风电机组部件损坏与风电场微观选址

作者：东方汽轮机有限公司 王明军 刘麒祥 朱明玺 杨亮

欢迎访问e展厅 展厅 3 风力发电机展厅 风力发电机,... 摘要：风电场微观选址，不仅关系到风电场机组的发电状况，而且，还关系到风电设备的部件损坏与机组寿命。由于我国地域宽广，地形复杂，不少地区缺乏长期的测风资料和气象数据，这给风电场选址带来了一定的困难。在中国风电迅猛发展时期，风电场湍流强度等问题没有引起足够重视，这对机组的部件和寿命极为不利。本文就部件损坏与风电场选址问题进行分析，对因湍流强度过大而造成部件损坏的运行机组与在选址过程中发现湍流强度过大的机位提出了建议。 0 引言 风电场选址是风电场建设项目的前期工作，对风电场建设成败及风电场效益起重要作用。风电场微观选址的设计工作涉及场区风能资源的利用、风电机组及集电系统的布局、交通设施、占地规模，以及环境保护目标的实现等诸多方面，对于风电场的建设成本和电量生产、设备设施的安全可靠性和运行维护便利性等都将产生重要而广泛的影响。 风电场的微观选址直接关系到机组部件损坏与机组寿命，在实际运行的风电场中，已有不少风电机组因微观选址不当而造成机组部件损坏，例如：某风电场地处山地，有17 台1.5MW 风电机组， 其中一台的主齿轮箱不到3 年就会损坏，至今已更换两次，而在该风电场同型号安装同一配套厂家齿轮箱的其他机组运行达7 年之久，则少有齿轮箱损坏的现象。通过多个侧面的考察来看，该机组的齿轮箱损坏与微观选址之间有必然的联系。 1. 风电场微观选址与机组安全 1.1 风电场微观选址 风电场微观选址是在宏观选址选定的小区域中确定风力发电机组的分布位置，以便使整个风电场具有更好的经济效益的过程。 场址选择对风能利用的预期目标能否实现起着关键性的作用。如果场址选择不合理，即使性能优异的风电机组也不能很好地发电，更有甚者，由于选址不正确，很可能导致设备的损坏。因此，如何在风电场内合理地布置风电机组，才能得到最大的发电量，获得最佳的经济效益，一直是微观选址工作的焦点。 1.2 微观选址与湍流强度 目前，微观选址软件大都以发电量最大化为原则进行机位的布置，而机组的位置还直接关系到该机位湍流强度的大小。较强的湍流将会造成机组振动，使机组的受力状态恶化, 从而影响到机组的故障几率及部件损坏，关系到将来的维修、维护成本的高低和机组的寿命，因此，风电场微观选址对其未来收益的影响不容忽视。 为了最大限度地利用特定风场的风能资源，同时保证风力发电机组的安全可靠运行，IEC61400-1 对风电机组进行了安全分级。轮毂高度处的湍流强度以及极端风况是2005年版IEC61400-1 进行风电机组分类的两个主要参数，其中极端风况主要包括极端风速、极端风切变以及风速、风向的迅速变化等，而机组轮毂高度处50 年一遇3 秒钟极大风速，或者10 分钟最大风速是风电机组极端载荷设计的最重要参数。 按照微观选址的湍流大小选定机位，或确定所采用的风电机组的安全等级类型。根据GL 规范， 或IEC 标准，风电机组的湍流强度等级一般有A、B 两种， 新的IEC 版本中也有C 等级的湍流强度等级。 在IEC 61400 中将风电场机组的设计等级分为三类IEC Ⅰ、IEC Ⅱ、IEC Ⅲ，如表1。 Vref 表示风电场50 年一遇的10分钟最大风速;A 级为高湍流强度，B 级为中等湍流强度，C 级为低湍流强度;I15 是风速为15m/s 时计算出来的湍流强度特征值。 湍流强度是指10 分钟内风速随机变化幅度的大小，是10 分钟内平均风速的标准偏差与同期平均风速的比值。上表中的湍流强度应按照IEC61400-1标准中的规定计算获得。根据IEC61400-1 要求，每一个风速区间下，风电机组所承受的有效湍流强度(机组之间尾流产生的湍流强度与环境湍流强度叠加)均不能超过设计湍流强度。 