淺析低溫環(huán)境對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響

孫西寧

摘 要：在我國(guó)北方地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)，冬季的寒冷氣候?qū)︼L(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能有比較大的影響。本文在分析低溫條件下機(jī)組特性某些變化的基礎(chǔ)上，以及已經(jīng)取得的一些運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，嘗試提出了針對(duì)低溫條件風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)所應(yīng)采取的針對(duì)性措施。

關(guān)鍵詞： 低溫；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

前言：我國(guó)“三北”地區(qū)風(fēng)資源豐富，目前全國(guó)裝機(jī)總?cè)萘康?6%分布在這一區(qū)域。這些地區(qū)有一個(gè)共同特征就是冬季溫度比較低，最低溫度低于-30℃，低溫問(wèn)題是這些風(fēng)電場(chǎng)所面臨的一個(gè)共同問(wèn)題。這種情況下機(jī)組的運(yùn)行工況、零部件的性能、機(jī)組的可維護(hù)性等方面都將發(fā)生變化，可能會(huì)造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的某些性能超出了設(shè)計(jì)允許范圍，情況嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)饑?yán)重的安全事故。

針對(duì)低溫環(huán)境的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在風(fēng)電行業(yè)中還是個(gè)空白。大多數(shù)安裝在低溫地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是在其標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采取一些專項(xiàng)的技術(shù)改進(jìn)措施，期望能保證機(jī)組的正常安全運(yùn)行。根據(jù)國(guó)外一些報(bào)道，根據(jù)在加拿大北部一些風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)，這些措施起到了一定的作用，但要達(dá)到預(yù)期要求還需要進(jìn)行更多富有挑戰(zhàn)性的創(chuàng)新工作。本文在總結(jié)金風(fēng)科技近年來(lái)在我國(guó)北方風(fēng)電場(chǎng)的安裝、建設(shè)以及維護(hù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的出力特性變化、對(duì)零部件性能的影響以及運(yùn)行維護(hù)等方面，對(duì)某些低溫影響因素進(jìn)行了初步探討和分析，拋磚引玉，期望能有更多的業(yè)內(nèi)人士關(guān)注研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低溫問(wèn)題，提高我國(guó)風(fēng)電技術(shù)應(yīng)用和開(kāi)發(fā)水平。

一、低溫條件下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力特性的變化

我們知道，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪的輸出功率P與風(fēng)輪的風(fēng)能利用率Cp、空氣密度ρ、風(fēng)輪的掃風(fēng)面積A以及風(fēng)速V 之間的關(guān)系可用下式表示： 顯然，隨著冬季溫度的降低，空氣密度將增大。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組特別是失速型機(jī)組的額定出力將增加，可能出現(xiàn)過(guò)發(fā)過(guò)載現(xiàn)象；夏天氣溫上升，空氣密度將下降，將導(dǎo)致機(jī)組的出力下降，應(yīng)有的效益不能完全發(fā)揮。另外一個(gè)不容忽視的因素是葉片翼型的空氣動(dòng)力也受到表面粗糙度和流體雷諾數(shù)的影響。冬季容易出現(xiàn)霧凇現(xiàn)象，葉片表面“結(jié)晶”，粗糙度增加，會(huì)降低翼型的氣動(dòng)性能；另外在某些特殊天氣如風(fēng)雪交加的條件下，空氣的粘性作用和雷諾數(shù)將發(fā)生很大變化，翼型的最大升力系數(shù)和失速臨界攻角等特性均會(huì)發(fā)生較大變化。這些現(xiàn)象和對(duì)機(jī)組的長(zhǎng)期影響有待于進(jìn)一步研究。

二、低溫對(duì)主要零部件的影響

客觀上因?yàn)榈蜏氐膽?yīng)用范圍比較有限，此類設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)遠(yuǎn)沒(méi)有常溫和高溫環(huán)境那樣受到廣泛的關(guān)注。不同種類的零部件受低溫的影響是不同的，對(duì)于金屬機(jī)件應(yīng)根據(jù)承受載荷的形式予以區(qū)別對(duì)待。當(dāng)然避免在低溫情況下出現(xiàn)較大的沖擊載荷也是非常關(guān)鍵的。

受循環(huán)載荷的部件如機(jī)艙底板和塔架，一般是大型焊接件，此類零件在高寒地區(qū)存在低溫疲勞問(wèn)題。大量試驗(yàn)結(jié)果表明，幾乎所有的金屬材料的疲勞極限均隨溫度的降低而提高，但材料的缺口敏感性增大。因此，焊縫將成為影響低溫疲勞強(qiáng)度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。如果焊縫中存在大的缺陷，非常容易引起低溫脆斷破壞。所以應(yīng)針對(duì)焊縫采取必要的防止低溫脆斷技術(shù)措施，包括避免焊縫應(yīng)力集中，采取預(yù)熱和焊后熱處理改善焊縫、熱影響區(qū)、熔合線部位的性能，避免未焊透，加強(qiáng)無(wú)損探傷檢驗(yàn)，定期檢查等技術(shù)措施，保障設(shè)備的安全工作。

復(fù)合材料如玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂具有較好的耐低溫性能，選用適合低溫環(huán)境的結(jié)構(gòu)膠生產(chǎn)葉片，就能滿足葉片在-30℃運(yùn)行的要求。但需要注意由不同材料制作的機(jī)構(gòu)，由于熱膨脹系數(shù)不同，常溫狀態(tài)下裝配正常，但在低溫時(shí)配合狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，可能影響機(jī)構(gòu)的正常功能，需要在設(shè)計(jì)時(shí)予以充分考慮。

一般電子電氣器件功能受溫度影響較大，選用耐低溫的元器件成本昂貴甚至無(wú)法做到。但可以采取在柜體內(nèi)加熱，保持局部環(huán)境溫度的方法，實(shí)踐表明這一方法簡(jiǎn)單有效。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所使用的油品受到溫度的影響也比較大。一般要求潤(rùn)滑油在正常的工作溫度條件下需具備適當(dāng)?shù)恼扯纫员３肿銐虻挠湍ば纬赡芰?，但另一方面溫度越低，油的粘度越大。例如目前普遍采用的Mobilgear SHC XMP320潤(rùn)滑油，40℃粘度為 320cSt，傾點(diǎn)-38℃，低溫時(shí)油的流動(dòng)性很差，機(jī)組在這種情況下難以運(yùn)轉(zhuǎn)，需要潤(rùn)滑的部位可能得不到充分的潤(rùn)滑油供給，這會(huì)危及設(shè)備的安全運(yùn)行，可以通過(guò)加熱使油溫維持到正常水平。若采取直接加熱方式使被加熱油保持流動(dòng)，否則加熱效果不均勻，可能造成其他不利影響。

基礎(chǔ)需要考慮的低溫影響主要是凍土問(wèn)題。凍土中因有冰和未凍水存在，故在長(zhǎng)期載荷下有強(qiáng)烈的流動(dòng)性。長(zhǎng)期載荷作用下的凍土極限抗壓強(qiáng)度比瞬時(shí)載荷下的抗壓強(qiáng)度要小很多倍，且與凍土的含冰量及溫度有關(guān)，這些情況應(yīng)在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)施工時(shí)進(jìn)行考慮。凍土層基礎(chǔ)的要求可參考《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》。

結(jié)束語(yǔ)：隨著風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展，我們應(yīng)越來(lái)越重視低溫對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響問(wèn)題。目前非常有必要投入更多的力量，研究適用于低溫環(huán)境條件的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范，從設(shè)計(jì)的源頭做起，才能有效控制和降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)行業(yè)的健康發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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