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提高风电场效益的技术与管理经验

2017-08-22 15:56:14 风能产业　点击量：评论 (0)

1 引言　　随着世界各国对能源安全、生态环境、气候变化等问题日益重视，加快发展风电已成为国际社会普遍的共识和一致行动。到2016年底，风电年发电量占全国总发电量的4%，已成为继火电、水电之后的第三大

1.引言

　　随着世界各国对能源安全、生态环境、气候变化等问题日益重视，加快发展风电已成为国际社会普遍的共识和一致行动。到2016年底，风电年发电量占全国总发电量的4%，已成为继火电、水电之后的第三大电源。未来的能源结构中新能源的占比将会持续扩大。

　　但这并不意味着风电行业的发展从此就将一帆风顺。不断下降的风电上网电价水平、弃风限电、风电机组设备技术性能逐年衰退、运维管理跟不上迫使着风电行业不断地进步以生产出相比较其它能源而言更加经济，更加具有竞争力的能源。

　　为此，在排除不可抗拒的上网电价下降、弃风限电等因素之外，如何从技术角度和管理方面发力，加快风电场的转型，以促进风电效益的双提升，破解了风电场运行管理过程的难题，提高了设备的利用率和风场效益，是本文具体论述的主要内容。

　　2.技术角度

　　2.1 偏航校准

　　大多数的风电机组均存在一定的偏航误差，偏航误差的存在可能会给风机带来破坏性的载荷，以及次佳的功率输出。根据EWEA发布的调查研究，只有20-25%的风机的偏航误差在2度以内，年发电量损失0.2-0.5%，而大部分机组偏航误差在6度以上，年发电量损失达2%左右。风电机组偏航误差产生的原因很多，传统风向测量的设备都是装在机组的尾部气象站上面，无论是机械式还是超声波，都会受到桨叶的扰动、机舱的外形的扰流，另外还有安装和制造引起的误差，这其中气流扰动影响最大。

　　如何避免气流的扰动，准确测量当前的风向，校准以往的偏航误差，在此需要一种全新的测量手段，目前比较成熟的技术手段是采用激光测风雷达进行测量。激光雷达通过高频激光束射向风机正前方，来测量风机的风速和风向，排除了叶片的干扰，实现了准确和提前测量。风机偏航的校正需要经过一段时间的测量，通过调整测风仪或者修改风机的参数，把偏差纠正到1度以下，在调整完毕之后，进行下一台风机校准测量或者直接作为永久测风仪。

　　偏航误差造成风机发电量的损失，以及额外的风力载荷将直接影响风场的长期效益。从投资回报率来分析，激光测风仪来校正传统风机的模式，大概半年可以收回校正的投资，因此在技术手段能够解决的范畴内，存在偏航误差的风电机组应尽快进行校准工作。

　　2.2 叶片维修与防护

　　随着风电市场的逐渐成熟，风力发电机组向大型化发展，叶片长度的不断增长，同时带来叶片重量的增加。然而风电场的位置偏远，运行环境恶劣，如较大的风沙侵袭，-30℃至50℃的循环温差，盐雾腐蚀以及强紫外光等，兆瓦级的机组其叶尖线速度高达200-250Km/h,在这样高转速下，风沙和雨滴对风电叶片的侵蚀相当于等离子切割，叶片表面容易形成空洞，加快腐蚀、老化的进度，投产后不久即损坏严重。研究表明，叶片表面粗糙度的增加以及缺陷的累积将导致发电效率降低5%-30%，还可能导致叶片运行失稳造成齿轮箱故障。

　　风机叶片上面小的缺陷如果没有得到及时的专业修复，将导致裂纹延伸至叶尖和内部复合材料中，造成叶片大面积的开裂，最后不得不进行大型修补或者返厂处理，给风电企业带来重大经济损失。叶片损伤产生原因主要有：①生产时的设计和制造缺陷②运输过程中的磕碰损伤③雷击、砂石雨滴、盐雾、污物等自然因素，造成了前缘腐蚀开裂、后缘损伤、表面裂纹、叶尖削磨等问题。

　　为了保证风机叶片长久高效运行，同时兼顾当下的实际运行，叶片维修建议选择在风较小的季节，对风电场的叶片定期进行检查，针对前后缘腐蚀、叶尖以及叶片避雷系统进行检查、维护，修补后，可在叶尖处前缘贴上风电叶片保护膜，加强叶片重点损坏部位的防护，延长寿命。通过对叶片的缺陷的修复和保养，以较低的费用提高了叶片的气动性能，使机组在盛风期具有更高的发电效率。

　　另外，如何根治造成叶片大量损坏的“水土不服”问题，本文从探讨的角度分析，应根据我国各地区风电场的环境条件和已有叶片服役之后的反馈来分区域设计叶片涂层厚度、叶片保护膜厚度以及涂装工艺，摒弃之前叶片企业“一刀切”的模式，生产出真正满足运行环境要求的定制化叶片。

