海上风力发电机组可靠性问题研究.doc

海上风力发电机组可靠性问题研究第31卷第11期Vol|31No.1l企业技术开发TECHNOLOGICALDEVELOPMENT0FENTERPRISE2012年4月Apr.2012海上风力发电机组可靠性问题研究高长青局长青(华北电力大学,北京102206)摘要:文章通过对海上风电场基础安全分析,机组维护与运行,极端天气条件下的安全性分析以及风电场与生态的相互影响的研究,阐述了海上风电机组安装,运行及后期维护中所要注意的安全性和可靠性问题.为今后海上风电可靠性的发展提供理论依据.关键词:海上风电场;风力发电;可靠性;研究中图分类号:TM315文献标识码:A文章编号:10068937(2012)l1009102近年来,风力发电产业迅速发展,特别是从2005年以来,风电装机容量平均每年增幅100%以上,主流风力发电机组(以下简称”风电机组”)的单机容量也从2005年的750kW1.5mw增加到了现在的3mw,同时,人们的视野也从陆上风电转向对海上风电的探索.人们把相对较成熟的陆上风电机组技术迁移到海上风电机组上,与此同时,海上风电机组由于其运行环境的特殊性,与陆上风电机组技术相比存在诸多差异,文章结合海上风电机组的特定运行环境,研究海上风电机组运行的可靠性问题.1我国海上风电概况目前对海上风电机组的研究,丹麦等西方发达的沿海国家的技术相对较成熟,而国内尚处于探索试验阶段,比较有代表性的是上海的东海大桥海上风电场.海上风电机组单机容量一般都在5mw以上,与陆上风电机组相比,其体积,质量都有较大增加,制造与安装的难度也都大大增加.所以这对海上风电的技术要求大为提高.2海上风电机组运行面临的可靠性问题2.1塔架基础的可靠性目前海上风电机组的塔架基础问题仍是制约海上风电大规模发展的瓶颈之一,其最突出的问题是成本过于昂贵.由于风电机组的运行对基础的稳定性要求很高,加之海水冲击与浸泡的特殊环境,所以其建设成本要远远高于陆上风电机组.目前海上风电机组基础主要分为两大类:悬浮式和底部固定式.悬浮式主要利用海水的浮力,及绳缆的固定作用,将风电机组”固定”在海里;底部固定式即利用单桩或多桩,直接把塔架与海底基础连接起来.目前浅海区域多采用单桩或三桩结构,而深海区域则多采用悬浮式基础.悬浮式:悬浮式基础适用于深海区域,在保证风电机组正常运行的情况下,悬浮式基础可以大大降低基础的建设成本,从而降低海上风电的生产成本,但是在强风等恶劣环境下,其可靠性远远不及底部固定式,所以在其基础缆绳以及底部配重的设计上要求留有较大余量.底部固定式:相对于悬浮式,稳定性更加优越,不会受海水波浪冲击效应的影响.由于其底部与海底直接刚作者简介:高长青(1990一),男,大学本科,主要研究方向:风能与动力工程.性连接,所以不会有较大幅度的摆动,这很好的保证了塔顶发电机组的平稳运行,同时对于主轴而言,载荷的波动较小,这有力的延长了主轴的使用寿命,降低了风电机组的使用成本.对于底部固定式基础,由于浸泡在海水中,长期受海浪,洋流的冲刷作用以及海水的腐蚀作用,基础易发生松动,严重时甚至会导致风电机组倾覆,这个问题必须引起重视.建议要在风电机组上安装基础实时监视装置,然后通过无线发射器将检测信号传输至主控室,以便安全检修人员及时发现和排除风电机组基础的安全隐患.2.2机组的防腐蚀与防潮湿风力机内部有很多的电气控制部分,其运行时不允许湿度过大,所以在海上高湿度的环境中,防潮防湿显得尤为重要.防湿的手段有很多,现在普遍采用的是密闭舱式,即把风电机组的机舱做成密闭形式,然后利用空调系统对风电机组内部构件散热和保温.这样能达到较好的防潮效果,但对空调系统运行的可靠性要求相对很高.除了防潮,防腐蚀也相当关键.由于海上的空气湿度大,并且海水中各种溶盐离子较多,致使风电机组结构很容易发生电化学腐蚀.一般风电机组的设计使用寿命都在二十年以上,所以还上的风电机组一定要有较强的抗腐蚀能力.现在比较常用的手段是在风电机组易腐蚀的部位适用抗腐蚀材料,在风电机组外表面涂刷防腐蚀涂料,使用不会被腐蚀的高强度复合材料等.这对风电机组有效的起到了防腐蚀作用.2-3极端恶劣天气的影响我国南方沿海地区,在夏季和秋季经常会遭受台风和强热带风暴的影响,而在匕方沿海地区,冬季经常会出现严寒低温,海面结冰情况,因此海上风电机组必须要考虑台风,海啸,冰冻,海冰等极端恶劣天气的影响.首先,海上风电场的选址避免遭受上述极端天气影响很是关键.风电场的选址要尽量选择风速稳定,台风路径较少经过的区域.对于北方可能出现海冰的区域,要根据往年气象资料,研究海冰厚度及对风电机组的影响,然后进行实验模拟,最后科学选址.在风电机组设计时,要考虑破坏性天气发生时对风电机组的损坏,以及制定相应的安全防范措施.