DQZHAN訊：臺(tái)風(fēng)對(duì)沿海風(fēng)電機(jī)組的危害及對(duì)策
本文以作者本單位所屬兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)(紅海灣風(fēng)電場(chǎng)和甲東風(fēng)電場(chǎng))2013年9月22日受超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“天兔”襲擊時(shí)造成的損壞情況為例，對(duì)臺(tái)風(fēng)的危害性進(jìn)行分析，進(jìn)一步總結(jié)風(fēng)電場(chǎng)的防臺(tái)抗臺(tái)經(jīng)驗(yàn)。
臺(tái)風(fēng)的危害性
紅海灣風(fēng)電場(chǎng)位于廣東省汕尾市紅海灣開(kāi)發(fā)區(qū)施公寮半島，安裝有25臺(tái)660kW的風(fēng)電機(jī)組,于2003年5月投產(chǎn)。
甲東風(fēng)電場(chǎng)位于廣東省陸豐市甲東鎮(zhèn)洋美村沿海，安裝有24臺(tái)850kW的風(fēng)電機(jī)組，于2007年1 月投產(chǎn);5臺(tái)2MW的風(fēng)電機(jī)組于2012年1 月投產(chǎn)。兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)每年平均受到臺(tái)風(fēng)的襲擊有3次-6次。
一、超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)登陸情況
臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)信息： 中央氣象臺(tái)2013年9月21日06時(shí)發(fā)布臺(tái)風(fēng)紅色預(yù)警：今年第19號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“天兔”的中心附近*大風(fēng)力有16級(jí)(55m/s)，中心*低氣壓為925百帕，七級(jí)風(fēng)圈半徑380公里，十級(jí)風(fēng)圈半徑150公里。 預(yù)計(jì)，“天兔”將以每小時(shí)20公里左右的速度向西偏北方向移動(dòng)，逐漸向廣東沿海靠近，并將于22日下午到23日早晨在廣東中東部沿海登陸,如圖1所示。
臺(tái)風(fēng)登錄信息：2013年9月22日19時(shí)40分，2013年第19號(hào)臺(tái)風(fēng)“天兔”在廣東省汕尾市紅海灣開(kāi)發(fā)區(qū)施公寮和遮浪之間登陸(紅海灣風(fēng)電場(chǎng)位于臺(tái)風(fēng)直接登陸點(diǎn)內(nèi))。臺(tái)風(fēng)登陸前17時(shí)54分，紅海灣風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)*大風(fēng)速達(dá)62.9m/s，已超過(guò)17級(jí)。臺(tái)風(fēng)中心登陸時(shí)因電網(wǎng)失電，風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控機(jī)無(wú)法測(cè)得當(dāng)時(shí)*大風(fēng)速，如圖2所示。
二、風(fēng)電場(chǎng)受災(zāi)情況
臺(tái)風(fēng)“天兔”過(guò)境，紅海灣風(fēng)電場(chǎng)和甲東風(fēng)電場(chǎng)都受到不同程度的損壞，其中：紅海灣風(fēng)電場(chǎng)因位于臺(tái)風(fēng)登陸點(diǎn)，受損嚴(yán)重;甲東風(fēng)電場(chǎng)由于離臺(tái)風(fēng)登陸點(diǎn)相對(duì)較遠(yuǎn)，受損情況相對(duì)較輕。具體損壞明細(xì)如表1所示，損壞情況如如圖3至圖6所示。
防御臺(tái)風(fēng)應(yīng)對(duì)措施
一、啟動(dòng)防臺(tái)風(fēng)應(yīng)急預(yù)案
2013年9月18日，當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)發(fā)布“天兔”超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)信息，本單位開(kāi)始著手臺(tái)風(fēng)防御各項(xiàng)工作，落實(shí)各項(xiàng)檢查、隱患防范及物資儲(chǔ)備工作。21日10時(shí)，提前宣布啟動(dòng)臺(tái)風(fēng)應(yīng)急預(yù)案，對(duì)防臺(tái)工作進(jìn)一步部署，全體人員按照職責(zé)分工分別在紅海灣風(fēng)電場(chǎng)、甲東風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)展預(yù)防措施。
