低風(fēng)速風(fēng)電場風(fēng)電機組選型探討
風(fēng)能是潔凈環(huán)保的可再生能源,人類對風(fēng)能的利用至少已經(jīng)有3000年歷史,由于受到當(dāng)時經(jīng)濟、技術(shù)方面的因素制約,風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展緩慢。19世紀70年代世界爆發(fā)石油危機之后,歐美等發(fā)達國家為尋找能夠替代化石燃料的新能源,投入了大量的科研經(jīng)費與激勵政策研制風(fēng)電機組。二十世紀,風(fēng)力發(fā)電事業(yè)在全球范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展,風(fēng)電機組單機發(fā)電量從最初的kW級發(fā)展到現(xiàn)在的MW級,從最初的小型離網(wǎng)型單機發(fā)展到現(xiàn)在大型并網(wǎng)型機組。從最初的木制葉片、固定輪轂及側(cè)偏尾舵調(diào)速發(fā)展到現(xiàn)在的玻璃纖維片、定槳距或變槳距以及偏航對風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
全球風(fēng)能理事會(GWEC)2012年3月7日公布的調(diào)查結(jié)果顯示,2010年全年新建風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的裝機總?cè)萘颗琶孜坏氖侵袊?6.5GW),比排名第二的美國(5.12GW)多出2倍多。這意味著中國的裝機總?cè)萘窟h超美國,是世界第一風(fēng)電大國。
從目前的發(fā)電方式的碳排量來看,煤發(fā)電為275g,油發(fā)電為204g,天然氣發(fā)電為181g,風(fēng)力發(fā)電為20g。風(fēng)力發(fā)電的碳排量相比之下小得多。除水電外,風(fēng)電是開發(fā)最成熟、開發(fā)成本最低,也是未來最具大規(guī)模價值的可再生能源之一。
中國“十二五”規(guī)劃提出的100GW風(fēng)電裝機目標(biāo)中,將有至少20GW的份額屬于低風(fēng)速風(fēng)電場。譬如,廣西的風(fēng)場大部分屬于低風(fēng)速區(qū),近期開發(fā)的力度加大,而在廣西風(fēng)力發(fā)電規(guī)劃項目選定的96個風(fēng)電場選點中,桂林占了48個,可以說,桂林是廣西風(fēng)力發(fā)電開發(fā)的重點。
建立風(fēng)場的首要任務(wù)就是要選擇適合于風(fēng)場地域特點的風(fēng)電機組。譬如,為適應(yīng)桂林地區(qū)的特殊運行環(huán)境,必須要求風(fēng)電制造企業(yè)調(diào)整原有設(shè)計方案,并提供調(diào)整方案后樣機的試驗數(shù)據(jù),以保證調(diào)整方案的合理性。
在風(fēng)場的運行過程中密切關(guān)注風(fēng)電機組設(shè)計方案中較為薄弱的環(huán)節(jié),提高風(fēng)電機組運行的可靠性。由于近年來風(fēng)電發(fā)展迅速,部分生產(chǎn)企業(yè)急于占領(lǐng)市場,忽略對調(diào)整方案樣機的測試與試驗,給風(fēng)電發(fā)展帶來了巨大的隱患。
本文結(jié)合在廣西地區(qū)低風(fēng)速風(fēng)區(qū)的工作實踐經(jīng)驗,主要討論風(fēng)場選擇風(fēng)電機組及運行維護應(yīng)重點關(guān)注的幾個問題。
風(fēng)電機組葉片審查(1)翼型方案審查低風(fēng)速區(qū)需更優(yōu)化的葉片,在更低的風(fēng)速下吸收更多的風(fēng)能。
風(fēng)電機組葉片作為風(fēng)電機組的核心部件之一,其性能質(zhì)量直接影響整體機組的效率,設(shè)計合理的葉片是保證風(fēng)電機組正常穩(wěn)定運行的重要因素。另一方面葉片制造成本占風(fēng)電機組設(shè)備的20%-30%,因此提高葉片的性能一直是風(fēng)電技術(shù)研究的方向。葉片的氣動設(shè)計包括外形設(shè)計及氣動性能計算,氣動外形設(shè)計決定了風(fēng)能利用效率,氣動性能計算是評價葉片外形設(shè)計的關(guān)鍵指標(biāo)。
