低溫型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)及認(rèn)證要求

中國船級(jí)社質(zhì)量認(rèn)證公司 隋紅霞 傅程

在我國風(fēng)資源比較富集的內(nèi)蒙、東北和西北地區(qū)屬于高寒地區(qū)，常年最低氣溫可達(dá)-40℃，而且冬季時(shí)間漫長，低溫時(shí)間長達(dá)4～6個(gè)月。因此，低溫是這些地方的風(fēng)場所面臨的一個(gè)共同問題，這也給認(rèn)證工作帶來很大難度，需要在認(rèn)證工作中引起特別注意。

低溫對(duì)機(jī)組的影響

目前國際上尚無統(tǒng)一、成熟的低溫型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)安裝在低溫地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是在其常溫型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)上采取一些專項(xiàng)的技術(shù)改進(jìn)措施，以期能確保機(jī)組的正常安全運(yùn)行。這些改進(jìn)措施從某種程度上說起到了一定的作用，但要達(dá)到預(yù)期的要求還需要進(jìn)行更多富于挑戰(zhàn)性的工作。低溫對(duì)機(jī)組的影響主要有以下幾個(gè)方面。

低溫對(duì)氣動(dòng)特性的影響。低溫下由于空氣的密度增大，會(huì)引起機(jī)組空氣動(dòng)力學(xué)性能的變化，直接影響機(jī)組的載荷。因此在進(jìn)行機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮對(duì)空氣密度進(jìn)行相應(yīng)的修正。

同時(shí)由于低溫容易造成降雪和結(jié)冰，而葉片上如果堆積大量的雪或者結(jié)冰則會(huì)引起葉片的翼型發(fā)生改變，導(dǎo)致其氣動(dòng)特性發(fā)生變化，影響機(jī)組的載荷和功率。圖1給出了一臺(tái)機(jī)組遭受冰雪覆蓋的情況。因此在設(shè)計(jì)時(shí)如果沒有在機(jī)組葉片或相關(guān)部位配備適當(dāng)?shù)募訜嵊靡韵┰斐傻淖兓?，則在進(jìn)行載荷設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮冰雪覆蓋后造成的氣動(dòng)特性的變化。

機(jī)組在極端低溫時(shí)的功率輸出可以表示為：

其中ET為低溫時(shí)的功率輸出； E0為功率輸出；T是風(fēng)機(jī)的低溫限制溫度；f(t)是空氣溫度的概率密度分布函數(shù)。如果沒有f.則可以假定為正常分布。在計(jì)算功率輸出時(shí)一定要注意風(fēng)速和溫度的關(guān)系。

同樣，當(dāng)葉片結(jié)冰時(shí)會(huì)降低其升力增加阻力，導(dǎo)致功率輸出的降低。降低功率的多少取決于冰的數(shù)量。計(jì)算降低的功率輸出需要考慮風(fēng)速、冰聚集的周期、冰的周期和數(shù)量、溫度和冰對(duì)風(fēng)機(jī)的影響。及時(shí)知道這些參數(shù)的相互關(guān)系是非常必要的。通常采用時(shí)域計(jì)算。

許多參數(shù)難以獲得，因此初始計(jì)算可以參考表1進(jìn)行。

表1 結(jié)冰頻率與年功率損失對(duì)應(yīng)表

低溫對(duì)材料的影響。由于溫度對(duì)材料的彈性模量、強(qiáng)度和沖擊韌性都有很大影響，當(dāng)溫度降低時(shí)，一般材料的彈性模量會(huì)升高而沖擊韌性會(huì)降低，當(dāng)彈性模量改變時(shí)，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力會(huì)重新分配，導(dǎo)致各部分的應(yīng)力會(huì)發(fā)生變化，由于材料的強(qiáng)度和沖擊韌性也隨溫度發(fā)生變化，因此會(huì)出現(xiàn)隨溫度的變化某些受力部位出現(xiàn)失效的情況。圖2 給出了低溫對(duì)沖擊韌性的影響。

圖1 冰雪覆蓋機(jī)組

圖2 低溫對(duì)沖擊韌性的影響

低溫對(duì)零部件影響。當(dāng)外界溫度降低時(shí)，對(duì)于零部件來說，首先需要考慮的是其結(jié)構(gòu)是否完好，這就需要考慮制造零部件的材質(zhì)能否承受該低溫條件，其次需要考慮的是零部件能否正常工作，這就需要考慮工作介質(zhì)，以及潤滑油潤滑脂在低溫下能否保持正常工作，第三需要考慮的是如果能工作，工作狀態(tài)是否發(fā)現(xiàn)改變，這就需要考慮如軸承等在低溫下的阻尼變化，以及螺栓連接副等由于溫度應(yīng)力而導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力變化。

對(duì)于各零部件，在低溫下，具體應(yīng)考慮如下內(nèi)容：

1、葉片

由于葉片承受很大的氣動(dòng)載荷，風(fēng)力風(fēng)電機(jī)組的載荷主要來源于葉片，因此對(duì)于葉片來說，在低溫環(huán)境下，首先需要考慮溫度對(duì)葉片材料性能的影響。葉片由玻璃鋼材料制造而成，而且葉片的鋪層很復(fù)雜。玻璃鋼材料本來就是由兩種材料復(fù)合而成，再加上鋪層工藝的復(fù)雜性，導(dǎo)致葉片會(huì)包含各種各樣的缺陷，當(dāng)溫度降低時(shí)，葉片材料如果沖擊韌性降的過低，勢必會(huì)導(dǎo)致葉片在沖擊載荷下極易發(fā)生破壞。

