我國濕熱沿海風電機組服役環(huán)境條件研究

陳川，王俊，黃海軍，揭敢新，趙鉞，宋曉萍

（1.中國電器科學研究院有限公司 工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應性國家重點實驗室，廣州 510663；2.湘潭電機股份有限公司 海上風力發(fā)電技術(shù)與檢測國家重點實驗室，湖南 湘潭 411102）

我國濕熱沿海風電機組服役環(huán)境條件研究

陳川1，王俊1，黃海軍1，揭敢新1，趙鉞1，宋曉萍2

（1.中國電器科學研究院有限公司 工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應性國家重點實驗室，廣州 510663；2.湘潭電機股份有限公司 海上風力發(fā)電技術(shù)與檢測國家重點實驗室，湖南 湘潭 411102）

目的為我國濕熱沿海風電設備的設計、制造、運行維護及標準制定提供參考依據(jù)。方法通過對濕熱沿海風電機組服役環(huán)境條件的監(jiān)測，包括風電機組運行環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)、腐蝕數(shù)據(jù)等，分析濕熱沿海地區(qū)主要環(huán)境因素對風電機組的影響。結(jié)果針對我國濕熱沿海環(huán)境條件提出了關(guān)鍵設備和材料的環(huán)境技術(shù)要求及試驗方法。結(jié)論對風電機組面臨的環(huán)境問題提出相應的改進措施及建議。

風電；濕熱沿海；環(huán)境失效；技術(shù)要求

我國濕熱沿海地區(qū)擁有豐富的風能儲量。例如廣東省瀕臨南海，有長于4300 km的海岸線，亞熱帶季風長年不斷，近海可供開發(fā)風電資源規(guī)模達1100萬kW左右。同時，濕熱沿海地區(qū)用電消費需求量大，有利于風電的短距離消費。我國濕熱沿海地區(qū)面臨著高溫、高濕、鹽霧、臺風、雷暴等惡劣的自然環(huán)境，影響風電設備長期穩(wěn)定的運行，對風電設備的設計、制造、運行維護及標準制定都提出了新的特殊要求。

筆者對某濕熱沿海地區(qū)風電設備開展環(huán)境條件監(jiān)測，分析環(huán)境因素對濕熱沿海地區(qū)風電機組的我國濕熱沿海地區(qū)擁有豐富的風能儲量。鑒于此，提出了各關(guān)鍵設備和材料的技術(shù)要求及試驗方法，以及相應的改進建議。

1 條件監(jiān)測

筆者選取我國濕熱沿海某風電機組，連續(xù)監(jiān)測風電機組服役時機艙與塔筒內(nèi)外的溫度、濕度、鹽霧等重要環(huán)境條件數(shù)據(jù)，以及發(fā)電機、控制系統(tǒng)、變流器等關(guān)鍵部件的局部服役溫濕度數(shù)據(jù)，同時開展現(xiàn)場調(diào)查并及時掌握該風電機組實際服役情況。

采用硫氰酸汞分光光度法（HJ/T 27—1999[1]）對包括塔基內(nèi)部、塔筒中部、機艙內(nèi)部、輪轂內(nèi)部、塔基外部、風電機組外部共6個部位展開了監(jiān)測。各部位的氯 離 子 質(zhì)量濃度分別為 0.0035，0.0039，0.0039，0.0013，0.0272，0.1444 mg/100 cm2/d。風電機組外部的鹽粒子濃度明顯高于風電機組內(nèi)部的鹽粒子濃度。

通過A3鋼現(xiàn)場掛片試驗，表征風電機組包括塔基外部、塔基內(nèi)部、塔筒中部、機艙內(nèi)部、機艙外部共6個部分的腐蝕情況。機艙外、塔基外A3鋼樣板腐蝕嚴重，塔基內(nèi)A3鋼樣板12個月后腐蝕已較嚴重，機艙內(nèi)A3鋼樣板12個月后發(fā)生了嚴重的點蝕現(xiàn)象，如圖1所示。分析結(jié)果表明，腐蝕產(chǎn)物以鐵的氧化物為主。