湍流强度是风电场的重要特性指标，它的计算、分析是风电场资源评估的重要内容，通过风电场区域内风电机组轮毂高度处50 年一遇10 分钟最大风速以及轮毂高度处湍流强度大小来判断风电场的安全等级，依据此等级来选择风电机组机型。 在中国风能资源主要分布在三北地区和近海区域，例如新疆、内蒙区域，平均风速较大，风电场安全等级通常为IEC Ⅰ或IEC Ⅱ，风电场湍流强度通常为B、C;山西、河北区域，因地形起伏较大，风电场安全等级通常为IEC Ⅱ或IEC Ⅲ，风电场湍流强度通常为A、B;江苏、浙江沿海区域受季风的影响，风电场安全等级通常为IEC Ⅰ或IEC Ⅱ，风电场湍流强度通常为B、C。 湍流对风电机组性能的不利影响主要是减少功率输出，增加风电机组的疲劳载荷，最终削弱和破坏风电机组。 为了减少叶片的脉动和破坏力较强的动态载荷，在湍流强度较大的地区，应慎建、或不建风电场，若风电场的湍流强度超过机组的安全设计等级时，在选机型时应与机组生产厂家充分交流，对设备的承受能力进行充分地论证和评估。 1.3 交变载荷与机组部件损坏 风电机组容易受到疲劳载荷的严重影响。在600KW 机组中，叶轮在20 年的寿命期内会旋转2×108次，每转一周都会产生于低速轴和叶片重力完全相反的力，以及由风剪切力、偏航误差、轴倾斜、塔架阴影和湍流引起循环的叶片平面载荷。因此，许多风电机组部件的设计都取决于疲劳载荷而不是极限载荷。 短期平均风速的波动或湍流对载荷设计产生主要的影响，因为，这是极端阵风载荷和大部分疲劳载荷的来源。叶轮转动会不断产生局部剪切阵风，使叶片的疲劳载荷加剧。 由于风电机组运行在非常复杂和多变恶劣的环境下，所以，机组所承受的载荷情况也是非常复杂的，不同的载荷情况对于机组的各个部件的受力情况都有不同的影响，而确定载荷情况对于后续的设计来说是非常重要和基础性的工作。 不同的机位，因风况和环境条件不同，机组所受到的动态载荷差异很大。环境湍流强度是指风电场中单独一台风电机组承受的正常湍流强度，该湍流强度没有受其他机组或者障碍物的尾流影响。确定风电机组湍流强度等级不仅取决于环境湍流强度，更应考虑因为风电机组尾流产出的湍流强度。风电场中机组承受的有效湍流强度由环境湍流强度和因机组彼此之间尾流产生的湍流强度两部分组成。 不同设计湍流强度等级对等效疲劳载荷的影响相对来说要大很多，基本上降一个湍流强度等级，等效疲劳载荷就会相应的降低10%。湍流强度对等效疲劳载荷的影响非常大。另外，风轮直径越大，降低湍流强度等级对降低等效疲劳载荷的作用越明显。因此，叶轮直径和机组的设计湍流强度等级对机组交变载荷的承受能力影响很大。 为了使风电机组能长期安全稳定运行，我们在设计和制造时要重点考虑机组的抗疲劳载荷能力;在风电场微观选址时，充分考虑风况和环境条件对机组的影响，以避免部件的损坏，延长风电机组的使用寿命。 2. 微观选址的主要影响因素 工作在自然环境状态下的风电机组，由于湍流产生的机理和原因很复杂，对设备的影响也是多方面的。在风电场微观选址时，通过对各种影响因素的综合考虑，减少湍流强度对设备的影响和破坏，实现风电场的最优选址。 2.1 地面粗糙度的影响 在近地层中，风速随高度有显著变化，但由于地面粗糙度不同，风速随高度的变化也就不同。大气低层常用指数公式表示风速和高度与地面粗糙度的变化关系： 式中，Vh：为在高度Xh 处的风速;V0：为在高度X0 处的风速;α：为指数，它与地面粗糙度有关。我国常用的α 值分为三类：0.12、0.16、0.20。按公式计算，见表2。 2.2 障碍物的影响 由于气流经过障碍物时，在其下游会形成扰动区。在扰动区风速不但会降低.而且还有强的湍流，对机组运行十分不利。因此, 在选择机组安装位置时, 必须要避开障碍物下流的扰动区，从理论上讲，扰动区的长度约为17H(H 为障碍物高度)，所以, 在选址时，要尽量避开障碍物，一般应在10H 以上。 