2、軸承

對(duì)于軸承，其材質(zhì)首先能夠承受低溫，其次，由于軸承的主要作用是支撐回轉(zhuǎn)件，因此能否良好潤滑，決定了軸承能否正常工作，這就要求軸承使用的潤滑油或潤滑脂能夠在低溫下具有良好的潤滑性能。而由于溫度降低，潤滑油或潤滑脂的粘度必然增大，這就導(dǎo)致軸承在旋轉(zhuǎn)過中的阻尼力增大。

3、液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)在低溫下，液壓油能保證正常流動(dòng)，這樣才能保證液壓系統(tǒng)能正常工作。另外，由于液壓油粘性增大導(dǎo)致的各器件度粘度太高，液壓油流過管路與元件通道時(shí)流動(dòng)阻力加大，使功率損耗增加。

4、螺栓連接

風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)中使用了大量的螺栓連接，螺栓連接牢靠的一個(gè)重要保證是施加合適的預(yù)緊力，當(dāng)溫度降低時(shí)，如果被連接的兩個(gè)零件以及螺栓之間的熱脹系數(shù)不一樣，那么將會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，而溫度應(yīng)力會(huì)對(duì)預(yù)緊力產(chǎn)生影響。

5、電器設(shè)備

電器設(shè)備一般可以隨著環(huán)境溫度的降低適當(dāng)?shù)脑黾迂?fù)荷，但是當(dāng)溫度過低時(shí)則會(huì)對(duì)設(shè)備材質(zhì)的強(qiáng)度和沖擊韌度造成一定的影響，從而導(dǎo)致設(shè)備的性能降低，壽命縮短。例如，低溫時(shí)電纜的絕緣表皮會(huì)隨著變硬，絕緣能力下降等。

機(jī)組設(shè)計(jì)需采取的措施

低溫材料的選取。考慮到上述低溫環(huán)境對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響，除了在載荷計(jì)算時(shí)考慮相應(yīng)的修正系數(shù)外，對(duì)于塔架、輪轂、葉片、主軸、軸承、機(jī)艙罩等部件的材料也應(yīng)該選擇與機(jī)組設(shè)計(jì)溫度范圍相對(duì)應(yīng)的。例如，設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度范圍為-20℃～+40℃的機(jī)組在塔架設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)至少選用Q345D以上的鋼材制作。

加熱的配置。除了考慮低溫材料的選取外，對(duì)于某些部件要保證在低溫時(shí)能夠正常工作還必須配備相應(yīng)的加熱裝置。這些部件主要包括：機(jī)艙內(nèi)部、各控制柜和電源柜、發(fā)電機(jī)、變流器、變壓器、偏航電機(jī)、風(fēng)速計(jì)和風(fēng)向儀等。在進(jìn)行加熱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮各部件所加熱的部分與加熱方式，以及加熱時(shí)達(dá)到的升溫幅度，由此來確定被加熱部件與工作介質(zhì)（如潤滑系統(tǒng)）的加熱效果。

由于配備了加熱裝置，則必須考慮相應(yīng)的溫度測量以及過熱保護(hù)，以確保部件加熱能夠在設(shè)計(jì)的溫度范圍內(nèi)且不會(huì)引起故障發(fā)生。

控制和安全保護(hù)系統(tǒng)。考慮到低溫對(duì)材料的影響、對(duì)部件的影響以及由此采取的各項(xiàng)措施，控制和安全保護(hù)系統(tǒng)在低溫機(jī)型中應(yīng)該補(bǔ)充考慮如下因素：

1、增加由于加熱和溫度測量造成的故障分析。

2、加強(qiáng)對(duì)風(fēng)速儀、風(fēng)向計(jì)的加熱裝置的監(jiān)控。

3、加強(qiáng)對(duì)各部件加熱器的運(yùn)行監(jiān)控以及過熱保護(hù)的執(zhí)行。

4、冷啟動(dòng)程序的設(shè)計(jì)：在此設(shè)計(jì)中須根據(jù)各部件的設(shè)計(jì)要求確定各部件的運(yùn)行啟動(dòng)時(shí)間、加熱方式以及溫度控制，從而確定機(jī)組從低于運(yùn)行溫度到啟動(dòng)開始運(yùn)行以及運(yùn)行帶載到滿負(fù)荷所需要的時(shí)間。

認(rèn)證要求

綜上所述，在申請(qǐng)低溫型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組認(rèn)證時(shí)，針對(duì)低溫部分應(yīng)提交能夠表明下述內(nèi)容的技術(shù)文件：

1、總體說明中機(jī)組的溫度范圍及機(jī)組所用到的溫度的定義和詳細(xì)描述。

2、各工況下考慮極端溫度的極限載荷的計(jì)算以及考慮到覆冰的疲勞載荷的計(jì)算。

3、機(jī)組零部件的低溫性能。

4、機(jī)組加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算和布置說明。

5、機(jī)組冷啟動(dòng)過程的描述，包括各部件和控制系統(tǒng)。

6、環(huán)境溫度超出運(yùn)行溫度范圍時(shí)，機(jī)組運(yùn)行控制的描述。

7、機(jī)組控制系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的溫度要求。

8、與低溫相關(guān)的安全策略和安全系統(tǒng)的圖表和說明。

9、所用到的各溫度的測量點(diǎn)、傳感器和測量裝置的描述。

低溫型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先確定機(jī)組將要承受的低溫范圍，繼而分析此溫度對(duì)氣動(dòng)載荷的影響以及機(jī)組各零部件應(yīng)該采取的相關(guān)措施，然后加以實(shí)施。同樣，低溫型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在進(jìn)行設(shè)計(jì)認(rèn)證時(shí)也應(yīng)該在常溫型機(jī)組的基礎(chǔ)上重點(diǎn)審核其采取的低溫保護(hù)措施及低溫氣動(dòng)載荷影響。