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    海上風電機組的可靠性技術

    2022-04-18 來源:千堯科技 瀏覽數:721

    風力發電是世界上發展最快的綠色能源技術,陸地風電場建設在快速發展的同時,占地面積大、噪聲污染等問題逐漸顯現出來,使得陸上風能的開發受到一定的限制。由于海上豐富的風能資源和當今技術的可行性,海洋將成為一個迅速發展的風電市場。相比陸上風電,海上風況明顯好于陸地,滲流較小,空間較大,空氣污染和噪聲污染小,利于開發設計。但是,海上風電的前期投資較大,在選擇實施風電機組的基本結構模型,風電機組的運輸及其中后期維護方面的技術難度較大,因此,積極探討海上風電的技術問題對于海上風力資源的開發、設計和應用具有重要的現實意義

       1、可靠性的重要性
      
      海上風電機組運行環境復雜、嚴酷,高運維、成本競價、平價上網競爭環境使得業主期望海上風電設備的更高可靠性、更好發電性能;風電設備制造商渴望產品少維修、終生免維等;電網希望不停機,同時輸出穩定。因此,可以看出,提高產品質量可靠性成為行業的共同愿望和追求。
      
      一般來說,海上風電在運行過程中失效的形式有很多種。葉片在極限、疲勞載荷下變形損傷、裂紋擴展、拆斯墜落、風機倒塔;電氣設備在高溫、低混、濕熱、鹽霧、砂塵等環境下短路、斯路、失效、失火;齒輪箱、軸承、螺栓等關鍵件的振動、過載、開裂等。以某風電場在四年間出現的失效和故障為例,如圖所示,可以看出電氣系統、葉片/變槳裝置和傳感器出現故障次數最多;控制系統、齒輪箱和電氣系統故障時間最多。
     
     
    圖1 某風電場故障統計
      2、風電可靠性設計
      
      一般來說,海上風電可靠性設計過程大概是:明確產品研制階段的可靠性工作的內容、制定可靠性設計準則及要求(標準、規范等)并建立可靠性模型;進行系統可靠性指標的預計和分配(可靠性建模、預計、分配);進行各種可靠性分析(故障模式影響及危害度分析、故障樹分析等);進行整機及子系統的可靠性設計。
      
      在進行可靠性分析時,一般會將風電機設備劃分為三個部分分別分析:
      
      塔架、葉片、齒輪箱、變槳裝置、偏航裝置等機械結構;
      
      控制柜、發電機、變頻柜、電抗器、傳感器等電氣設備;
      
      保障風電機組高效運行的硬件、軟件控制系統。
      
      對于結構設計,從工程角度來說實際相當于裕度設計,對于海上風電來說主要針對零件磨損和斷裂。
      
     
     
      圖2 裕度設計流程
      
      結構可靠性設計中常用的物理量為:載荷、材料力學特性參數、工況變化、幾何尺寸、其他不確定因素(載荷簡化、力學模型簡化等)。據統計,機械結構破壞80%是由疲勞引起的,因此,必須重視機械結構的疲勞可靠性,充分開展疲勞可靠性設計和試驗。
      
     
      
    圖3葉片強度試驗
      
      風機基礎下部鋼管樁直徑大、入土深度深、承載力要求高,這種大直徑鋼管樁的承載力試驗經驗較少。為確保工程設計和施工的安全可靠,工程實施前需要在工程海域進行樁基承載力試驗。通過現場試驗,確定鋼管樁的豎向和水平極限承載力,并獲取土層的側阻、端阻力和樁身的應力及變形數據,為樁基設計提供可靠的數據。海上風機樁基礎承受的荷載通常都很大,如果采用傳統的堆載靜載法或錨樁反力靜載法進行試驗,需要很大的堆載量和錨樁數量,試樁成本很高。近年來出現的自平衡法為海上樁基承載力試驗提供了一種新的手段。自平衡法的試驗原理見圖5,該方法采用在樁身內部某位置預埋加載設備,通過加載設備將樁身的一部分往上頂,另一部分向下壓,同時測量樁側和樁端的阻力。該方法利用樁身上、下兩段阻力的相互平衡互為反力,免去了傳統方法中的堆載或錨樁,試驗費用相對低廉。
      
     
      
    圖4 自平衡法實驗原理
      
      對于電控系統的可靠性而言,具體要求如下:
      
      在自檢、啟動、軟切入、并網運行、停機、維護狀態時,控制系統能準確、有效并及時發出指令;
      
      在故障情況下,控制系統應能及時保護停機并顯示相應的故障類型;
      
      具備主要數據的監測功能;
      