二、超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)登陸過(guò)程及應(yīng)對(duì)措施
臺(tái)風(fēng)登陸的時(shí)間過(guò)程如圖7所示。
22日13:02，臺(tái)風(fēng)距離廣東中東部沿海約500km,甲東風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)得風(fēng)速達(dá)到25m/s，14:30，紅海灣風(fēng)電場(chǎng)測(cè)得風(fēng)速達(dá)到20m/s并持續(xù)加大,風(fēng)速瞬時(shí)變化大。為保障風(fēng)電機(jī)組**，期間值班員經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)指揮員同意，按照預(yù)案措施將風(fēng)電機(jī)組主動(dòng)切出運(yùn)行**停機(jī)，并檢查各風(fēng)電機(jī)組槳葉全部在順槳位置。
22日15:30，甲東風(fēng)電場(chǎng)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)系統(tǒng)失電，15時(shí)為電網(wǎng)系統(tǒng)失電前*高風(fēng)速時(shí)間段，甲東風(fēng)電場(chǎng)26#風(fēng)電機(jī)組記錄到46.9m/s風(fēng)速;據(jù)香港天文臺(tái)和國(guó)家氣象局了解，甲東鎮(zhèn)出現(xiàn)*大陣風(fēng)為17級(jí)，*大風(fēng)速達(dá)61m/s。
22日18:30，紅海灣風(fēng)電場(chǎng)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)失電。紅海灣風(fēng)電場(chǎng)失電前，監(jiān)控顯示18:26時(shí)刻9#風(fēng)電機(jī)組*大風(fēng)速為62.9m/s。根據(jù)從風(fēng)電場(chǎng)周邊遮浪海洋自動(dòng)站了解到的信息，紅海灣風(fēng)電場(chǎng)*大風(fēng)速出現(xiàn)在19:30前后，由于當(dāng)時(shí)電網(wǎng)斷電，兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際*大風(fēng)速目前還無(wú)法得知。
在電網(wǎng)失電之前，值班人員實(shí)時(shí)監(jiān)控風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)(風(fēng)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、葉片角度等參數(shù)變化)和變電站后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)信息(母線三相電流、電壓，主變運(yùn)行狀況等)，觀察變電站室外設(shè)備的運(yùn)行狀況(設(shè)備有無(wú)放電現(xiàn)象)，并做好風(fēng)電機(jī)組、變電站設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的拷貝和狀態(tài)記錄。
三、受災(zāi)后的檢查和恢復(fù)工作
臺(tái)風(fēng)“天兔”過(guò)境后現(xiàn)場(chǎng)面目全非，慘不忍睹。本單位及時(shí)開(kāi)展災(zāi)后各項(xiàng)**隔離、對(duì)全場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行檢查檢測(cè)等處置工作。在上級(jí)公司及各有關(guān)方的幫助下，生產(chǎn)人員經(jīng)過(guò)連日奮戰(zhàn)檢查并修復(fù)了兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)備設(shè)施，2013年10月29日甲東風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)電機(jī)組恢復(fù)投入運(yùn)行并網(wǎng)發(fā)電， 2014年1月24日紅海灣風(fēng)電場(chǎng)7臺(tái)V47風(fēng)電機(jī)組恢復(fù)投入運(yùn)行并網(wǎng)發(fā)電。
