風(fēng)電機(jī)組特定場址安全性評(píng)估方法及意義探討

文 | 蔡繼峰 王丹丹

風(fēng)電機(jī)組特定場址安全性評(píng)估方法及意義探討

文 | 蔡繼峰 王丹丹

隨著風(fēng)電行業(yè)的高速發(fā)展，風(fēng)電場選址從簡單的平坦地形向著復(fù)雜的山地、丘陵等場地發(fā)展，甚至從陸上向海上轉(zhuǎn)移。隨著場地的多樣性，環(huán)境條件也變得多樣和復(fù)雜：高原、低溫、臺(tái)風(fēng)、地震，海況等環(huán)境都可能需要被考慮。但是與之相對(duì)應(yīng)的機(jī)組設(shè)計(jì)卻是在標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)下設(shè)計(jì)而來，因此機(jī)組在特定場址下的安全性是否依然能夠得到保證，則需要在風(fēng)電場規(guī)劃之初進(jìn)行額外的校核，這個(gè)工作即為特定場址評(píng)估。依據(jù)IEC61400－22，特定場址評(píng)估是項(xiàng)目認(rèn)證中的一個(gè)工作模塊，由于受項(xiàng)目開發(fā)周期等限制，我國風(fēng)電場大部分未開展項(xiàng)目認(rèn)證，而特定場址評(píng)估是用于確定風(fēng)電場安全性的重要工作內(nèi)容，如未進(jìn)行完整的項(xiàng)目認(rèn)證，處于規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)的考慮，應(yīng)視情況開展特定場址評(píng)估工作。但是國內(nèi)的風(fēng)電場在開發(fā)過程中對(duì)特定場址評(píng)估重視不夠，沒有很好的系統(tǒng)進(jìn)行，這會(huì)對(duì)將來風(fēng)電場的安全運(yùn)行帶來隱患，或許這也是目前風(fēng)電場安全事故頻發(fā)的原因之一。

特定場址評(píng)估主要可以分為幾個(gè)模塊：

環(huán)境條件評(píng)估，主要用以對(duì)特定場址的環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和分析處理是否合理。例如，風(fēng)能資源數(shù)據(jù)的采集和分析處理是否合理。

特定場址安全性評(píng)估，評(píng)估特定場址載荷下的結(jié)構(gòu)安全性。

部件適應(yīng)性評(píng)估，特定場址環(huán)境下各機(jī)機(jī)械部件、電氣部件等的適應(yīng)性，例如，對(duì)于低溫環(huán)境，則要評(píng)估相關(guān)部件在低溫下是否依然能正常工作。對(duì)于鹽霧環(huán)境，相關(guān)部件的防腐蝕等級(jí)是否達(dá)到要求等等。

本文重點(diǎn)介紹特定場址的安全性評(píng)估，主要涉及環(huán)境條件對(duì)機(jī)組的載荷的影響和分析方法。

特定場址安全性評(píng)估方法

為了確定機(jī)組在特定場址下的安全性，可分為以下三種模式：

a：特定場址的環(huán)境條件和基礎(chǔ)剛度與原設(shè)計(jì)比對(duì)直接判斷安全；

b：特定場址的載荷計(jì)算結(jié)果和原設(shè)計(jì)載荷比對(duì)判斷安全；

c：特定場址載荷結(jié)果下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度復(fù)核判斷安全。

當(dāng)特定場址的環(huán)境條件和標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)接近，無特殊環(huán)境條件如地震、臺(tái)風(fēng)等，并且基礎(chǔ)剛度變化不大，能直接通過比對(duì)風(fēng)況參數(shù)判斷其載荷結(jié)果是否能小于設(shè)計(jì)載荷時(shí)，可以采用模式a，直接給出機(jī)組在特定場址下安全的結(jié)論。當(dāng)無法通過模式a判斷時(shí)，則需要進(jìn)行特定場址的載荷計(jì)算并將其與原設(shè)計(jì)載荷比對(duì)，若能證明該載荷小于原設(shè)計(jì)載荷，則也可給出機(jī)組在特定場址下安全的結(jié)論。若模式b依然無法判斷機(jī)組是否安全，則需要用特定場址下的載荷結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的復(fù)核，結(jié)構(gòu)安全裕度足夠，則依然能說明機(jī)組在特定場址的安全性，反之該機(jī)組不適應(yīng)特定場址，需要進(jìn)行更改機(jī)組設(shè)計(jì)或更換機(jī)型。

環(huán)境條件對(duì)載荷影響分析

特定場址的安全性評(píng)估，重點(diǎn)是對(duì)風(fēng)電機(jī)組的載荷進(jìn)行分析。風(fēng)電機(jī)組的載荷是由機(jī)組本身和外部的環(huán)境條件決定，對(duì)于同一型號(hào)的機(jī)組，其載荷完全由外環(huán)境條件決定，本章將重點(diǎn)介紹各環(huán)境條件對(duì)機(jī)組載荷的影響以及評(píng)估方法。

