機組共用的一套散熱系統，在這個系統中，發電機組的發熱功率遠高於變頻器，使得系統的散熱能力分配不均衡，散熱介質的熱傳輸功能多被發電機組占用，變頻器得不到充分的散熱；

（3）水冷系統的工作介質為水與乙二醇的混合液。該介質在使用 2~3 年後易在冷凝器、IGBT 冷板內、管路、容器內生成水垢，造成熱傳導能力下降，散熱功效差，迴路堵塞。

為解決風機變頻器過熱後超溫運行問題，將下一代熱管理技術應用於現有風電系統將是必然的技術歷程。

二、應用案例

1.項目概述

四川川潤智能流體技術有限公司所開發的風電用泵驅兩相流散熱系統與蒸氣壓縮式製冷系統相互利用結合。單泵驅動模式時，是通過泵驅動循環工質在管路中的相變流動，將系統中蒸發器上所吸收的熱量，通過循環工質的相變輸送到冷凝器中，並通過冷凝器排放到空氣中去。單泵系統雖然也包括了蒸發器和冷凝器，但是該系統僅僅為以換熱系統，智能將從蒸發器上吸收的熱量傳遞到比蒸發器溫度更低的周圍冷卻介質中去，並不能實現像蒸氣壓縮式製冷系統那樣，產生一個比環境溫度還低的冷源，而單泵驅動與壓縮機驅動模式相比有一個很大的優勢——節能，所以我們在冬季外部環境溫度較低時運行單泵模式能有效節能。相比來說夏天時雖然用了耗能相比高一點的壓縮機系統，但是帶來了更低、更精確的溫度控制。市場上更多見的是單泵系統和單壓縮機系統，我們所開發的系統是讓兩系統的結合，利用各自的優點研發出更能精確控溫、更節能的綜合系統。

2.主要效益

每月因變頻器過溫停機經濟損失：

據現有資料統計，國內風機因變頻器故障停機次數每季度平均為5次，而因為變頻器過溫停機次數每季度平均為3次，可見變頻器過溫是變頻器出現問題的主要因素，每次停機按照檢修1天計算：

單台機組季度經濟損失：3天×2萬元 =6萬元

全年停機檢修和因過熱故障停機推算：

單台機組年經濟損失：6 萬元 ×4個季度=24 萬元

其中 24 萬元的經濟損失，為還不包含人員維修費用、汽車折舊費、汽車用油費用和管理費用 3 萬元。

平均單台發電機的年經濟損失合計約為：27萬元

其中還未計算變頻器因過溫造成元器件損壞，燃燒甚至爆炸引起的不可逆的損失。

三、技術要點

本項目研發主要根據風電行業現實需求完成設計條件的輸入，在主要考慮完成理論散熱能力的情況下，也重視項目的經濟效益、外觀美觀和環保要求。四川川潤智能流體技術有限公司將結合實際開發一種可以使得風機變頻器可以在適宜溫度下運行的冷卻系統。

風電用泵驅兩相流散熱系統由壓縮機、管式單向閥、冷凝器、儲液罐、氟泵、電子膨脹閥、電磁閥、蒸發器和連接管道組成。原理上分為三種運行模式：單壓縮機驅動模式、單氟泵驅動模式和氟泵增壓模式。單壓縮機驅動模式適用於風電變頻器散熱的春、秋兩季的環境溫度條件。單氟泵驅動模式適用於冬天的環境溫度條件。氟泵增壓模式適用於夏季環境溫度在最高時的系統工作條件。再根據實際的系統應用需求如檢查、維護和冷媒補充等。

壓縮機是一種將低壓氣體提升為高壓氣體的從動的流體機械，是迴路系統的心臟，為冷媒的循環提供動力。本系統選用的壓縮機自身配置有變頻電機，可以通過對轉速的調節進行壓縮機流量的調節。而之所以選用此種壓縮機，主要是因為該壓縮機有足夠的散熱能力，且該泵自帶有氣液分離器，可以防止壓縮機出現液積現象，能減少系統內的部件，減小設備體積。

管式膜片單向閥在系統中的作用是在壓縮機或者氟泵運行時，通過壓差作用機械結構自動關閉，這樣可以減少系統裡面的電控部件，還可以提高系統可靠性，有效減小系統發生故障的概率。而相比於活塞式單向閥，管式單向閥更能節約預留空間。

本系統採用的冷凝器是平板式冷凝器。板片型材材質採用有高抗風壓性能、優良耐腐蝕性能、密度小、導熱性能好、強度高不易變形等優點的鋁合金加工而成。

儲液罐設計在冷凝器與乾燥過濾器中間。系統中的儲液罐主要是用來存儲製冷劑的，其次還可以在系統中做蓄能器的作用，壓力變化時可防止衝擊蒸發器。

氟泵，是本系統中的輔助動力設備。所選泵能在6MPa的工況下運行，滿足我們對風電泵驅兩相流散熱系統的設定壓力。

電子膨脹閥利用被調節參數產生的電信號，控制施加於膨脹閥上的電流，進而達到調節供液量的目的。可以實現無極調節製冷系統供液量，擁有調節範圍寬和反應快的優點。

電磁閥在迴路中，處於單壓縮機驅動模式和氟泵增壓模式時電磁閥關閉，處於單氟泵驅動模式時電磁閥打開，對冷媒流向進行引流。

蒸發器為了適用於多型風機，我們利用機箱內現有的蒸發器不做過多改造，對於不同風機的蒸發器，我們選取不同的接口對接，可以有效減少成本和施工時間。

連接管道選用材質為紫銅管。紫銅管具有易於加工成型、穩定性好、耐高溫高壓、耐腐蝕等優點。根據我們系統的流量要求選取管徑。

四、應用前景

與傳統液冷相比，相變冷卻則主要利用了流體在相變換熱過程中所釋放的潛熱，在通常情況下循環工質的潛熱比顯熱要大得多，因此在帶走相同熱量的條件下，通過相變所消耗的循環工質液體流量要比通過單相顯熱傳熱要少得多，這將有利於系統運行的穩定性並減少其運行能耗。而最重要的是，在發生相變換熱的過程中，氣液混合物的溫度能夠維持與一個定製而不變，有利於設備對均勻散熱冷卻的要求，同時有資料顯示，通過相變散熱，在理論上帶走的熱量可以高達到2kW/cm2。因此，通過利用相變換熱的散熱方式來冷卻高產熱功率設備是一種極好的選擇。而根據現有資料顯示，中國空間設計總體部的研究工作者利用以氨為循環工質為的地面實驗中實現了總散熱量4kW，熱流密度高達500W/cm2，控溫精度±1℃的散熱目標。已在工程上驗證相變換熱的換熱方式上的可行性。隨着散熱需求的不斷增長，泵驅兩相流也將會成為未來的應用熱點之一，如何將該類系統小型化、輕量化同時增強系統的運行的可靠性、如何將該類系統與現有風電發電設備更好地結合，也會成為接下來的應用重點。