比如风电机组的叶片强度可以根据塔架及机舱的强度而设计,使其强度低于塔架的强度,这样在遇到破坏性强风的时候,叶片可以先行断裂脱落,从而最大程度的保护主机舱,把损失减小到最小.企业技术开发2012年4月2.4共振等物理机械问题风力发电机组各主要部件的设计,一定要考虑到共振的影响.共振会加剧风电机组在运行时的震动幅度,甚至超过机组许可的震动幅度,损坏风力发电机组的构件甚至造成机组解体等严重事故.与陆地相比,海上风电机组不仅要远离风的固有频率,还要远离海浪,水流的频率.风电机组的整体固有频率与上述频率的范围差距越大越有利于风电机组的安全.这样风电机组部件的可用频率范围就相对减小很多,设计和制造难度加大.制造时要严格控制机组各个部分的频率范围,使其符合特定地区对风电机组共振频率的要求.2.5风电机组运行与自然生态的相互影响风电机组运行时,其噪声对周围环境的影响不容忽视.这不仅仅会造成噪声污染,如果其频率与某些海洋生物的频率相近,则有可能使得这些物种的正常生活规律被破坏,造成严重的海洋生态问题,在人们对生态环境保护如此重视的今天,一款风电机组是否成功与其对环境的影响密切相关,所以风电机组在设计时一定要考虑其运行对周围环境的生态影响,风电机组设计者要根据具体情况选择合适的尖速比,把噪声控制在尽可能低的范围内,尽量减小对周围生态的影响.同时,也要充分考虑生态环境对风电机组设计的影响,比如鸟类喜欢在风电机组的主机舱筑巢,很多生物喜欢粘附在风电机组海水以下的基础上等等,这些都是风电机组正常运行的潜在威胁,要引起风电机组设计者和运行维护人员的高度重视.风电机组在设计时,尽量不要留鸟类能够筑巢的空间.2.6海上风电场对海上作业安全的影响海上风电场一般会占据近海区域较大水域面积,这给过往航船以及水下航行设备带来安全隐患,同时过往船只也会对风电场的安全造成威胁.特别是在夜间以及大雾,暴雨天气时,能见度低,发生船只与风电机组碰撞的可能性大大增加.所以海上风电场要有与之配套的,合理的航船导航设施,要求清晰明了,醒目且可靠性高.这样就能降低航船误入风电场区的可能性,以免造成不必要的悲剧.2.7海上风电场机组维修的安全性与可靠性分析海上风电机组各个部分都体积庞大,部件笨重,所以一旦需要维修,就必须要借助大型起重设备(海上起重设备一般是大型起重船舶).在海上,起重设备的使用很不方便,对风速,风向以及天气的要求相当高,很难保证设备吊装的平稳性和安全性,所以这就有必要在风电场设计与布局时,提前考虑在日后维修时要给起重设备留出足够的安全空间.同时,风电机组的微选址不仅要考虑风资源状况,还要考虑起重泊船是否便于作业施工,以便日后维修,维护工作的开展.除此之外,还要考虑维修工作人员进入海上风电机组的方式,目前正在研究在风电机组顶部修建小型直升机停机平台,但尚未投入商业化运营2.8海上风电机组的防火预案分析陆上已经并网发电的风电场在运行期间,已经发生多起风电机组失火事故,这在一方面说明风电机组在运行时电气部件的可靠性和耐用性尚且不足,经受不住风电场严酷工作环境的考验;这在另一方面,也说明了目前风力发电机组在设计阶段对防范火灾的考虑不够,对于发生火灾时没有设计一套完善的应对预案.海上风电机组由于受海上天气条件的影响,一旦发生突发事故,运行维护人员无法保证迅速到达现场,一旦发生火灾,也无法迅速组织灭火扑救.所以海上风电机组在设计阶段就要充分考虑火灾发生时的应对策略.机组的防火关键在机舱部分.为了减轻机舱重量,现在在风电机组的经济舱设计中应用了很多质量轻,强度高,韧性好的复合材料和有机材料.但是这些材料一般都具有较高的可燃性.此外机舱中有很多电气接线和塑料部件,这些在火灾发生时都会加剧燃烧,给机舱防火带来极大隐患.所以在设计机舱结构时,尽量减少机舱中电力电缆的接头数(电缆接头一般是引发电缆燃烧的罪魁祸首),并且把不可避免的电缆接头用防火材料包裹;对于机舱中的塑料电气原件,要尽量放置到铁皮柜子当中,即使这些塑料部件发生燃烧也仅仅在铁柜内燃烧,而不会把火灾蔓延到别处;在机舱中,设计专门的自动灭火系统,可以在机舱顶部安装多组火灾感应器和灭火剂喷头,一旦发生火灾,即可触发火灾报警器,然后启动自动灭火系统,迅速喷洒灭火剂灭火,这样可以把火灾损失减小到最少3我国海上风电机组发展建议与展望目前我国对海上风电厂的建设正处于积极探索阶段,这其中不免存在相当多的技术性问题和可靠性问题,这些问题不容忽视,可能一个小问题就会引发灾难性事故.海上风电与陆上风电相比,运行环境更加恶劣,需要时刻接受潮湿,海浪,狂风以及盐雾的考验,对安全性和可靠性的要求更高.所以这对风电机组设计人员以及风电场选址,施工,运行人员提出了更多要求,必须额外考虑海上风电场的特殊环境下的可靠性问题.既要保证海上风电健康快速发展,也要考虑到日后海上风电场规模化运营带来的诸多问题