根據(jù)ISO 9224—2012[2]中對于大氣腐蝕環(huán)境等級的劃分，以A3鋼腐蝕速率為依據(jù)，風電機組外部結(jié)構(gòu)件所處大氣環(huán)境的腐蝕等級為C5，風電機組塔基內(nèi)部結(jié)構(gòu)件所處大氣環(huán)境的腐蝕等級為C2，塔筒中部、機艙內(nèi)部腐蝕等級為C1。對機艙內(nèi)的電氣部件采用ECM大氣腐蝕監(jiān)測儀進行連續(xù)監(jiān)控，試驗結(jié)果表明，機艙內(nèi)的大氣腐蝕等級為美國ISA-S71.04—1985[3]中的G1等級，月腐蝕厚度小于300 ?/月，環(huán)境腐蝕嚴酷度輕微，腐蝕對電氣設備運行穩(wěn)定不構(gòu)成威脅。從1年期監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，目前該沿海風電機組機艙環(huán)境密封效果較好，腐蝕得到有效控制。

該風電機組各個區(qū)域全年最高溫度分布如圖2所示。發(fā)電機定子最高溫度達97℃，主軸承的最高溫度達72℃。輪轂、機艙內(nèi)部環(huán)境最高溫度為46℃。機艙控制柜最高氣溫達49℃，輪轂控制柜最高氣溫達50℃，而塔基控制柜、變流器最高溫度為40℃。

該風電機組關(guān)鍵區(qū)域各月的平均相對濕度變化曲線如圖3所示。塔筒中部全年濕度均較高，各月平均相對濕度在55%～75%之間，風電機組其他區(qū)域空氣的相對濕度在春秋季要略高于夏季和冬季。其中機艙內(nèi)4月份平均空氣相對濕度高達70%左右，3月、4月、7—10月空氣平均相對濕度也均在60%以上。塔基空氣相對濕度要略低于機艙內(nèi)的空氣相對濕度。

圖1 風電機組不同部位的A3鋼掛板12個月后照片F(xiàn)ig.1 Photos of the A3 steel panel in different parts of the wind turbine after 12 months

圖2 沿海某風電機組各個區(qū)域最高溫度分布Fig.2 Distribution of the highest temperature in different regions of the costal wind turbine

2 環(huán)境因素對風電機組影響

研究表明，濕熱沿海風電機組接近50%的風電機組故障停機均與環(huán)境因素有著直接或間接的關(guān)系。與環(huán)境相關(guān)的故障中，冷卻系統(tǒng)的故障與維護、發(fā)電機溫度過高、材料損壞這三類引起的故障維護及停機幾率較大。其中6—9月份的與環(huán)境相關(guān)問題引起的故障維護及停機約占全年故障維護及停機總數(shù)的50%。

圖3 某沿海電機組各主要部分月平均相對濕度變化曲線Fig.3 Monthly average relative humidity curve in the main parts of the costal wind turbine

我國濕熱沿海地區(qū)夏季氣溫長期在30℃以上，散熱條件差，常見故障及停機多與散熱不良有著直接或間接的關(guān)系。風電機組在夏季潮濕條件下，非常容易在部件表面形成凝露，結(jié)合物體表面的塵埃，形成導電通路，破壞電氣絕緣。濕熱沿海地區(qū)，空氣中含有大量隨海水蒸發(fā)的鹽分，所面臨的腐蝕環(huán)境條件更加惡劣，容易導致電氣設備內(nèi)部的線圈和觸頭發(fā)生腐蝕，風電機組傳動系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)故障率大大增加等問題。同時高鹽霧濃度下金屬的腐蝕速率非常高，對風電機組鋼結(jié)構(gòu)、螺栓等緊固連接件及其他部件的腐蝕也應更加嚴重。

濕熱地區(qū)臺風雷暴頻發(fā)，對風電機組的影響巨大，風電機組在斷電狀態(tài)下，偏航失效，風機無法調(diào)整對風。臺風出現(xiàn)各個方向的大風作用產(chǎn)生的彎扭組合力矩超過葉片及變漿執(zhí)行機構(gòu)承載極限，導致葉片斷裂，變漿系統(tǒng)受損。臺風方向的不斷變化，使得臺風事假在機組上的靜力效應和動力效應共同作用下不斷施加疲勞載荷，嚴重時會導致塔筒傾覆。例如在2013年9月的“天兔”超強臺風中，廣東紅海灣風電場共25臺風機受損，甲冬風電場共29臺風機受損，石碑山風電場共40臺風機受到不同程度損壞。以紅海灣風電場為例，共8臺風機發(fā)生倒塔，8臺風機葉片、機艙、輪轂損壞，2臺風機機艙著火[4]。

