如何延長風力渦輪機使用壽命

風力渦輪機設計使用壽命一般為20年，但事實上，通過小型和低成本維修，許多風力渦輪機使用壽命可超過最初設計值。本文介紹了德國風力渦輪機安全評價方法和結(jié)果。

由德國風能協(xié)會創(chuàng)建的一個工作組制定了風力渦輪機壽命延長評估基本原則，以確保風能可持續(xù)利用。這個工作組由制造商、技術專家、運行人員、法律專家和有關當局代表組成，其任務是詳細說明設計壽命結(jié)束后風力渦輪機安全運行所需的技術要求。

壽命延長評估原則

為評估渦輪機當前狀態(tài)，壽命延長評估通常在運行許可有效期最后一年進行。如果正在考慮分拆渦輪機、或在中期預算規(guī)劃，則宜在較早階段進行。通常，初步結(jié)果，如是否可繼續(xù)運行、何時更換特定部件等不需物理檢查就能得到，并可在以后某個時間點納入壽命延長評估。

確定風力渦輪機是否可超過其設計壽命的評估包括兩部分，這兩部分并行進行。分析和實際評估方面專家在整個過程中相互幫助與配合，在分析評估和現(xiàn)場檢查后，起草一份狀態(tài)報告，詳細說明延長使用壽命所需要求，如修理或預防性更換轉(zhuǎn)子葉片螺栓通常是必要的，因它們是達到其設計負荷極限的第一要素。因此，通過狀態(tài)報告可準確計算出延長壽命所涉及的潛在費用。評估結(jié)果為衡量繼續(xù)運營的機會提供了寶貴資料，對幫助風電場運營商進行決策具有重要的意義。

渦輪機結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性

安全評估過程中一個關鍵因素是確定風力渦輪機結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。驗證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性所需的測試主要集中在從轉(zhuǎn)子葉片到基礎的承重部件、安全裝置、制動系統(tǒng)和渦輪控制系統(tǒng)；需計算渦輪機在其使用壽命期間的實際負荷，并將其與設計負荷進行比較。穩(wěn)定性信息通過計算機模擬完成，模擬反映了型式試驗后的設計情況及環(huán)境運行情況。此外，還應對渦輪機進行現(xiàn)場檢查。

環(huán)境運行情況包括風電場地特有的風況。為計算運行期間負荷，應利用過去20年運行數(shù)據(jù)和機艙風速計數(shù)據(jù)對20年的平均風速、湍流強度和極端風事件數(shù)據(jù)進行量化。如這些數(shù)據(jù)已丟失，則使用其他數(shù)據(jù)集(如，再分析數(shù)據(jù)集)進行長期推斷。對其它增加了各種容量的風電場，在設計壽命期內(nèi)要分別計算每個風機及每個風電場布局的湍流。

環(huán)境條件和所需文件

在分析評估中，根據(jù)渦輪機技術文件和環(huán)境運行數(shù)據(jù)計算可繼續(xù)運行的潛在時間段。風電場運營方負責安排評估時間并提交相關文件。文件包括渦輪機制造和調(diào)試有關信息、渦輪機運行許可證，維修、檢查和保養(yǎng)報告、運行和生產(chǎn)數(shù)據(jù)、接線和液壓圖。此外，還需一份記錄最后一年轉(zhuǎn)子葉片的技術報告。

技術文檔不完整情況經(jīng)常出現(xiàn)。缺少的證書和技術文件，如制造和調(diào)試階段文件可從制造商處獲得。若制造商已不存在，則采用與其他渦輪機進行比較及基于以往經(jīng)驗的評估來填補知識的空白。

渦輪機的物理檢查

壽命延長評估的實際環(huán)節(jié)是現(xiàn)場檢查渦輪機物理狀態(tài)。在測試和檢查前，分析已有信息和數(shù)據(jù)，檢查技術文件、報告、天氣和性能數(shù)據(jù)，以便對渦輪機的測試檢查集中在已有問題和缺陷方面。

物理評估的目的是記錄渦輪機部件和設備的任何損壞或異常磨損。承重和與安全有關的部件要詳細檢查：審核維護記錄，并將渦輪機狀態(tài)與技術文檔進行比較；要特別檢查變速箱、其他齒輪或軸承配件是否有腐蝕、明顯裂紋和可疑噪音跡象；此外，對一些特定類型的渦輪機還要進行詳細調(diào)查，如某個生產(chǎn)期內(nèi)質(zhì)量管理方面已知的問題、某些部件或設計缺陷導致過早的損壞等。

對渦輪機主要部件，如轉(zhuǎn)子葉片、支承結(jié)構(gòu)和基礎狀態(tài)進行仔細評估，建議在損壞嚴重情況下立即關停渦輪機，以免危及繼續(xù)運行的安全。然而，大多數(shù)檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)損傷較小，且是由腐蝕、風化和材料疲勞引起，如轉(zhuǎn)子葉片或電纜需經(jīng)常維護、風電場周圍環(huán)境變化需密切關注、計算湍流時須考慮鄰近位置的膨脹等。

分析評估

在壽命延長計算時，除將工作負荷與設計負荷進行比較外，還要考慮物理檢查的結(jié)果。疲勞負荷用模型軟件進行模擬，該模型考慮了場地特定風力條件和設計條件。對所有有助于渦輪結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的承重部件進行檢查：包括塔樓和基礎、螺釘和螺栓、傳動鏈承重部件、輪轂、軸、轉(zhuǎn)子葉片、制動系統(tǒng)和安全裝置。評估報告給出了到達設計負荷前的剩余時間。此外，根據(jù)計算結(jié)果，編制一份說明，強調(diào)繼續(xù)運行所需的立即措施及在規(guī)定時間內(nèi)須采取的措施，如更換零件或個別檢查等。

只要風電場在其設計壽命內(nèi)運行，且不超過設計條件，就能使材料疲勞損傷保持在規(guī)定的安全水平內(nèi)。TUV SUD經(jīng)驗表明，許多渦輪機仍可在設計壽命外運行，且不超過這個安全水平。在許多情況下，現(xiàn)場風況使負荷比原計劃要低，因此，渦輪機支承結(jié)構(gòu)往往沒有明顯損壞，通常只需較小和經(jīng)濟的必要維修。壽命延長評估決定渦輪機是否可繼續(xù)運行，并協(xié)助管理人員和經(jīng)營者規(guī)劃其資產(chǎn)的未來。

壽命延長評估也可用于計劃維修和預測渦輪機剩余壽命期可能發(fā)生的成本。通常在渦輪機設計壽命結(jié)束后，在申請延長保單時，服務提供商也會要求進行該評估。