本單位委托第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)——必維國(guó)際檢驗(yàn)集團(tuán)對(duì)臺(tái)風(fēng)“天兔”過(guò)境進(jìn)行調(diào)查分析。通過(guò)對(duì)兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)受災(zāi)情況開(kāi)展調(diào)查、分析、檢驗(yàn)評(píng)估等工作后，得出以下評(píng)估結(jié)論：臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間現(xiàn)場(chǎng)對(duì)機(jī)組的操作正確并采取了相應(yīng)的保護(hù)措施，機(jī)組在斷電前控制動(dòng)作正確無(wú)異常;通過(guò)各項(xiàng)數(shù)據(jù)并結(jié)合從風(fēng)電機(jī)組模塊上讀取的數(shù)據(jù)，對(duì)臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)的風(fēng)速進(jìn)行了建模和計(jì)算顯示，機(jī)組受損的原因是“天兔”臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)況超出了機(jī)組的設(shè)計(jì)極限，載荷超過(guò)機(jī)組設(shè)計(jì)承載能力。
臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的載荷和失效性分析
本單位兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組屬于Ⅰ類風(fēng)電機(jī)組，抗風(fēng)設(shè)計(jì)是3s可承受平均*大風(fēng)速為70m/s，10min可承受平均*大風(fēng)速50m/s，是建設(shè)當(dāng)時(shí)國(guó)際上承受風(fēng)力等級(jí)*高的風(fēng)電機(jī)組。依當(dāng)?shù)貧庀笳緮?shù)據(jù)，本次超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)為自1953年以來(lái)*強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，其強(qiáng)度已經(jīng)超過(guò)風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響特征如圖8所示，包括極端風(fēng)速、突變風(fēng)向和非常湍流等，這些因素單獨(dú)或共同作用往往使風(fēng)電機(jī)組不同程度受損，如葉片因扭轉(zhuǎn)剛度不夠出現(xiàn)通透性裂紋或被撕裂;風(fēng)向儀、尾翼被吹毀;偏航系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)受損等，以及*嚴(yán)重的風(fēng)電機(jī)組倒塔。
一、葉片、輪轂損壞原因分析
紅海灣風(fēng)電場(chǎng)：有10臺(tái)風(fēng)電機(jī)組葉片、輪轂嚴(yán)重?fù)p壞，共有28支葉片嚴(yán)重受損(葉片中段折斷、出現(xiàn)嚴(yán)重裂紋)，有8個(gè)輪轂內(nèi)部變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)斷裂、受損，需要拆卸風(fēng)輪或葉片進(jìn)行更換。
甲東風(fēng)電場(chǎng)：有1臺(tái)風(fēng)電機(jī)組1葉片嚴(yán)重撕裂，需要更換，如圖11所示。
分析：臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)的風(fēng)向突變。風(fēng)向并不總是沿著對(duì)葉片受力較有利的順槳方向吹入，如圖9所示，也可能從對(duì)葉片受力*不利的垂直葉面方向吹入，如圖10所示，此時(shí)風(fēng)電機(jī)組可能由于電網(wǎng)等原因緊急停機(jī)而處于剎閘狀態(tài)，這就大大增加了葉片的載荷(相差30%)。
事實(shí)上，紅海灣風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組在斷電的狀態(tài)下，偏航失效，風(fēng)輪無(wú)法調(diào)整對(duì)風(fēng)，臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)向隨臺(tái)風(fēng)中心移動(dòng)而變化，出現(xiàn)持續(xù)的各個(gè)方向的大風(fēng)作用在葉片上產(chǎn)生持續(xù)的極大彎扭組合力矩，并且由于臺(tái)風(fēng)風(fēng)速已經(jīng)超過(guò)了設(shè)計(jì)極限，產(chǎn)生的彎扭組合力矩會(huì)超過(guò)葉片及變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)承載極限，導(dǎo)致葉片斷裂，變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)受損。