3 環(huán)境問題改進建議

由于環(huán)境因素對風電機組的影響，需針對不同環(huán)境條件提出風電機組材料選擇和產(chǎn)品環(huán)境由于環(huán)境因素對風電機組的影響。對于高溫環(huán)境，可以增加安裝空冷或水冷裝置，適當?shù)貙δ承╆P(guān)鍵部件選取采用耐高溫材料、隔熱材料及潤滑油等。對于高濕可采取適當?shù)募訜岢凉裱b置，并在關(guān)鍵電器部件上涂覆防潮涂料等。

我國濕熱沿海夏季高溫也可以采用更加高效的冷卻方式、增加散熱面積、優(yōu)化氣流分布、將冷卻器安裝到機艙外部等，以提高整個風電機組的通風散熱水平，尤其需注意密封系統(tǒng)及部件的散熱問題。防潮可以通加熱來實現(xiàn)，但由于電氣運行溫度有限，在我國濕熱沿海地區(qū)，大多數(shù)情況下不能通過無限制提高溫度來除濕，以風電發(fā)電機組中最容易出現(xiàn)問題的變流器防高溫防濕方案的選擇為例。目前風力發(fā)電機組越來越向大功率發(fā)展，尤其是沿海風電機組。由于大功率變流器散熱量大和體積限制，只能選擇散熱效率較高的冷卻方式——水冷+水套冷。對于此種方式，除濕的最佳方案是降低柜內(nèi)絕對濕度，可以使用轉(zhuǎn)輪除濕機。對于密閉的機艙，則可以將整個機艙作為一個除濕防潮空間，按照空間體積進行除濕量計算，選擇大功率除濕機，對機艙內(nèi)所有部件進行防潮。如果機艙采用自然通風散熱方式，則需對關(guān)鍵部件進行局部除濕。高溫對液壓油的影響，可以采取的措施有：一是對液壓油冷卻，防止環(huán)境溫度過高使液壓系統(tǒng)效率變差，二是通過降低風電機組的輸出功率防止因主要部件高溫而停機[5]。

濕熱沿海風電機組鋼結(jié)構(gòu)面臨的腐蝕環(huán)境條件惡劣，長期處于高溫、高濕、鹽霧等更為嚴酷腐蝕環(huán)境，表面腐蝕防護的壽命要求是至少15年以上（ISO 12944-1[6]），其目標是達到與風力發(fā)電機組相同的20年壽命。大氣區(qū)鋼結(jié)構(gòu)涂層保護應具有良好的耐候性。推薦涂層體系配套方案為環(huán)氧富鋅底漆80 μm+環(huán)氧云鐵中間漆200 μm+面漆80 μm。

濕熱沿海地區(qū)風電機組葉片長期暴露于鹽霧、強紫外線、高溫高濕、強降雨等惡劣環(huán)境下，尤其是葉片在運轉(zhuǎn)時，雨水會對葉片產(chǎn)生強烈的沖刷和侵蝕。玻璃纖維增強聚酯樹脂和環(huán)氧樹脂是目前制造風力發(fā)電機葉片的主要材料，同時采用涂層進行保護，防止材料老化、磨損，延長葉片的使用壽命。涂層應具有良好的附著力、耐磨、抗沖擊、耐鹽霧、耐濕熱和耐候性。葉片在運行過程中常見的問題包括：涂層表面失光、產(chǎn)生毛面、裂縫、涂層剝落或磨損、砂眼等，所以為了維持風電場正常運轉(zhuǎn)，需要定期對風機葉片進行檢修、清洗、維護、修補等工作[7]。

對于海鹽粒子對風電機組內(nèi)部電氣元件的侵蝕，主要應考慮提高機艙及塔筒的密封性。加強風電機組塔基和機艙的密封，且密封部位注意定期檢查其可靠性。也可以考慮在機艙增加空氣凈化裝置，可以有效去除機艙中的海鹽離子、酸性物質(zhì)，并且降低機艙中空氣的濕度，有效解決由空氣污染引起的電機、精密部件及電子系統(tǒng)等的微觀不可逆損壞，并解決密封后的系統(tǒng)散熱問題。

濕熱沿海屬于雷電、臺風等自然災害頻發(fā)區(qū)，應主要從設計的角度解決臺風環(huán)境下的安全問題，加強風電場建設的微觀選址、機組選型、備用電源系統(tǒng)的優(yōu)化、安全鏈控制的設計、葉片等機組關(guān)鍵部件運行的監(jiān)測及塔筒的優(yōu)化設計等工作，確保風電機組的安全運行。我國濕熱沿海雷暴頻發(fā)，從而風電設備應具備較好防雷性能，一般來說應按IEC 61400—24：2010中LPLⅠ[8]考慮，否則需要進行雷電防護水平的風險評估。