2.3 地形的影响 对于山地风电场，山地地形以及植被对风电机组所带来的湍流影响很大。当气流通过丘陵或山地时，由于受到地形阻碍的影响。在山的向风面下部，风速减弱。且有上升气流;在山的顶部和两侧，风速加强;在山的背风面，风速减弱，且有下沉气流，重力和惯性力将使山脊的背风面气流往往成波状流动。 山地对风速影响的水平距离，一般在向风面为山高的5 ～ 10 倍，背风面为15 倍。且山脊越高，坡度越缓，在背风面影响的距离越远。 根据经验，在背风面对风速影响的水平距离L 大致是与山高h 和山的坡度α 半角的余切的乘积成比例，即： 封闭的谷地风速比平地小。长而平直的谷地，当风沿山谷而吹时，其风速比平地加强，即产生狭管效应，风速增大;但当风垂直谷地吹时，风速则较平地为小，类似封闭山谷。 根据实际观测，给出封闭谷地y1 和峡谷山口y2 与平地风速的关系式[8]： y1=0.712x+1.10 y2=1.16x+0.42 y1：封闭谷地风速;y2：峡谷山口风速;x：平地风速。 2.4 周围环境 风电场在其建设过程中会对周围环境有所影响，因此，风电场的微观选址把对周围环境的影响也考虑进内，一方面, 要对生态环境进行保护，比如飞禽的迁徙路线、鸟类飞行路线以及动物栖息地等，还要保证尽量不要占用耕地和植被等;另一方面，还要考虑噪声的影响，根据相关规定要求风电场发电机组和最近的居民小区的距离的确定，其噪声的大小不能超过45db。 3. 如何进行风电场微观选址 3.1 平坦地形的微观选址 平坦地形可以定义为，在风电场区及周围5km 半径范围内其地形高度差小于50m，同时地形最大坡度小于3°。实际上，对于周围特别是场址的盛行风的上(来)风方向，没有大的山丘或悬崖之类的地形，仍可作为平坦地形来处理。 在平坦地形进行微观选址时，主要考虑以下两个方面： 第一、粗糙度的影响对平坦地形，在场址地区范围内，同一高度上的风速分布可以看作是均匀的，可以直接使用邻近气象台站的风速观测资料来对场址区进行风能估算。对平坦地形，采用同一叶轮直径的风电机组，提高风电机组功率输出的唯一方法是增加塔架高度。 第二、 障碍物的影响 障碍物是指针对某一地点存在的相对较大的物体，如房屋等。当气流流过障碍物时，由于障碍物对气流的阻碍和遮蔽作用，会改变气流的流动方向和速度。障碍物和地形变化会影响地面粗糙度，风速的平均扰动及风轮廓线对风的结构都有很大的影响，但这种影响有可能是有利的(形成加速区)，也有可能是不利的(产生尾流、风扰动)。所以，在选址时要充分考虑这些因素。 由于气流通过障碍物时，在障碍物的下游会形成尾流扰动区，然后逐渐衰弱。在尾流区，不仅风速会降低，而且还会产生很强的湍流，对风电机组运行极为不利。因此，在设置机位时必须注意避开障碍物的尾流区。 3.2 复杂地形的微观选址 我国沿海及内陆存在着大量的山地。复杂山地的风流不仅是由大地形以及气候引起的，更多的则受到局部地形的影响。对于简单地形，大地形以及气候是引起风流的主要起因;而对于复杂山地，局部地形对风流的加速、对风向的偏转是造成风电场微观选址的难题所在。 在对复杂地形进行微观选址时，风电机组间距的计算尚无成熟快捷、简便的方法，通常需通过多次试算最终确定方案。 在复杂地形和气候条件下，驱动风流的因素并不唯一，一个特殊的流动情况是：风速并不随高程的上升而升高，在某一高度后，风速随高程的上升而降低。微观选址技术的标准不明确以及依据或依赖国外标准制造的风电设备与场址适应性问题，直接导致在复杂的地形和恶劣的气候条件下微观选址结果差异显著.风电机组设备的运行可靠性不高，运行控制变得更加困难，实际出力也比预测评估的要低。 对山区、山丘等复杂地形，不能按简单平坦地形的原则确定风电机组位置，而应根据实际地形测算各点的风力情况后，经综合考虑安装、地形地质等各方面因素后，选择合适的地点安装风电机组。在地形复杂、地势险峻的高山上选址还应考虑运输、吊装、线路安装等要求。 