紅海灣風(fēng)電場(chǎng)有8臺(tái)風(fēng)電機(jī)組塔筒倒塔，倒塔方位均在東南140度至南185度方向范圍內(nèi)，如圖14所示，其中6臺(tái)機(jī)組向機(jī)頭方向倒塔，1臺(tái)機(jī)組向尾部倒塔，1臺(tái)機(jī)組側(cè)向倒塔。所有倒塔機(jī)組塔架折彎位置一致，均在下塔架中段約7m-8m位置，如圖13所示，部分螺栓拉斷，或嚴(yán)重變形，部分機(jī)組塔底法蘭變形。
分析：臺(tái)風(fēng)方向不斷變化，風(fēng)電機(jī)組在失電下不能及時(shí)調(diào)向成順風(fēng)式或者逆風(fēng)式，以致作用在風(fēng)電機(jī)組上的側(cè)傾力變大，塔筒的側(cè)傾力矩變大而倒塌。臺(tái)風(fēng)施加在機(jī)組上的靜力效應(yīng)和動(dòng)力效應(yīng)共同作用下不斷施加疲勞載荷，*后達(dá)到或者超過(guò)塔筒的設(shè)計(jì)載荷極限，嚴(yán)重的使塔筒傾覆。
紅海灣風(fēng)電場(chǎng)8臺(tái)風(fēng)電機(jī)組倒塔風(fēng)電機(jī)組塔架彎折部位一致，表明各機(jī)組倒塔是受同一類型載荷作用導(dǎo)致。機(jī)組倒塔方向集中在東南南至南向的45度的方位范圍內(nèi)，且大部分背面受風(fēng)折倒，表明機(jī)組倒塔是受西北側(cè)強(qiáng)風(fēng)作用導(dǎo)致。超過(guò)設(shè)計(jì)極限的風(fēng)速導(dǎo)致機(jī)組產(chǎn)生傾覆力矩，機(jī)艙擺動(dòng)，持續(xù)的強(qiáng)風(fēng)作用帶來(lái)的連續(xù)大載荷與同向的機(jī)艙擺動(dòng)共同作用，超過(guò)塔架承受極限后機(jī)組倒塔。
三、風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙著火分析
紅海灣風(fēng)電場(chǎng)10#、19#兩臺(tái)風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙起火跡象，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)齒輪箱輸出軸至發(fā)電機(jī)輸入軸之間有明顯起火痕跡，高速軸剎車片有嚴(yán)重磨損痕跡，機(jī)艙內(nèi)其他部位未見(jiàn)明顯起火痕跡，風(fēng)電機(jī)組輪轂變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)受損，如圖12所示，葉片處于變槳狀態(tài)。
分析：風(fēng)電機(jī)組背面受強(qiáng)風(fēng)，葉片在強(qiáng)風(fēng)作用下產(chǎn)生極大扭轉(zhuǎn)力矩，導(dǎo)致變槳系統(tǒng)失效，產(chǎn)生極大風(fēng)輪扭矩，超出高速軸剎車盤(pán)與剎車片摩擦承載能力，剎車盤(pán)強(qiáng)行轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖15、圖16所示，產(chǎn)生持續(xù)高溫，產(chǎn)生火花引燃高速盤(pán)側(cè)易燃物引起火災(zāi)。
一、加強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的微觀選址
風(fēng)電場(chǎng)微觀選址應(yīng)當(dāng)綜合考慮風(fēng)電機(jī)組的**性和發(fā)電效益，因臺(tái)風(fēng)強(qiáng)氣流突然改變帶來(lái)的非常湍流是造成風(fēng)電機(jī)組破壞性損害的主要原因，因此避免在環(huán)境湍流大的區(qū)域安裝風(fēng)電機(jī)組就是*有效的預(yù)防措施。
二、機(jī)組選型要求
按照國(guó)標(biāo)風(fēng)電機(jī)組**等級(jí)的要求，風(fēng)電機(jī)組應(yīng)設(shè)計(jì)成能**承受與其等級(jí)相應(yīng)的風(fēng)況。風(fēng)電機(jī)組承受的風(fēng)速，一般不允許超過(guò)參數(shù)的限值，以免產(chǎn)生**隱患。風(fēng)電機(jī)組制造商為沿海地區(qū)及海上風(fēng)電場(chǎng)生產(chǎn)供應(yīng)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備時(shí)，應(yīng)充分考慮臺(tái)風(fēng)的影響，針對(duì)不同的風(fēng)電場(chǎng)采取差異化設(shè)計(jì)制造。同時(shí)，對(duì)易遭受臺(tái)風(fēng)襲擊的沿海地區(qū)及海上風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組設(shè)備應(yīng)優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組的制動(dòng)策略，增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組變槳制動(dòng)力矩。