企業(yè)進行低風(fēng)區(qū)機型葉片設(shè)計時,對結(jié)構(gòu)強度計算比較重視,常常忽視對葉片的氣動外形的設(shè)計。風(fēng)電機組運行環(huán)境變化,原有葉片氣動外形設(shè)計方案應(yīng)進行調(diào)整,才能滿足在特定的風(fēng)速分布下年發(fā)電量最大的要求。選型時應(yīng)了解企業(yè)對調(diào)整后的葉片氣動外形優(yōu)化設(shè)計方案,是否用氣動性能計算程序?qū)θ~片風(fēng)輪進行了性能校核計算,葉片風(fēng)能利用系數(shù)及額定風(fēng)速(輪轂高度均勻風(fēng)速)是否具有良好的空氣動力性能。
選型要重點分析企業(yè)對葉片外形設(shè)計方案采用確認方式的合理性,對比分析測試結(jié)果與計算結(jié)果的差異是否在允許范圍內(nèi),企業(yè)對存在誤差的分析的理論依據(jù)是否正確。還要核對企業(yè)設(shè)計方案中載荷計算使用的最佳運行曲線、風(fēng)電機組的切入/切出風(fēng)速等關(guān)鍵運行參數(shù)是否與樣機控制系統(tǒng)中設(shè)置的數(shù)據(jù)一致,此處是設(shè)計中各專業(yè)組的接口。參與風(fēng)電機組設(shè)計的專業(yè)較多,方案的部分功能是各專業(yè)組分別進行,容易出現(xiàn)重點數(shù)據(jù)未進行傳遞通不暢問題,所以在選型時一定要對兩專業(yè)使用的同一重要參數(shù)進行核對。
(2)葉片材料審查
選用輕質(zhì)材料的葉片,以降低風(fēng)電機組的啟動風(fēng)速。低風(fēng)區(qū)風(fēng)電機組的切入風(fēng)速一般都選擇較低風(fēng)速,在這樣的情況下,由于葉片質(zhì)量過重造成其轉(zhuǎn)動慣量過大,葉片的本身阻力造成其啟動困難,在實際運行中可能會發(fā)生在設(shè)計的風(fēng)電機組切入轉(zhuǎn)速時無法并網(wǎng)發(fā)電的現(xiàn)象。
變槳系統(tǒng)審查
風(fēng)電機組葉片及塔筒參數(shù)變化后,葉片收集的風(fēng)能也隨之變化。變槳系統(tǒng)是風(fēng)電機組在緊急停機時工作的重要部件之一,其驅(qū)動系統(tǒng)保證了在出現(xiàn)故障需要緊急停機時機組葉片迅速轉(zhuǎn)動角度,在較短的時間內(nèi)減少對風(fēng)能的捕捉,從而使風(fēng)輪停止轉(zhuǎn)動,避免發(fā)生風(fēng)輪超速而引發(fā)的重大財產(chǎn)或人身損害。生產(chǎn)企業(yè)進行低風(fēng)區(qū)機型設(shè)計時希望減少成本,認為低風(fēng)速區(qū)大風(fēng)發(fā)生的概率很小往往會降低安全系數(shù)。
所以選型時要核對變槳驅(qū)動系統(tǒng)的電機扭矩,是否能保證在載荷最大時驅(qū)動槳葉轉(zhuǎn)動且轉(zhuǎn)動速度達到變槳速率的要求,安全裕度是否足夠。還要核對變槳系統(tǒng)的應(yīng)急電源的容量是否滿足三次連續(xù)變槳的要求。現(xiàn)階段各標(biāo)準(zhǔn)要求不一,用戶希望安全裕度取大些,但生產(chǎn)廠家希望降低成本。
由制造廠家參與編制的國家能源局頒發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電機組電動變槳控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》NB/T31018-2011中4.2.9后備電源中要求:“電池后備電源系統(tǒng):電池組的容量應(yīng)滿足在葉片規(guī)定的載荷情況下完成3次緊急順槳動作的要求”,“電容后備電源系統(tǒng):電容組的容量應(yīng)滿足葉片在規(guī)定載荷情況下完成1次以上順槳動作要求”。而研究所為主編制的國標(biāo)《風(fēng)電機組變速恒頻控制系統(tǒng)》GB/T25386.1-2010中第5.2.11后備電源中要求“后備電源的容量設(shè)計應(yīng)至少3次以上滿載下的全程順槳需求”。