表1 某1.5MW機(jī)組不同風(fēng)區(qū)下疲勞載荷結(jié)果（材料系數(shù)m=10）

一、風(fēng)況條件

風(fēng)況條件是風(fēng)電機(jī)組載荷的最重要影響因素，風(fēng)況的特征參數(shù)主要有極限風(fēng)速、年平均風(fēng)速和風(fēng)速分布、湍流度、空氣密度，風(fēng)剪切等。

a：極限風(fēng)速

根據(jù)風(fēng)壓公式，風(fēng)壓和風(fēng)速的平方成正比，而通常在極限風(fēng)速來臨時(shí)機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài)，其主要載荷即來自風(fēng)壓，因此極限風(fēng)速以2次方的關(guān)系影響風(fēng)電機(jī)組的極限載荷。

b：年平均風(fēng)速和風(fēng)速分布

年平均風(fēng)速和風(fēng)速分布決定風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的各風(fēng)速段時(shí)長的情況，由于不同風(fēng)速段運(yùn)行時(shí)疲勞載荷不同，因此風(fēng)速分布影響風(fēng)電機(jī)組的疲勞載荷累積。表1給出了某1.5MW機(jī)組運(yùn)行在不同風(fēng)區(qū)下的葉根處的疲勞載荷情況。

c：湍流度

湍流度反應(yīng)風(fēng)速脈動(dòng)變化的程度，湍流度越大風(fēng)速變化越大，隨之載荷變化也越大，即湍流度會(huì)影響機(jī)組的疲勞載荷。同時(shí)由于風(fēng)速變化幅度的增大，也會(huì)影響某些極限載荷工況，例如：EOG陣風(fēng)工況，其陣風(fēng)幅值與湍流強(qiáng)度成正比，見圖1。

d：空氣密度

風(fēng)壓與空氣密度成正比，因此空氣密度會(huì)直接影響風(fēng)電機(jī)組的載荷，包括極限載荷和疲勞載荷。

e：風(fēng)剪切

風(fēng)剪切是反應(yīng)風(fēng)速隨著高度增加的變化趨勢(shì)，一般情況下風(fēng)剪切大于0，即風(fēng)速隨著高度的增大而增大。這會(huì)導(dǎo)致葉片處于高處時(shí)受到的風(fēng)載較大，而處于低處時(shí)風(fēng)載較小，從而使風(fēng)輪產(chǎn)生不平衡距，這會(huì)給風(fēng)電機(jī)組帶來更大的極限載荷和額外的疲勞載荷。

攝影：李雙健

一般來說，在Vave到2Vave之間的累積疲勞載荷較大，因此風(fēng)速分布和湍流度對(duì)載荷的影響要保證其比設(shè)計(jì)載荷小，只需要在該區(qū)間段內(nèi)，風(fēng)速分布概率和湍流度小于設(shè)計(jì)等級(jí)即可，見圖2。

綜上，通過分析風(fēng)況條件對(duì)載荷的影響，若要通過比對(duì)風(fēng)況來保證載荷小于原設(shè)計(jì)載荷，則需要滿足表2所列條件，若有任意一條背離則需要進(jìn)行載荷計(jì)算以確定特定場址的載荷水平。

二、海況條件及基礎(chǔ)影響

相比陸上，海上的環(huán)境條件以及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，目前其對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響主要來自水動(dòng)力載荷和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)組部分的影響。與水動(dòng)力載荷相關(guān)海況的特征，目前標(biāo)準(zhǔn)中有三類：

圖1 EOG陣風(fēng)幅值與湍流強(qiáng)度的關(guān)系

圖2 風(fēng)速分布概率和湍流度

波浪：主要通過有義波高和周期來表征

水位：水平面的高度

洋流流速：水中粒子平均遷移速度

目前的大多數(shù)的海上風(fēng)電場選用的風(fēng)電機(jī)組，是按陸上環(huán)境條件設(shè)計(jì)，沒有考慮海況條件，而海況條件會(huì)對(duì)機(jī)組產(chǎn)生額外的載荷，同時(shí)不同的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)會(huì)改變風(fēng)電機(jī)組的整體模態(tài)，因此對(duì)于該類機(jī)組必須進(jìn)行復(fù)雜的特定場址載荷計(jì)算來判斷機(jī)組的安全性，而無法通過比對(duì)環(huán)境條件的簡單方式來判斷。針對(duì)這一情況目前北京鑒衡認(rèn)證中心編制海上機(jī)組認(rèn)證技術(shù)規(guī)范＊＊。該技術(shù)規(guī)范中指出，如果在設(shè)計(jì)之初即考慮海況條件用以風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)，并假定基礎(chǔ)形式，當(dāng)該機(jī)組用于特定海域時(shí)，可以通過比對(duì)海況條件來進(jìn)行特定場址載荷安全性的判斷。若海況參數(shù)以及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)滿足表3所列條件，即可直接判定海況條件對(duì)機(jī)組載荷的影響小于原設(shè)計(jì)值，則機(jī)組的特定場址評(píng)估可以通過最為簡單的比對(duì)環(huán)境條件來實(shí)現(xiàn)。

