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沿海風電機組如何提高抗臺風能力

2019-12-05

近年來,風力發電成為福建省電力能源產業發展重點,截至2010年底,福建全省風電總裝機容量55.77萬千瓦。風力發電帶動沿海經濟發展的同時,也時常飽受臺風侵擾之惑,給安全生產工作帶來影響。

本文以福建大唐漳州六鰲風電場設備事故為案例,從技術手段和管理措施兩個層面,詳細闡述沿海地區如何加強和提高風電機組抗擊臺風的能力。

臺風對風電場的影響特征包括極端風速、突變風向和非常湍流等,這些因素單獨或共同作用往往使風電機組不同程度受損,如葉片因扭轉剛度不夠出現通透性裂紋或被撕裂;風向儀、尾翼被吹毀;偏航系統和變槳系統受損等,以及最嚴重的風電機組倒塔。

六鰲風電場設備損壞事故分析

六鰲風電場位于福建省漳浦縣六鰲半島東側的海岸線地帶,目前在役總裝機容量為101.6兆瓦,總計85臺風機。工程分三期開發,共用一個升壓站集中控制。

2010年10月23日12時55分,強臺風"鲇魚"在福建漳浦縣六鰲鎮正面登陸,登陸時近中心最大風力13級(38米/秒),中心最大氣壓為970百帕,是2010年最強臺風。

強臺風"鲇魚"的正面登陸造成六鰲風電場三期Z13號風機倒塔、Z10號風機葉片折斷。造成一期兩臺箱變線圈短路燒損;二期兩臺風機輪轂進水,控制柜內元器件損壞;三期Z2、Z13號兩臺箱變繞組短路燒損。

事故原因分析:1.臺風造成的瞬時風速、湍流強度和入流角超過受損風機的設計制造標準,是事故的直接原因。

依據相關設計制造標準,Z72-2000型風力發電機組可承受極端風速 (50年一遇3秒平均)為70米/秒,最大湍流強度為0.16,最大入流角為8。

根據福建省氣候中心的風速計算報告結果,在Z13號風機倒塔時段內瞬時計算風速(3秒鐘平均)達70.2米/秒,湍流強度達0.3以上,超出了風機可承受的極端風速及湍流極大值;在Z10號風機葉片折斷時段內湍流強度高達0.3以上,入流角20以上,湍流強度和入流角均大大超出風機可承受的最大湍流強度和最大入流角。

2.臺風造成箱變進水短路,導致風機失去電網電源,是事故擴大的原因。

強臺風將三期Z2、Z13號兩臺箱變頂蓋掀開,致使雨水進入,箱變發生短路。

Z13號風機葉片由于超強風速和高湍流帶來的瞬時極大變槳扭矩超出變槳伺服電機尾部剎車所能承受的極限,被迫向工作位置(0)變槳。當葉片向工作位置旋轉后,風機變漿系統又自動動作對葉片進行收槳操作。由于Z13號箱變短路,Z13號風機失去電網電源,葉片收漿只能靠蓄電池提供控制動力。因持續大風及高湍流,葉片多次被吹至工作位置并反復收槳。葉片反復收漿,導致蓄電池電量耗盡,最終葉片無法收漿。由于此時風機處于空載狀態,葉輪不斷加速直至飛車,輪轂轉速急劇上升造成風機其它部分(葉片及塔筒)載荷也隨之急劇增大,葉片及塔筒螺栓承受載荷超出其設計載荷,最后導致風機倒塔、葉片斷裂。

事故暴露的問題1.沿海地區的風電機組不具備抗強臺風能力。

本次事故的Z72-2000型風機變槳制動力矩在設計時考慮50年一遇3秒鐘平均70米/秒的極端風速情況和0.16的湍流強度,相對于強臺風"鲇魚"正面登陸帶來的極端風速伴隨的高湍流和大入流角,變槳制動力矩不足,制動策略不能滿足抗強臺風的要求。風電機組箱變頂蓋與箱體的聯接強度不夠,抗臺風能力不足,致使箱變頂蓋被強臺風掀開,雨水進入變壓器及盤柜的電氣元件,造成短路。

2.風電機組微觀選址工作中部分計算結果與實際情況偏差較大。

六鰲三期風電機組微觀選址時對局部區域的湍流強度分析計算結果與實際情況存在較大差別。根據湘電公司提供的六鰲三期風機安全性復核報告,微觀選址的13個機位根據12個月的測風數據計算出的平均湍流強度為0.109,最大湍流強度為0.128,遠小于此次臺風登陸后實際的湍流強度(0.3以上),軟件計算結果與實際不符。