在審查時要重點查看樣機試驗的試驗設(shè)備中加載設(shè)備和變槳速率的測試設(shè)備是否滿足要求,加載設(shè)備能力是否能滿足要求,測速設(shè)備是否能準(zhǔn)確的測量變槳速度。某些生產(chǎn)企業(yè)試驗時加載的數(shù)值采用未考慮安全系數(shù)的數(shù)值,這樣的檢驗是不能滿足要求的。
變槳系統(tǒng)的后備電源方案的審查更加困難,模擬機組運行時滿載情況時的變槳載荷對試驗設(shè)備要求較高,對此資料審查時要核對樣機試驗方案中確定的變槳載荷滿載復(fù)核參數(shù)是否合理,確定變槳系統(tǒng)滿載載荷時的安全裕度是否符合要求。
大部分生產(chǎn)企業(yè)對變槳系統(tǒng)后備電源方案的試驗以采用樣機在現(xiàn)場運行方式替代,此種做法有些不妥,因為對變槳后備電源確認要求在載荷最大條件下進行。現(xiàn)場運行狀況與氣候條件密切相關(guān),在現(xiàn)場運行的一年內(nèi),有可能出現(xiàn)載荷最大值工況的概率較小,在載荷最大值急停的概率更小。所以采用運行現(xiàn)場對變槳系統(tǒng)的后備電源方案進行確認是不夠充分的。
偏航系統(tǒng)審查
偏航系統(tǒng)是水平軸式風(fēng)電機組必不可少的組成系統(tǒng)之一,對風(fēng)電機組利用風(fēng)能起著非常巨大的作用。偏航系統(tǒng)的主要作用有兩個。其一是與風(fēng)電機組的控制系統(tǒng)相互配合,使風(fēng)電機組的風(fēng)輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài),充分利用風(fēng)能,提高風(fēng)電機組的發(fā)電效率;其二是提供必要的鎖緊力矩,以保障風(fēng)電機組的安全運行。
偏航系統(tǒng)是由回轉(zhuǎn)支撐軸承、彈簧阻尼裝置和四臺電機驅(qū)動的齒輪傳動機構(gòu)組成的。帶有內(nèi)齒的偏航軸承用螺栓連接在塔筒頂部,外環(huán)與機艙座連接,內(nèi)環(huán)與塔架法蘭連接。偏航驅(qū)動機構(gòu)一般都是由電機、減速機構(gòu)成。偏航鎖緊力矩由數(shù)套偏航剎車盤提供。偏航時各剎車盤處于半釋放狀態(tài),自動解纜時各剎車盤處于全釋放狀態(tài)。
對于低風(fēng)速區(qū)機型,部分國內(nèi)制造企業(yè)為了降低成本,對偏航系統(tǒng)進行設(shè)計“優(yōu)化”,多采用了減少偏航系統(tǒng)的偏航剎車盤數(shù)量的方法。設(shè)計方案中的計算制動力矩計入了偏航電機的電磁制動的轉(zhuǎn)矩,從而減少了偏航剎車盤的制動轉(zhuǎn)矩。當(dāng)風(fēng)載荷產(chǎn)生的扭矩大于偏航制動壓力鉗的扭矩時,載荷扭矩會傳遞到偏航系統(tǒng)的減速器齒輪上,因此這樣的優(yōu)化可能會導(dǎo)致齒輪箱承受部分交變應(yīng)力減少使用壽命。
風(fēng)電機組運行維護過程中要加大巡檢頻率,重點關(guān)注偏航系統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)中與電機連接的螺桿及偏航齒輪箱,防其承受交變力提前損壞。
控制系統(tǒng)審查
由于風(fēng)電機組工作環(huán)境惡劣,以及對機組20年長壽命、高可靠性和安全性的特殊要求,對風(fēng)電機組的重要部件如齒輪箱、發(fā)電機等的運行狀態(tài)監(jiān)控是極其重要的。風(fēng)電系統(tǒng)是典型的復(fù)雜多變量非線性系統(tǒng),受干擾因素很多,除了風(fēng)速的大小和方向隨機變化之外,還受電網(wǎng)的參數(shù)波動和大氣條件及空氣密度等因素的影響。風(fēng)電機組由多個部分組成,而控制系統(tǒng)貫穿到每個部分,相當(dāng)于風(fēng)電機組的神經(jīng)系統(tǒng)。因此控制系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系到風(fēng)電機組的工作狀態(tài)、發(fā)電量的多少、以及設(shè)備的安全。