由于受复杂地形自身的影响较大，有的仅能在山脊位置进行单排布置;有的仅能在可放置风电机组的位置上布置;有的地方有山谷、山丘等地形组合，机组布置受多种因素的综合影响。 3.3 机组合理布局以避免尾流干扰 从充分利用风能资源的角度出发，找寻出符合风电场整体的能量利用最大化要求的排布方案，是完成风电场微观选址工作首先要解决的问题。而影响风电场全场能量利用寻优的关键因素是认识并解决好机组尾流影响问题。 一般而言，当风经过风轮叶片后，风轮一方面会吸收部分风能，同时转动的风轮又致使风的湍动能增大，产生气流畸变、湍流，而风速会呈现突变减小的现象，这就是所谓的风电机组尾流效应。之后，在周围流场的约束下，风速又会随着风轮的距离渐远而得以逐渐恢复。如果风电场内风电机组布置紧密，则可能出现上游机组后面风的尾流效应尚存，风速尚不及恢复，进而导致下游机组风况“恶化”，输入风能不足，发电出力降低的情况。 机组尾流产生的气流畸变和湍流，会在下游机组的叶轮上产生交变载荷，从而造成叶片断裂、主轴轴承、齿轮箱等部件的损坏，缩短机组的寿命。由于较高的尾流效应相应有较高的湍流强度，而在风电场全场范围取得一个相对较小的平均尾流效应，又会有利于保持全场机组的荷载均衡性，进而有利于提高全场的运行维护效率。 但是，风电场内又难以绝对避免尾流效应影响，因为如果机组布置过于稀疏，不但会相应占用过多土地，且风电场范围会过大，其工程投资成本和运行维护费用亦会显著增大。因此，机组间距的确定，或说是控制机组尾流效应，是一个考虑综合因素平衡的技术经济选择过程。 3.4 采用工程软件进行微观选址 目前，国内微观选址通常采用国际上较为流行的风电场设计软件WASP 及WindFarmer 进行风况建模，建模过程如下： 根据风电场各测风点校对、修正后的测风资料、地形图、粗糙度，利用轮毂高度的风资源栅格文件满足精度及高度要求的WindFarmer 软件的三个输入文件，包括：轮毂高度的风资源栅格文件、测风高度的风资源栅格文件及测风高度的风资源风频表文件。 采用关联的方法在WindFarmer软件中输入WASP 软件形成的三个文件，输入三维的数字化地形图(1：10000 或1：5000)，地形复杂的山地风电场应采用1：5000 地形图，输入风电场空气密度下的风电机组功率曲线及推力曲线，设定风电机组的布置范围及风电机组数量，设定粗糙度、湍流强度、风电机组最小间距、坡度、噪声等，考虑风电场发电量的各种折减系数，采用修正PARK尾流模型进行风电机组优化排布。 根据优化后的坐标，利用GPS到现场踏勘定点，根据现场地形地貌条件和施工安装条件进行机位的微调， 并利用GPS 测得新的坐标， 然后将现场的定点坐标输入Windfarmer 中，采用粘性涡漩尾流模型对风电场每台风电机组发电量及尾流损失进行精确计算。 目前的微观选址技术，主要是应用经验和基于线性模型的工具软件。各种软件都有其适用条件及局限性，在使用过程中，应充分了解风电场状况与软件特性，以优化机位布置。 3.5 风电场选址的步骤 计算整个风电场的风能资源，找出风能资源较好的位置;根据具体的地形、道路情况确定适合布置风电机组的地形位置，要求坡度较缓( 小于10° )、交通方便;在满足上述条件的前提下确定不同间距的多种方案，间距在主风向上为5 ～9倍的机组直径，在垂直主风向上为3 ～ 5 倍的机组直径;确定机组间距后在实际地形上布置风电机组，计算发电量及湍流强度、尾流损失等的影响;进行方案比较，选择合理的风电机组间距布置风电机组。 4. 风电场选址的难点 4.1 缺乏长期的测风资料和气象数据 中国风电发展较晚，不少新建风电场地区的测风资料和气象数据欠缺，甚至是一个空白，然而，风电场微观选址需要获得该地区多年积累的风况资料和气象数据，这对于正确选址显得尤为重要，如果没有这些数据，选址就难有准确而科学的依据，可能为机组安全和部件损坏埋下了潜在的隐患和伏笔。 