三、備用供電源的優(yōu)化
確保風(fēng)電機(jī)組在失去電網(wǎng)電源的情況下，有其他的**策略使風(fēng)電機(jī)組本體不會(huì)因蓄電池電量耗盡而失去控制，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加單機(jī)組的逆變供電源，解決變漿系統(tǒng)和偏航系統(tǒng)的供電正常。變漿風(fēng)電機(jī)組應(yīng)保證控制系統(tǒng)正常，可隨風(fēng)力大小自動(dòng)調(diào)整葉片轉(zhuǎn)角，當(dāng)停機(jī)時(shí)液壓釋放葉片自動(dòng)順漿以確保風(fēng)電機(jī)組**。
四、優(yōu)化**鏈控制的設(shè)計(jì)
**鏈回路中，風(fēng)電機(jī)組故障急?；驍嚯姷臓顟B(tài)下，機(jī)組剎車系統(tǒng)處于抱閘狀態(tài)。但葉片受到極大強(qiáng)風(fēng)的作用下，容易造成剎車系統(tǒng)失效，剎車片磨損產(chǎn)生火花引起火災(zāi)。需要有針對(duì)性的改善機(jī)組剎車狀態(tài)，優(yōu)化設(shè)計(jì)可以通過(guò)增加泄壓回路，人為遠(yuǎn)程或就地控制剎車系統(tǒng)的狀態(tài)。
五、加強(qiáng)機(jī)組監(jiān)測(cè)運(yùn)行
在風(fēng)電場(chǎng)甚至風(fēng)電機(jī)組內(nèi)裝設(shè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，將視頻信號(hào)實(shí)時(shí)傳送到風(fēng)電場(chǎng)中控室，以便及時(shí)了解掌握風(fēng)電設(shè)備運(yùn)行情況，并及時(shí)采取措施。風(fēng)電機(jī)組在臺(tái)風(fēng)、雷暴雨等惡劣天氣下運(yùn)行，容易造成機(jī)艙各主部件損壞，如發(fā)電機(jī)、齒輪箱、變槳系統(tǒng)、葉片等，而損壞過(guò)程我們往往不能搜取信息，做后續(xù)的分析及提前做好預(yù)防預(yù)控措施。解決的方式可以通過(guò)增加攝像遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)艙主部件的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)早期的缺陷時(shí)，可提前操作主動(dòng)停機(jī)，降低機(jī)組部件的損壞程度，避免故障發(fā)生。
六、加強(qiáng)對(duì)葉片的監(jiān)測(cè)和優(yōu)化塔筒設(shè)計(jì)
對(duì)于葉片早期的損傷程度若未發(fā)現(xiàn)，在陣風(fēng)、臺(tái)風(fēng)等惡劣環(huán)境下，將有可能引起葉片折斷、撕裂現(xiàn)象。如能通過(guò)監(jiān)測(cè)采集數(shù)據(jù)，分析葉片在特定地區(qū)及環(huán)境下的剛性、共振特性、荷載以及疲勞程度，對(duì)葉片的設(shè)計(jì)及選材上將有很大幫助。因此，對(duì)葉片的監(jiān)測(cè)也應(yīng)引起重視。塔筒方面，由于塔筒自下至上因圓周尺寸的轉(zhuǎn)變、筒壁厚度的轉(zhuǎn)變，將在轉(zhuǎn)變處造成較為薄弱點(diǎn)，在受到強(qiáng)大機(jī)艙擺動(dòng)將產(chǎn)生變形、折損現(xiàn)象。加強(qiáng)塔筒優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行載荷檢驗(yàn)，提高轉(zhuǎn)變處的承載力。
結(jié)語(yǔ)
臺(tái)風(fēng)帶給我們的災(zāi)難是刻骨銘心的，風(fēng)電行業(yè)防臺(tái)抗臺(tái)工作的使命任重而道遠(yuǎn)，是沿海地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)必須要面對(duì)的重要議題。這需要多方共同努力，包括風(fēng)電機(jī)組制造商、風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主及運(yùn)行單位相關(guān)部門(mén)等的分工配合協(xié)作，不斷優(yōu)化機(jī)組設(shè)計(jì)、提高機(jī)組性能，才能保障風(fēng)電場(chǎng)的**穩(wěn)定運(yùn)行。以上見(jiàn)解難免有不足之處，希望能與同行交流完善，共同探討并做好防臺(tái)抗臺(tái)工作。