4 濕熱沿海風電機組環(huán)境試驗及技術(shù)要求

由此可見，應加強對風電機組的環(huán)境質(zhì)量控制，建立風電機組材料、零部件及系統(tǒng)、整機的三級環(huán)境質(zhì)量控制體系，以確保風電機組在不同環(huán)境下的長期穩(wěn)定運行。在風電機組的研發(fā)制造階段需對新機型進行材料的環(huán)境認證與檢測、零部件或子系統(tǒng)的環(huán)境檢測、在安裝驗收階段進行整機的環(huán)境檢測與評估，在運行階段進行定期的維護，以確保風電機組在不同環(huán)境下的長期穩(wěn)定運行。

例如，我國濕熱沿海環(huán)境條件具有特殊性，風電機組各設備根據(jù)其應用場所，可分為有氣候防護場所和無氣候防護場所。不同的嚴酷等級，可根據(jù)濕熱沿海地區(qū)高溫、高濕、高鹽霧的特點對相關(guān)試驗參數(shù)進行設定。試驗期間設備不運行，試驗后將設備于正常大氣下靜置1～2 h后進行絕緣電阻、介電強度、性能測試等[9]。根據(jù)環(huán)境條件監(jiān)測結(jié)果選擇試驗溫度，例如監(jiān)測發(fā)現(xiàn)機艙控制柜環(huán)境溫度可達49.1℃，對應測風塔環(huán)境溫度為36.1℃。對控制系統(tǒng)進行高溫環(huán)境測試，按GB/T 2423.2—2008[10]中規(guī)定試驗Bd進行，試樣為實際工況中的整機，不包裝。將試樣放入溫度為室溫的試驗箱中，然后將溫度調(diào)節(jié)到（55±2）℃。試樣在此條件下達到溫度穩(wěn)定后，通電以實際工況運行驗證其高溫下啟機能力，當試樣溫度達到穩(wěn)定，在該條件下持續(xù)暴露16 h。試驗后，恢復2 h絕緣電阻、介電性能、工頻電壓等滿足要求。監(jiān)測變流器環(huán)境溫度最高達40.2℃，對應測風塔環(huán)境溫度為36.1℃，則按GB/T 2423.2—2008中規(guī)定試驗Bd進行試驗時，試驗溫度調(diào)節(jié)在（45±2）℃。

對于塔架、葉片涂料，應對試驗前后干膜厚度、附著力、光澤色差等性能進行測試，要求附著力在拉力值≥5 MPa之前，應沒有出現(xiàn)底漆和底材失去附著力的情況。相關(guān)試驗可參照海上平臺及相關(guān)結(jié)構(gòu)的涂料防護體系評價方案ISO 20340—2009[11]進行測試。根據(jù)我國濕熱沿海地區(qū)環(huán)境條件，可對其進行修改，將其中24 h低溫試驗改為鹽霧試驗，紫外照射+冷凝水與鹽霧試驗共168 h為1周期，可選擇試驗周期為10，15，20，25個周期。試驗后按GB/T 1766—2008[12]的要求對人工模擬試驗后的樣品進行起泡、銹蝕、開裂、剝離、失光、變色等方面老化程度評級，并參考ISO 4624—2002[13]進行涂層拉開附著力測試。在拉力值≥5 MPa之前，應沒有出現(xiàn)底漆和底材失去附著力的情況。用適當方法除掉漆膜之后，測量腐蝕漫延值M=（C-W）/2，其中，C是腐蝕寬度的平均值，W是線的初始寬度。要求循環(huán)試驗后對于2 mm劃痕涂的涂層體系M＜3。

5 結(jié)論

研究表明，風電機組在我國濕熱沿海特殊環(huán)境條件下運行時，由于高溫、高濕、鹽霧等環(huán)境因素影響，容易發(fā)生部件故障停機、控制失靈、短路、結(jié)構(gòu)損壞等問題。需要分析風力發(fā)電設備在我國特殊環(huán)境下的服役環(huán)境條件數(shù)據(jù)及其對風電機組的影響，針對不同問題，從風機設計到風機生產(chǎn)上采取解決措施，以應對不同環(huán)境條件帶來的危害。提出并確定相應的環(huán)境試驗方法及技術(shù)要求，建立適用于我國特殊環(huán)境條件的風力發(fā)電設備環(huán)境技術(shù)標準體系，以確保在我國特殊環(huán)境下風電機組能夠長期穩(wěn)定運行。

[1]HJ/T 27：1999，固定污染源排氣中氯化氫的測定硫氰酸汞分光光度法[S].HJ/T 27：1999，Stationary Source Emission-Determination of Hydrogen Chloride-Mercuric Thiocyanate Spectrophotometric Method[S].