　　2.3 气象站的冰冻问题

　　风力发电机组发电量的多寡的根本外界因素是风，风的速度和方向只有准确的被风机上面气象站读取并传输给控制系统，风机才能适时地调整状态，最大程度的获取风能转化为电能。然而在遇到冰冻天气时，气象站将无法识别风况导致风机停运。本文以河北新天科创位于张家口坝上的若干风电场为例，讨论冰冻对风机运行的真实影响。

图1. 2016年11月21河北新天科创张家口坝上地区风电场冰冻灾害天气风机运行数据

　　从上表不难看出，2016年11月21日张家口坝上地区五个风电场13期共65万KW的装机量，风机发电量仅为28万kWh，以当日张家口区域每期平均发电量65.5万kWh计算，结冰损失约749万kWh，仅一天就损失巨大。张家口坝上地区地处河北省最北部，因海拔从七八百米急速上升至近两千米的巨大落差，形成了坝上地区特殊的气候状况。每年初入冬季和来年春天是冻雨灾害的高发期，此时，分布在这片区域的风电机组气象站被冰冻，无法运行，叶片表面同样覆盖一层薄冰，导致风机无法启动，其从被冰冻到解冻恢复功能需要十多小时，严重影响风电场的运行。

　　经过河北新天科创的技术人员分析，气象站、叶片结冰影响风机运行的主要原因如下：：

　　风机气象站现有设备加热功率太小，热量分布也不均衡（局部加热），无法达到快速融冰要求；

　　部分风机气象站风向标、风速仪转动部位连接处为塑料材质，在低温下容易折断。

　　风机气象站风向标、风速仪为机械转动式的，在低温冻雨下，轴承极易被冻住；

　　因风向标结冰，而引发偏航系统进入偏航死区内，引发扭缆故障告警；

　　风机叶片结冰，将改变叶片迎风面形状，会增加塔架载荷和水平方向推力，损耗吸收进叶轮的机械能，滑落的冰块也可能对下方的人、物造成伤害。

　　针对上述情况，河北新天科创做出对现有气象站进行技改的试装探索，包括更换大功率气象站、热场式超声波气象站、面对面超声波气象站。试装结果显示，更换大功率气象站能加快融冰速度，对降低冰冻影响有一定作用，但实际测量中，测得风速往往偏高，在大风时易发风速过高、暴风停机等故障，降低风机的可利用率；热场式超声波气象站在冰冻天气其风速数据经常连续变化，波动情况严重；而面对面型超声波气象站，因外形小巧，功率较大，散热均匀，能将冰冻对风机运行影响减少至最低，保证在整改冰冻期间风机不停运。

　　2.4 齿轮箱油温高

　　经过笔者对全国多个风电场的问询调查，发现很多机型在夏季或者大功率运行存在齿轮箱油温过高的现象，包括华锐1500、GE1500、明阳1500、Gamesa850等国内外风机机型。齿轮箱油温一旦过高，导致控制软程序自动限功率运行或故障停机，风机的发电功率曲线发生偏移，影响风机的发电量和风电场的效益。

　　通过对机型的深入分析，导致齿轮箱油温高的原因，主要有两方面：①厂家设计缺陷②冷却系统故障和环境因素。

　　2.4.1 厂家设计缺陷

　　中国国土面积辽阔，环境气候复杂多样，而风机生产商在很长一段时间里，应用在不同地区的机组都采用同一标准来设计生产，没有做针对性的优化设计，导致在夏季高温甚至冬季大风时期频繁报高温故障。究其原因，问题基本出在散热器的功率太小，齿轮箱运行时产生的热量无法被有效带走，引发油温超过警戒值，发电效率降低。针对此类设计缺陷，可在齿轮箱上面加装额外的散热器或者更换原散热器，提高散热效率。

　　2.4.2冷却系统故障和环境因素

　　2.4.2.1冷却系统故障主要有如下情况：

　　单向阀失效，一直处于导通状态，冷却回路失效

　　温控阀失效，无法根据温度调节冷却和润滑两个方向的流量

　　散热器堵塞，导致流经散热器的齿轮箱偏少，散热效率下降

　　出现上述三个部位的故障时，现场技术人员根据每个部位的情况及时维修或更换。

　　2.4.2.2环境因素

　　环境因素主要是影响散热器的散热效率，主要有各种絮状物和灰尘飘进机舱，堵住散热器下面的进风口，使得排风扇抽风散热效果不明显，降低散热功率。此种情况需要现场人员定期检查时做好清洁工作，排除杂物的干扰。

