风电机组部件损坏与风电场微观选址
发布时间：2014-06-12     来源： 东方汽轮机有限公司风电事业部
本文摘要：　　摘要：风电场微观选址，不仅关系到风电场机组的发电状况，而且，还关系到风电设备的部件损坏与机组寿命。由于我国地域宽广，地形复杂，
 
　　摘要：风电场微观选址，不仅关系到风电场机组的发电状况，而且，还关系到风电设备的部件损坏与机组寿命。由于我国地域宽广，地形复杂，不少地区缺乏长期的测风资料和气象数据，这给风电场选址带来了一定的困难。在中国风电迅猛发展时期，风电场湍流强度等问题没有引起足够重视，这对机组的部件和寿命极为不利。本文就部件损坏与风电场选址问题进行分析，对因湍流强度过大而造成部件损坏的运行机组与在选址过程中发现湍流强度过大的机位提出了建议。
 
　　0 引言
 
　　风电场选址是风电场建设项目的前期工作，对风电场建设成败及风电场效益起重要作用。风电场微观选址的设计工作涉及场区风能资源的利用、风电机组及集电系统的布局、交通设施、占地规模，以及环境保护目标的实现等诸多方面，对于风电场的建设成本和电量生产、设备设施的安全可靠性和运行维护便利性等都将产生重要而广泛的影响。
 
　　风电场的微观选址直接关系到机组部件损坏与机组寿命，在实际运行的风电场中，已有不少风电机组因微观选址不当而造成机组部件损坏，例如：某风电场地处山地，有17 台1.5MW 风电机组， 其中一台的主齿轮箱不到3 年就会损坏，至今已更换两次，而在该风电场同型号安装同一配套厂家齿轮箱的其他机组运行达7 年之久，则少有齿轮箱损坏的现象。通过多个侧面的考察来看，该机组的齿轮箱损坏与微观选址之间有必然的联系。
 
　　1. 风电场微观选址与机组安全
 
　　1.1 风电场微观选址
 
　　风电场微观选址是在宏观选址选定的小区域中确定风力发电机组的分布位置，以便使整个风电场具有更好的经济效益的过程。
 
　　场址选择对风能利用的预期目标能否实现起着关键性的作用。如果场址选择不合理，即使性能优异的风电机组也不能很好地发电，更有甚者，由于选址不正确，很可能导致设备的损坏。因此，如何在风电场内合理地布置风电机组，才能得到最大的发电量，获得最佳的经济效益，一直是微观选址工作的焦点。
 
　　1.2 微观选址与湍流强度
 
　　目前，微观选址软件大都以发电量最大化为原则进行机位的布置，而机组的位置还直接关系到该机位湍流强度的大小。较强的湍流将会造成机组振动，使机组的受力状态恶化， 从而影响到机组的故障几率及部件损坏，关系到将来的维修、维护成本的高低和机组的寿命，因此，风电场微观选址对其未来收益的影响不容忽视。
 
　　为了最大限度地利用特定风场的风能资源，同时保证风力发电机组的安全可靠运行，IEC61400-1 对风电机组进行了安全分级。轮毂高度处的湍流强度以及极端风况是2005年版IEC61400-1 进行风电机组分类的两个主要参数，其中极端风况主要包括极端风速、极端风切变以及风速、风向的迅速变化等，而机组轮毂高度处50 年一遇3 秒钟极大风速，或者10 分钟最大风速是风电机组极端载荷设计的最重要参数。
 
　　按照微观选址的湍流大小选定机位，或确定所采用的风电机组的安全等级类型。根据GL 规范， 或IEC 标准，风电机组的湍流强度等级一般有A、B 两种， 新的IEC 版本中也有C 等级的湍流强度等级。
 
　　在IEC 61400 中将风电场机组的设计等级分为三类IEC Ⅰ、IEC Ⅱ、IEC Ⅲ，如表1。
 
 
　　Vref 表示风电场50 年一遇的10分钟最大风速；A 级为高湍流强度，B 级为中等湍流强度，C 级为低湍流强度；I15 是风速为15m/s 时计算出来的湍流强度特征值。
 