三、其他環(huán)境條件

風(fēng)況和海況環(huán)境條件，是最為重要和常見的兩類環(huán)境條件。而對(duì)于其他環(huán)境條件，主要有低溫，地震，臺(tái)風(fēng)等。要依據(jù)場址的特點(diǎn)來判斷是否需要考慮和如何考慮。

a：低溫條件

表2 特定場址風(fēng)況參數(shù)

表3 海況參數(shù)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

低溫會(huì)增大空氣密度，該部分影響可以通過風(fēng)況分析進(jìn)行。另外低溫有可能導(dǎo)致機(jī)組結(jié)冰，主要結(jié)冰部位為塔架，機(jī)艙和輪轂。結(jié)冰會(huì)給機(jī)組的載荷帶來很大的影響，尤其是葉片的結(jié)冰。葉片結(jié)冰后，會(huì)對(duì)翼型的參數(shù)帶來很大的影響，從而改變機(jī)組載荷，另一方面，結(jié)冰的不均勻性，會(huì)給風(fēng)輪帶來額外的不平衡距，這也會(huì)給機(jī)組帶來額外的載荷。

b：地震

風(fēng)電機(jī)組的相關(guān)規(guī)范中并沒有直接對(duì)地震環(huán)境條件的評(píng)估進(jìn)行明確定義，而是要求依據(jù)各國家地區(qū)當(dāng)?shù)氐牡卣鹨?guī)范進(jìn)行約束。我國的抗震規(guī)范對(duì)地震設(shè)防烈度分為6度、7度、8度、9度4個(gè)等級(jí)，不同地區(qū)需要考慮的設(shè)防烈度都有相應(yīng)設(shè)防烈度區(qū)域劃分，對(duì)于特定場址的風(fēng)電場，需要依據(jù)抗震規(guī)范進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組的安全性校核。一般來說，對(duì)于按照常規(guī)設(shè)計(jì)的風(fēng)電機(jī)組，其能抵抗的地震設(shè)防烈度為7度。

c：臺(tái)風(fēng)（熱帶氣旋）

臺(tái)風(fēng)是一種熱帶氣旋，除了風(fēng)速大外，還存在風(fēng)速、風(fēng)向變化快，中心區(qū)域存在負(fù)壓等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使其不能按照常規(guī)的風(fēng)況進(jìn)行考慮。因此，對(duì)于可能會(huì)發(fā)生臺(tái)風(fēng)的中國沿海地區(qū)風(fēng)電場，在機(jī)組進(jìn)行特定場址評(píng)估時(shí)需要考慮臺(tái)風(fēng)影響，具體方式可依據(jù)目前國內(nèi)已發(fā)布的臺(tái)風(fēng)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)校核。

四、 小結(jié)

本章通過分析各環(huán)境條件對(duì)機(jī)組載荷影響的機(jī)理，給出了不同環(huán)境條件參數(shù)對(duì)機(jī)組載荷影響的定性結(jié)論，并以此為依據(jù)給出通過比對(duì)環(huán)境條件直接判斷機(jī)組安全性需要滿足的條件，為特定場址安全性評(píng)估中使用模式a提供判斷準(zhǔn)則。

結(jié)論

特定場址評(píng)估在風(fēng)電場開發(fā)時(shí)是必不可少的部分，是風(fēng)電場安全穩(wěn)定運(yùn)行的保障。而其中的特定場址下載荷的結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估是特定場址評(píng)估中最為重要的一環(huán)，不同的環(huán)境條件對(duì)載荷影響很大。因此為了適應(yīng)特定的環(huán)境條件，在機(jī)組設(shè)計(jì)之初盡可能選取與將來實(shí)際安裝運(yùn)行的環(huán)境條件相近的設(shè)計(jì)條件，這會(huì)大大提高機(jī)組在風(fēng)電場的適應(yīng)性，同時(shí)也能降低反復(fù)修改設(shè)計(jì)，延誤工期的成本。為了使設(shè)計(jì)的環(huán)境條件和實(shí)際相近，有針對(duì)的選擇合適的設(shè)計(jì)規(guī)范用以設(shè)計(jì)是最為重要的一步，例如，在有臺(tái)風(fēng)的區(qū)域，則設(shè)計(jì)時(shí)選用臺(tái)風(fēng)技術(shù)規(guī)范。對(duì)于海上機(jī)組，則選用海上技術(shù)規(guī)范用以設(shè)計(jì)。

（作者單位：北京鑒衡認(rèn)證中心）

攝影：占遠(yuǎn)武