      機組與中心控制室應當有安全穩定的遠程通信功能,中央控制室能夠得到機組所有的數據,機組能夠得到控制室的所有指令。
      
      集電系統可靠性研究中常用失負荷概率、失負荷頻率、失電量期望等指標描述電力系統穩定且充裕地提供所需電能的能力。但在海上風電系統并網分析中,并未有明確意義的負荷,所以海上風電集電系統可靠性分析更側重于研究海上風電系統為主網提供有效出力的水平及出力波動水平??紤]到風機出力還受環境因素影響,若僅分析系統的故障情況,采用可用容量描述更加適宜。因此,停運表更適宜描述集電系統的故障狀態。停運表是系統可能出現的容量值對應的概率頻率參數的有序集合,包括確切概率(系統為某容量事件的概率)、累計概率(系統小于等于某容量事件的概率)和累計頻率(系統小于等于某容量事件的頻率)等等。以某停運表為例,如下圖所示。
     
      
    圖5 集電系統可靠性分析流程  
     
      
      海上風電對惡劣天氣的防護
      
      海上風電場大部分工程都是離岸施工,工作場地遠離陸地,受海洋環境影響較大。在建設過程中和建成后的使用期間,自然災害風險都是其不可避免的影響因素。所以,在建設初期應充分收集海上目標風電場的自然條件資料,包括風、浪、流、潮汐、氣溫、降雨、霧等的歷年統計資料和實測資料;根據統計和實測資料,分析影響施工的自然條件因素;通過分析統計影響施工作業的時間制定合理的施工窗口期。同時,一般海上風電項目對設備和選址具有較高的要求,在選擇設備時,選擇質量可靠、技術成熟、有批量運行業績的適合機型,機型和廠家必須要有第三方認證機構技術認證,從而確保風電設備的質量。例如,當選址在浙江、廣東、福建等易受臺風影響的沿海區域時,風機應采用抗臺風機型。在設備生產時聘請專業的監造團隊,保證設備的出廠質量。最后,在可行性研究和設計階段,需對項目建設條件進行深入細致、長期的調查、勘測、分析和方案比較。詳細勘察時對每個機位采用較先進的海上孔壓靜力觸探試驗技術,提高土壤參數的準確性,保證風機基礎設計安全的同時,使基礎設計達到最優化。同時采用第三方認證單位對設計進行認證,保證設計的合理性?! ?/div>
     
      海上風電防火預案
      
      目前,已經并網的海上風電場在運行期間,已經發生了幾起風電機組的火災安全事故。一般來說,海上風電火災可能發生在機艙、塔基、風場及風機變電站。目前,大多數風電機,開關裝置、逆變器、控制柜、變壓器等部件通常安裝在發動機艙內;因此,火災風險顯著增加。同時,機艙內技術設備的高度集中和易燃材料的使用,火災會迅速擴散,塔體上部也有被損壞的危險。如果機艙完全損壞,修復費用可能會達到風機本身的價值。而且海上風電場,由于使用特制船只、浮式起重機或電纜鋪設船,相關費用相比陸上風電場大大增多。
      
      1海上風電機組火災的特點
      
      通過國內外部分風電機組火災案例加以分析研究,總結出海上風電機組火災具有如下基本特點。
      
     ?。?)大量高價值的設備高密度地集中在一個狹小的機艙里,潛在的著火源也比較集中。
      
     ?。?)海上風電場一般都處在離岸10 km以外的海上,均為無人操作和值守;同時,風場塔臺較高,一旦發生火災,幾乎不存在進行消防撲救的可能。
      
     ?。?)隨著近幾年裝機容量不斷增加,單機容量也越來越大,轉運船舶、安裝浮吊船舶的調遣周期一般都較長,海上風電機組及部件的成本以及發生火災后恢復運營的成本均在不斷增加,中斷運營導致的損失也越來越大。
      
      2海上風電機組火災預案
      
      在設計機艙結構時,應盡量避免在機艙中使用電線和電纜連接(電纜端子通常是導致電纜著火的罪魁禍首),不可避免的電纜接頭要用阻燃劑包封。對于發動機艙中的塑料電氣設備,應盡可能將其放置在鐵質文件柜中,即使塑料組件著火,也只能在鐵制文件柜中點燃,不容易將火災事故延伸到其他地方。在發動機艙中,可以將經過專業設計的自動滅火系統安裝在發動機艙的頂部,該系統帶有多個火災事故傳感器和泡沫滅火劑打印機噴嘴,一旦發生火災,可以自動打開火警系統,自動操作滅火系統,迅速噴灑泡沫滅火劑撲滅大火,從而將火災事故的危害降到最低。
      
      
      結語
      
      在現階段,我國的風電廠基礎建設正在積極推進,不可避免地存在很多專業性和穩定性問題。這種問題不容忽視。一個小問題很可能會導致毀滅性的安全事故。與陸上風電相比,海上風電運行環境更加極端,始終必須在潮濕、寒冷、海上、強風和耐腐蝕的條件下進行工作,并且安全系數和穩定性要求更高。因此,這顯然為海上風電機組設計及其風電場選址,工程建設和運營人員提出了更加嚴苛的要求,有必要額外考慮海上風電場在獨特環境中的穩定性問題,從而確保海上風電健康發展,真正確保在問題發生之前就進行預防,著眼于長期。

    標簽:

    風電機組
    閱讀上文 >> GWBladeTeam:葉片材料降本技術介紹
    閱讀下文 >> 淺談齒輪箱的密封裝置

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