密闭式水冷系统目前广泛应用于风力发电机产热大部件的冷却，如变频器、发电机等。以大唐国际发电股份有限公司某风电场为例，二期工程湘电XE72-2000型直驱全功率风机变频器全部采用强迫水循环风冷的冷却方式。然而进入春季以来，随着环境气温的逐步升高，高负荷时水冷系统相继出现水冷压力高的缺陷，发电机组不得不降低出力运行。其中最典型的48号风机，每当大风天气时，随着风机负荷的增大，水冷压力值显著升高。当出力超过1000 kW后，水冷压力增至0.45 MPa以上（水冷系统要求运行压力范围0.22~0.40 MPa）^[1]，并仍有升高趋势，严重影响系统出力，而且会出现水冷管接头崩脱、冷却液侵入变频柜等情况，造成系统短路^[2]。

针对上述现象，检修人员通常采取2种解决方法。一是减少冷却液补给量，适当排出冷却液。但是，当风机因故障停运较长时间后，水冷系统温度降低，接近环境温度时，系统压力会出现严重低值，甚至在启机初期由于水冷压力不足、水流量太小导致变频器绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块温度太高而停机。二是考虑到冷却液中可能存在一定量的气体，采取对水冷系统反复排气的方式。但是，从目前运行情况来看，即使经过10次以上循环排气，确定排气阀再无气体排出，运行中仍出现水压高的缺陷。

XE72-2000型风机变频器采用密闭式水循环散热系统，过热液体通过安装在室外的板翅式冷却器进行冷却。根据液体的物理膨胀特性，冷却介质（主要成分乙二醇水溶液）在发生温度变化时，会产生相对较为明显的体积变化。

为简化计算，按照单一液体温度变化膨胀公式计算液体体积变化量：

    ρ_t1—t1温度时液体密度；

    ρ_t2—t2温度时液体密度；

    V₁—t1温度时液体体积。

由于在实际工况下乙二醇水溶液体积分数及密度较难确定，因此先以纯水为例，计算在纯水系统工况下液体体积的增长量。

假设启机前环境温度为15 ℃。风机高负荷运行时，变频器IGBT温度可达90~100 ℃，系统冷却水出口平均温度为55 ℃，水冷系统溶液总体积约120L，ρ₁₅=0.999 099 kg/L，ρ₅₅=0.985 688 kg/L。

代入公式（1），得：ΔV=1.63 L。

相关试验结果证明，乙二醇防冻液的膨胀系数比纯水大，从0 ℃上升到50 ℃，其膨胀量比水约大30%^[3]。因此可以估算出水冷系统体积膨胀量ΔV′=2.12 L。通过计算可以看出，风机从启机到高负荷运行过程中，水冷系统体积膨胀量达到2.12 L。

由于该系统属于密闭式水循环系统，因此造成水冷系统压力升高^{[4, 5]}。

为解决风机变频器水冷系统因温度升高造成水冷压力升高的问题，可以考虑在水冷系统中加入稳定系统压力的膨胀罐。

胶囊式膨胀罐是利用1个胶囊形气囊将气体（通常为氮气）与系统水分成两部分的密闭式容器，类似于变压器的胶囊式油枕，具体结构见图 1所示。

图1(Figure 1)

图1 胶囊式膨胀罐结构图

在密闭系统中，膨胀罐用于吸收受热膨胀的介质，实现系统压力的动态平衡。膨胀罐安装到介质压力比其气室预充气体压力略高的系统中，会有一部分工作介质通过接口进入气囊内，直到达到新的压力平衡。当系统压力升高，大于膨胀罐气室气体的压力后，又会有一部分介质进入囊内压缩气室，气室被压缩，压力升高，当压力升高到与系统压力一致时，介质停止进入。反之，当系统压力降低，系统内介质压力低于气室气体压力，气囊内的工作介质会被挤出，补充到系统内，使系统压力升高，直到系统工作介质压力与气室气体压力相等，囊内的工作介质不再补给外系统^[6]。

考虑乙二醇溶液体积分数的影响使计算复杂，仍先以纯水冷却液为例，计算膨胀罐的体积，最后估算出实际采用乙二醇溶液作为冷却液的膨胀罐体积。

根据膨胀罐选型计算公式：

    C—系统中液体总容量；

    e—液体的热膨胀系数（系统冷却时液温和运行时最高液温的膨胀率之差）；

    P₁—膨胀罐的预充压力（绝对压力）；

    P₂—系统运行的最高压力（绝对压力）。

设定膨胀罐预充压力为0.2 MPa，水冷系统安全运行最高压力为0.3 MPa，e₁₅=8.5×10^-4，e₅₅=1.45×10^-2，代入式（2）得：V=6.55 L。

考虑乙二醇溶液更高的膨胀系数以及膨胀罐的实际产品规格，选取12 L的膨胀罐较适宜现行水冷系统。根据运行工况中水冷系统的极限压力，膨胀罐最高耐压不低于0.8 MPa。

考虑系统管路接口，将膨胀罐安装于变频器出水口，可稳定系统压力^[7]。实际安装效果如图 2所示。

图2(Figure 2)

图2 膨胀罐在XE72-2000风机水冷系统中的安装效果

按照上述方案对该风电场10台湘电XE72-2000型风机变频器水冷系统进行了集中改造。经过现场风机各种运行工况考验，水冷系统压力可以有效控制在0.22~0.27 MPa，保障了机组的稳定运行。

本文中风电机组密闭式水循环冷却系统由于变频器IGBT模块温度升高引起冷却液体积增大，导致系统压力升高。根据系统参数，通过理论计算，增配适当容积的膨胀罐，可以将系统压力稳定在适宜的范围内，既可保证冷却系统的散热要求，又可避免因高压导致的风机降负荷运行，消除了系统管道接头崩脱风险，可提高风机发电效率，保障风机安全运行。