　　湍流强度是指10 分钟内风速随机变化幅度的大小，是10 分钟内平均风速的标准偏差与同期平均风速的比值。上表中的湍流强度应按照IEC61400-1标准中的规定计算获得。根据IEC61400-1 要求，每一个风速区间下，风电机组所承受的有效湍流强度（机组之间尾流产生的湍流强度与环境湍流强度叠加）均不能超过设计湍流强度。
 
　　湍流强度是风电场的重要特性指标，它的计算、分析是风电场资源评估的重要内容，通过风电场区域内风电机组轮毂高度处50 年一遇10 分钟最大风速以及轮毂高度处湍流强度大小来判断风电场的安全等级，依据此等级来选择风电机组机型。
 
　　在中国风能资源主要分布在三北地区和近海区域，例如新疆、内蒙区域，平均风速较大，风电场安全等级通常为IEC Ⅰ或IEC Ⅱ，风电场湍流强度通常为B、C；山西、河北区域，因地形起伏较大，风电场安全等级通常为IEC Ⅱ或IEC Ⅲ，风电场湍流强度通常为A、B；江苏、浙江沿海区域受季风的影响，风电场安全等级通常为IEC Ⅰ或IEC Ⅱ，风电场湍流强度通常为B、C。
 
　　湍流对风电机组性能的不利影响主要是减少功率输出，增加风电机组的疲劳载荷，最终削弱和破坏风电机组。
 
　　为了减少叶片的脉动和破坏力较强的动态载荷，在湍流强度较大的地区，应慎建、或不建风电场，若风电场的湍流强度超过机组的安全设计等级时，在选机型时应与机组生产厂家充分交流，对设备的承受能力进行充分地论证和评估。
 
　　1.3 交变载荷与机组部件损坏
 
　　风电机组容易受到疲劳载荷的严重影响。在600KW 机组中，叶轮在20 年的寿命期内会旋转2×108次，每转一周都会产生于低速轴和叶片重力完全相反的力，以及由风剪切力、偏航误差、轴倾斜、塔架阴影和湍流引起循环的叶片平面载荷。因此，许多风电机组部件的设计都取决于疲劳载荷而不是极限载荷。
 
　　短期平均风速的波动或湍流对载荷设计产生主要的影响，因为，这是极端阵风载荷和大部分疲劳载荷的来源。叶轮转动会不断产生局部剪切阵风，使叶片的疲劳载荷加剧。
 
　　由于风电机组运行在非常复杂和多变恶劣的环境下，所以，机组所承受的载荷情况也是非常复杂的，不同的载荷情况对于机组的各个部件的受力情况都有不同的影响，而确定载荷情况对于后续的设计来说是非常重要和基础性的工作。
 
　　不同的机位，因风况和环境条件不同，机组所受到的动态载荷差异很大。环境湍流强度是指风电场中单独一台风电机组承受的正常湍流强度，该湍流强度没有受其他机组或者障碍物的尾流影响。确定风电机组湍流强度等级不仅取决于环境湍流强度，更应考虑因为风电机组尾流产出的湍流强度。风电场中机组承受的有效湍流强度由环境湍流强度和因机组彼此之间尾流产生的湍流强度两部分组成。
 
　　不同设计湍流强度等级对等效疲劳载荷的影响相对来说要大很多，基本上降一个湍流强度等级，等效疲劳载荷就会相应的降低10%。湍流强度对等效疲劳载荷的影响非常大。另外，风轮直径越大，降低湍流强度等级对降低等效疲劳载荷的作用越明显。因此，叶轮直径和机组的设计湍流强度等级对机组交变载荷的承受能力影响很大。
 