　　3.运维管理角度

　　3.1 定检与巡视制度管理

　　为使风机能够稳定安全运行，增加风机各部件的使用寿命，提高风机设备的可利用率，风电现场除了做好日常的故障消缺之外，定期的检查和巡视工作是一样重要的基础工作，关系到风机全年的故障率乃至整个生命周期的使用效率，因此风电场有必要建立完善的定检和巡视制度，并保质保量、安全高效的完成。

　　“千里之堤，毁于蚁穴”，大故障和大事故的发生往往是因为不起眼的小缺陷的积累。定检和巡视就是查出这些小缺陷，并逐一处理的过程。风力发电机组是一个包括涵盖机械、电气、液压和控制、输电等多种学科的复杂系统，我们必须保证每个子系统的安全可靠运行，才能使得整个系统有机运转。在机械系统的检查中，必须严格按标准打好每一个螺栓力矩、加注每一个转动单元的润滑油脂、做好每一次轴对中、每一个碳刷和刹车片的测量等；电气系统不放过一个松动的端子接线、每一处电机的安全测试、可能造成短路的杂物清理等；输电系统中的巡视中注意每一个箱变的运行情况、每一处防雷接地和绝缘的测量等。细节决定成败，通过以往的经验来看，真正按标准执行的定检将很大程度上减少后续的风机故障率，减轻人员工作压力，同时也降低了运维成本，提高了发电效益。

　　3.2 备件品质和技术服务管理

　　3.2.1备件品质

　　风力发电机组常年运行在环境恶劣的电网和自然条件下，高质量可靠的备件是其稳定运行的重要保证。随着风电装机容量的不断增加和大批风电机组出质保期，风电后市场迎来井喷式增长，备件市场乱象繁生。目前市场上高价值和易耗品的假货黑货随处可见，各风电集团采用的最低价中标制度也间接导致了各种良莠不齐的备件进入风电场的库房当中，给风电现场风机的安全运行造成极大的隐患，所引起的直接故障和间接故障在总故障中的占比越来越高，并将长久的影响风机的健康水平和发电效率。从备件的采购和使用端入手，坚决严惩假货黑货供应者，严禁不良备件的进入风电场的库房，做好备件故障问责制，多管齐下，提高备件品质。

　　3.2.2技术服务

　　风电机组从一出厂运到风电现场，其原始设计对于现场环境注定不是完美的。机组在投产之后会暴露出越来越多的问题，随之会有备件损坏，备件更换，问题比较严重者需要做技术改造。这其中涉及到备件的维修和技术改造问题，现如今，备件维修与技术改造领域并没有相关的行业标准，因此能够参与的门槛相对降低，因此暴露出了很多问题，例如以次充好、表面维修，技术改造方案施工不成熟、改造后问题频出等等。不过关的维修件其实和假货黑货类似，将极大的影响风机的运行安全，而技术改造如果不完善，将造成更大的困扰，引发新的问题。为此，给技术服务提供者设立必要的门槛，检验其技术水平的高低对维修和技改来说显得尤为重要。

　　3.3 技术交流与传承

　　风电场的运行离不开日夜坚守的运维人员，更离不开他们身上掌握的风电运维技术。如何提高风电场的技术水平，提高风机故障的消缺效率一直是各个风电场领导需要考虑的问题。风电场的风机的运维技术来源整机厂家，整机厂家掌握了最全最完善的系统技术要领，提高风电场整体技术水平的关键在于尽量多的学习整机技术人员的技术。风机在投产之后的几年当中，整机厂家人员的代维期是风电场业主技术人员学习掌握风机技术的绝佳时期，多学多问，紧跟厂家，协同处理故障是最好也是最有效的方法。而在机组出质保之后，风电场自身的技术人员可通过到整机厂家培训，与相同机型兄弟风电场组织技术交流，加强自身技术能力建设。风电场作为一个人员流动频繁的地方，如何做好人员流动而技术不流失，需要建立一个传承，一个老带新的师徒制，同时建立健全已有的技术归档，做到可查可问，形成风电场内部的技术传承模式。

　　4.结语

　　风电场作为一种新能源产业生产的最前方，需要资金、技术、人才、管理等生产要素的有效投入和优化组合，而这些要素聚合在一起并发挥作用，需要风电场人员不断探索创新，寻求技术价值的潜力和管理效益的最大化。

　　参考文献：

　　[1]朱国华。高新技术产业化的专利、标准与人才战略。北京：化学工业出版社，2010.

　　[2]朱平。对风电叶片服役之后表面状态的调查以及原厂涂装反思 . 风能杂志， 2012.

　　[3]邓磊，冯高煜，曾益民。南山风电场XE82机型气象站抗冰冻的研究。长沙：湖南电力，2013.

　　[4]李建威。 SL1500风力发电机组齿轮箱油温高问题分析 . 中国风电后市场专题研讨会。 2015