[2]ISA S71.04：1985，Environmental Conditions for Process Measurement and Control Systems：Airborne Contaminants[S].

[3] ISO 9224—2012，Corrosion of metals and alloys-Corrosivity of atmospheres-Guiding values for the corrosivity categories[S].

[4]吳遠偉.臺風對沿海風電機組的危害及對策[C]//風電場防臺風及運檢研討會.廣州，2014.WU Yuan-wei.Hazards and Countermeasures of the Costal Wind Turbine from The Typhoon[C]//Symposium about Prevention and Running Inspection of the Typhoon.Guangzhou，2014.

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[7] 楊春燕，瞿歡，熊杰，等.風電葉片保護涂層的現(xiàn)狀及應用[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011（17）：159.YANG Chun-yan，QU Huan，XIONG Jie，et al.Present Situation and Application of Coating Protection of Wind Power Blades[J].China New Technologies and Products，2011（17）：159.

[8]IEC 61400-24：2010，Wind Turbines-Part 24：Lightning Protection[S].

[9]GB/T 2423.2：2008，電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法試驗B：高溫[S].GB/T 2423.2：2008，Environmental Testing for Electric and Electronic Products-Part 2：Test B：High Temperature[S].

[10]許雪冬，黃開云.我國海上風力發(fā)電設備環(huán)境條件與技術(shù)要求分析[J].環(huán)境裝備工程，2013，10（5）：42—47.XU Xue-dong，HUANG Kai-yun.Analysis of Environmental Conditions and Requirements for Offshore Wind Power Equipment in China[J].Equipment environmental engineering，2013，10（5）：42—47.

[11]ISO 20340：2009，Paints and Varnishes-Performance Requirements for Protective Paint Systems for Offshore and Related Structures[S].

[12]GB/T 1766：2008，色漆和清漆 涂層老化的評級方法[S].GB/T 1766：2008，Paints and Varnishes-Rating Schemes of Degradation of Coats[S].

[13]ISO 4624：2002，Paints and Varnishes-Pull-off Test for Adhesion[S].

Study on Service Environmental Conditions for Wind Turbine in Hot-humid Coastal Area of China

CHEN Chuan1，WANG Jun1，HUANG Hai-jun1，JIE Gan-xin1，ZHAO Yue1，SONG Xiao-ping2
（1.State Key Laboratory of Environmental Adaptability for Industrial Products，China National Electric Apparatus Research Institute Co.，Ltd，Guangzhou，510663 China；2.State Key Laboratory of Offshore Wind-Power Technology and Testing，XEMC Wind power Co.，Ltd，Xiangtan 411102，China）

ObjectiveTo provide reference for the design,manufacturing,operation,maintenance and standard formulation of hot-humid costal wind power equipments.MethodsThrough monitoring the service environmental conditions of the humid coastal wind turbine,including the environment temperature and humidity data and the corrosion data of the wind turbine,the impacts of the main environmental factors in hot-humid costal area of China on the wind turbine were analyzed.ResultsThe environmental technical requirements and test methods were proposed for the key equipments and materials according to the environmental conditions of the hot-humid coastal area of China.ConclusionThe improvement measures and suggestions were put forward according to the environmental problems faced by the wind turbine in hot-humid coastal area of China.

wind power；hot-humid coastal area；environmental failure；technical requirements

2014-11-20；

2015-01-15

2014-11-20；

2015-01-15

陳川（1987—），男，四川富順人，碩士，工程師，主要研究方向為產(chǎn)品與材料的環(huán)境適應性技術(shù)。

Biography：CHEN Chuan（1987—），Male，from Fushun，Sichuan，Engineer，Research focus：the environmental adaptability technology of products and materials.

10.7643/issn.1672-9242.2015.02.024

TJ06

A

1672－9242（2015）02－0116-05