　　为了使风电机组能长期安全稳定运行，我们在设计和制造时要重点考虑机组的抗疲劳载荷能力；在风电场微观选址时，充分考虑风况和环境条件对机组的影响，以避免部件的损坏，延长风电机组的使用寿命。
 
　　2. 微观选址的主要影响因素
 
　　工作在自然环境状态下的风电机组，由于湍流产生的机理和原因很复杂，对设备的影响也是多方面的。在风电场微观选址时，通过对各种影响因素的综合考虑，减少湍流强度对设备的影响和破坏，实现风电场的最优选址。
 
　　2.1 地面粗糙度的影响
 
　　在近地层中，风速随高度有显著变化，但由于地面粗糙度不同，风速随高度的变化也就不同。大气低层常用指数公式表示风速和高度与地面粗糙度的变化关系：
 

 
　　式中，Vh：为在高度Xh 处的风速；V0：为在高度X0 处的风速；α：为指数，它与地面粗糙度有关。我国常用的α 值分为三类：0.12、0.16、0.20。按公式计算，见表2。
 

 
　　2.2 障碍物的影响
 
　　由于气流经过障碍物时，在其下游会形成扰动区。在扰动区风速不但会降低.而且还有强的湍流，对机组运行十分不利。因此， 在选择机组安装位置时， 必须要避开障碍物下流的扰动区，从理论上讲，扰动区的长度约为17H（H为障碍物高度），所以， 在选址时，要尽量避开障碍物，一般应在10H以上。
 
　　2.3 地形的影响
 
　　对于山地风电场，山地地形以及植被对风电机组所带来的湍流影响很大。当气流通过丘陵或山地时，由于受到地形阻碍的影响。在山的向风面下部，风速减弱。且有上升气流；在山的顶部和两侧，风速加强；在山的背风面，风速减弱，且有下沉气流，重力和惯性力将使山脊的背风面气流往往成波状流动。
 
　　山地对风速影响的水平距离，一般在向风面为山高的5~10倍，背风面为15倍。且山脊越高，坡度越缓，在背风面影响的距离越远。
 
　　根据经验，在背风面对风速影响的水平距离L大致是与山高h和山的坡度α半角的余切的乘积成比例，即：
 
 
　　封闭的谷地风速比平地小。长而平直的谷地，当风沿山谷而吹时，其风速比平地加强，即产生狭管效应，风速增大；但当风垂直谷地吹时，风速则较平地为小，类似封闭山谷。
 
　　根据实际观测，给出封闭谷地y1 和峡谷山口y2 与平地风速的关系式[8]：
 
　　y1=0.712x+1.10
 
　　y2=1.16x+0.42
 
　　y1：封闭谷地风速；y2：峡谷山口风速；x：平地风速。
 
　　2.4 周围环境
 
　　风电场在其建设过程中会对周围环境有所影响，因此，风电场的微观选址把对周围环境的影响也考虑进内，一方面， 要对生态环境进行保护，比如飞禽的迁徙路线、鸟类飞行路线以及动物栖息地等，还要保证尽量不要占用耕地和植被等；另一方面，还要考虑噪声的影响，根据相关规定要求风电场发电机组和最近的居民小区的距离的确定，其噪声的大小不能超过45db。
 
　　3. 如何进行风电场微观选址
 
　　3.1 平坦地形的微观选址
 
　　平坦地形可以定义为，在风电场区及周围5km 半径范围内其地形高度差小于50m，同时地形最大坡度小于3°。实际上，对于周围特别是场址的盛行风的上（来）风方向，没有大的山丘或悬崖之类的地形，仍可作为平坦地形来处理。
 
　　在平坦地形进行微观选址时，主要考虑以下两个方面：
 
　　第一、粗糙度的影响对平坦地形，在场址地区范围内，同一高度上的风速分布可以看作是均匀的，可以直接使用邻近气象台站的风速观测资料来对场址区进行风能估算。对平坦地形，采用同一叶轮直径的风电机组，提高风电机组功率输出的唯一方法是增加塔架高度。
关键词：风电场 风电 风机

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