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3.設備制造未滿足合同要求。

Z10、Z13號風機失控表明,風機制造沒有滿足設備技術規范書"風電機組必須至少配有兩套獨立的制動系統,由此保證風電機組能在任何條件下(包括電網故障甩負荷)和風輪轉速達到最大轉速條件下停機"的要求。

從技術手段與管理制度入手提升風機抗臺風能力

如何加強沿海地區風電機組抗臺風能力,下面主要從技術手段和管理制度兩個層面加以分析和提出對策。

1.加強風電場建設的微觀選址風電機組的微觀選址應當綜合考慮風電機組的安全性和發電效益。微觀選址方面,因臺風強氣流突然改變帶來的非常湍流是造成風機破壞性損害的主要原因,避免在環境湍流大的區域安裝風電機組就是最有效的預防措施。風電場在場址選擇時,應避開臺風經常登陸的地方,避開強風區。風機基座在微觀選址時,應緊密結合風電場實際資料,準確分析風電場的平均湍流強度、最大湍流強度、最大瞬時風速、入流角等風能特征參數指標,選取合理的風機基座位置。如果微觀選址不合理,就會造成風機被破壞。

2.機組選型按照國標風力發電機組安全等級的要求,風電機組應設計成能安全承受由其等級決定的風況。風電機組適用的風速,一般不允許超過參數的限值,以免產生安全隱患。設備在選型時要重視控制系統電源防風、防雨能力。在風機關鍵部位,尤其是箱變部位,應選取風電機組箱變頂蓋與箱體的聯接強度最高,抗臺風能力最好的風機,從而避免使箱變頂蓋被強臺風掀開,致使雨水進入變壓器及盤柜的電氣元件,造成短路;重視風機變槳制動系統和風機本體自動控制系統,確保風機在失去電網電源的情況下,有其他的安全策略使風機本體不會因蓄電池電量耗盡而失去控制。

3.管理措施層面風電場的安全經濟運行涉及多個部門,包括風電機組制造商、風電場業主及運行單位等相關部門。有效地提高風電抗臺風能力,只有以上單位通力協作,才能充分保障風電的安全經濟運行。

4.風電機組制造商設備制造單位為沿海地區及海上風電場生產供應風機設備時,應充分考慮臺風的影響,針對不同的風場,不同的機位采取差異化設計制造。同時,對易遭受臺風襲擊的沿海地區及海上風電場的風機設備應優化風電機組的制動策略,增強風機變槳制動力矩,提高控制系統電源防風、防雨能力,確保在強臺風時能保證風機設備安全。

5.風電場業主及運行單位臺風易發、頻發地區,應當對風電場所有風機的湍流強度重新進行校核計算,并按計算結果采取相應的防范措施。風機直接遭受過強臺風影響的,應對風機塔筒聯接螺栓等設備、零配件進行外觀檢查及金相抽檢,受損部件應及時更換并做好記錄,保證風機運行安全。應當加強風機設備的監造和驗收,確保設備制造滿足合同要求。在風電場裝設視頻監控設備,將視頻信號實時傳送到風電場中控室,以便實時了解掌握風電設備運行情況。

6.災害預警風電場應根據氣象部門發布的臺風災害預警信息,跟蹤臺風的移動路徑及風雨強度變化,及時做好應對策略,最大程度上減少臺風災害對風電場的破壞,并充分利用臺風,提高發電效益。同時還應依據風電功率預測系統發布的風速、風向預測信息,做好風電場的發電計劃,合理安排風機運行。

7.事故處置臺風是強烈的熱帶氣旋,臺風蘊涵的巨大自然能量將對風機設備結構施加靜載荷和動載荷疊加效應,形成周期性激蕩,如周期恰與風電機組固有振動周期相近時(或整數倍時),應使葉輪處于避風自由狀態,避免臺風與風機設備結構產生橫向共振,使之葉片出現裂紋、撕裂、折斷,偏航和變漿系統受損,甚至倒塔,最終導致機組損壞。

因此防范臺風時要求對電力變漿風機緊急備用電源正常,確保停機時風機葉片能夠執行順漿避風的安全指令,使葉輪處于自由避風狀態,避免設備與臺風湍流頻率形成共振。液壓變漿風機 (如V80、G52風機)應保證液壓控制系統正常,可隨風力大小自動調整葉片轉角,當停機時液壓釋放葉片自動順漿以確保風機安全。

當超強臺風來臨時,對定漿距風機可預先全場停機,根據臺風風向,將風機葉輪偏航至順風向,以確保風機安全。同時,確保通信信號數據暢通,實時監控臺風數據。 (作者單位:福建電監辦)

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