例如：云南地区，由于云南省风电开发起步较晚，山区普遍缺乏测风资料，这就成为了云南山区风电场选址的第一个难点。 湍流强度是建风电场的重要指标，它对机组性能和寿命有直接影响。云南省气象台均无风速脉动观测记录，无法进行湍流强度计算。因此，在风电场选址时，湍流对风电机组运行可靠性的影响无法准确预测。由于缺乏高山区的冰凌、浓雾、大雪、雷暴、极端气温等灾害的观测资料，对风电机组未来运行条件的确定缺乏科学依据。 由此可知，缺乏长期的气象观测资料，这成为了当今中国不少新建风电场、风电场选址的难题。 我国建风电场大部分地区是属于人烟稀少的草原，或山地，在这些地区少有相关资料和气象数据。当兴建风电场时，则大都只能依据一年左右的测风塔数据，且所建测风塔的数量有限，测得的风况资料有限，而没有长期、全面、准确的风况资料作为微观选址的依据。 4.2 机位的实际有效湍流强度难以准确估算 现在，对于风电场每个机位湍流强度的计算大都依据测风塔数据，运用用工程软件对每个机位的湍流强度进行计算，然后对机位进行筛选。 在新建风电场对机位湍流强度进行估算时，不能准确得到每个机位的湍流强度。一方面，是由于在建风电场之前，机组还没有建成，不能得到机组之间的相互干扰尾流真实的数据，因此，不可能获得每个机位实际的风况数据;另一方面，在自然条件下，风况变化的复杂性、随机性以及应用软件的局限性，在运用软件对每个机位的湍流强度进行计算时，永远都会存在理论与实际的偏差。 因此，通过软件进行风电场微观选址，难以对每个机位的实际湍流强度大小做出准确评估。存在某些风电场机位的有效湍流强度，在大风速时超过IEC-A 类标准，或机组的设计标准，从而影响机组安全及使用寿命，对于这种情况，有必要采取弥补措施对机组运行的经济性及未来收益进行重新评估。 5. 机位湍流强度超标的处理办法 避免机组因湍流度过大而造成部件损坏，延长机组寿命，一方面，在风电场新建阶段需通过工程软件对机组机位进行筛选和布置;另一方面，微观选址不当的风电场运行机组，需要再次对运行机组的机位进行重新评估和优化。 当风电场微观选址重新确定机位，或运营风电场的风电机组实际有效湍流强度超出其设计标准时，为了避免组部件的疲劳破坏和机组寿命的缩短，视具体机位的环境条件和评估情况，可采取以下措施： (1)将该位置换成湍流强度级别更高的机型。 (2)将该机组移到湍流强度小的位置。 (3)调节该机组周围，尤其是上风向风电机组的布置，拉大该机组与上风向机组之间的距离，使其尽可能少受其他机组尾流影响。 (4)由于湍流强度受地面障碍物和地面粗糙度影响较大，塔筒高度增加，机组的有效湍流强度减小。因此，在项目经济性、机位基础和塔筒强度允许的条件下，适当增加塔筒的高度，把有效湍流强度调整在机组允许的范围之内。 (5)在现场风况测定与机组性能评估的基础上，根据风况条件有选择性地运行，如：在湍流强度很大的时间段，机组停机;或者通过机组控制器程序设定限定机组运行方位，机组仅在湍流强度较小的方位运行，禁止机组偏航到湍流强度大的方位运行。 (6)调整风电场机组的运行模式，即当下风向风电机组受上风向风电机组尾流影响严重时，可以根据实际情况关停部分下风向的风电机组。这样尽管牺牲了一部分发电量，但可使下风向机组避免了因尾流引起的有效湍流强度过大，从而可降低疲劳载荷，延长下风向机组的使用寿命。 6. 结论 在新建风电场时，重视风电机组的微观选址， 以减少风电机组的部件损坏， 延长机组寿命。风电场微观选址， 应以充分、准确的数据作为机位评估与优化的依据， 依靠科学手段， 通过对各种影响因素的综合考虑， 实现风电场的最优选址; 在风电场实际运行的机组中， 如果发现有微观选址不当的机位， 应及时评估并采取措施， 权衡利弊， 从而使风电场取得较好的经济效益。

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