目前風(fēng)力發(fā)電亟待研究解決的兩個問題發(fā)電效率和發(fā)電質(zhì)量,都與風(fēng)電控制系統(tǒng)密切相關(guān),控制軟件中參數(shù)的設(shè)定(如:對風(fēng)向風(fēng)速調(diào)整的跟隨速度等)對機械部件的壽命影響也較大。這些參數(shù)的設(shè)定既要考慮發(fā)電量又要顧及機械部件的使用壽命,最佳運行參數(shù)是理論推導(dǎo)與現(xiàn)場運行經(jīng)驗相結(jié)合的產(chǎn)物。審查時要密切關(guān)注這些參數(shù)的確認方法是否合理,是否對參數(shù)的變化范圍進行了確認。
現(xiàn)階段風(fēng)電控制軟件多為進口,而國外企業(yè)對核心部分的保密程度較高,削弱了國內(nèi)引進核心技術(shù)進行應(yīng)用開發(fā)的基礎(chǔ),所以對自主開發(fā)軟件的測試尤為重要,大量統(tǒng)計資料表明,軟件測試的工作量往往占軟件開發(fā)總工作量的40%以上,在極端情況測試那種關(guān)系人的生命安全的軟件所花費的成本可能相當(dāng)于軟件工程其他開發(fā)步驟總成本的三倍到五倍,國內(nèi)生產(chǎn)廠家的測試投入往往不足。
運行過程中要注意對控制軟件運行性能數(shù)據(jù)進行分析,首先收集軟件中的監(jiān)視功能相關(guān)的數(shù)據(jù),結(jié)合現(xiàn)場巡檢的情況,核對軟件監(jiān)視功能是否正確合理。監(jiān)測功能是否覆蓋了主要設(shè)備狀態(tài),
收集數(shù)據(jù)至少包含:
(1)有關(guān)安全運行性能的數(shù)據(jù),如:臨界轉(zhuǎn)速、臨界功率、重要部件過熱、發(fā)電機短路、振動、電纜纏繞、緊急停車等情況的相關(guān)的數(shù)據(jù);
(2)監(jiān)控功能的數(shù)據(jù),如監(jiān)控功能數(shù)據(jù)應(yīng)包含轉(zhuǎn)速、功率、風(fēng)速、電網(wǎng)參數(shù)、發(fā)電 機及齒輪箱和軸承等重要部件的溫度、制動設(shè)備狀況、風(fēng)向、環(huán)境溫度、頻率和電壓 (3)啟動和正常停機、急停功能的數(shù)據(jù);
(4)控制策略的實現(xiàn)功能相關(guān)數(shù)據(jù),如啟動階段的控制方式、并網(wǎng)后功率隨轉(zhuǎn)速上升段控制方式、恒頻恒功率段的控制方式等數(shù)據(jù)。
本文以對發(fā)電機的控制相關(guān)功能相關(guān)數(shù)據(jù)為例說明審查中應(yīng)關(guān)注的重點內(nèi)容:
首先審查發(fā)電機繞組溫度監(jiān)測功能的測試記錄。此監(jiān)測功能是保證繞組溫度保持在允許的運行范圍內(nèi)。為此,自監(jiān)控測量系統(tǒng)必須功能可靠。出廠前也必須對此功能進行測試。
其次對設(shè)置參數(shù)合理性的評估。對繞組溫度極限值的設(shè)置合理性進行審查。即使是稍微超過容許的溫度值,也會減少發(fā)電機的壽命。顯著超過這個限值會在短時間內(nèi)導(dǎo)致電機損壞。繞組溫度的極限值一般根據(jù)制造商所提供的有關(guān)電機絕緣等級的資料來確定。審核發(fā)電機的絕緣等級相關(guān)的設(shè)計及試驗資料,核實繞組溫度極限值的設(shè)置的合理性。值得關(guān)注的是:有些發(fā)電機的制造廠家為了市場宣傳的要求常常夸大電機的絕緣等級,所以在運行時要注意核實發(fā)電機型式試驗中的溫升試驗的具體數(shù)據(jù),以判斷發(fā)電機的真實絕緣等級,確保繞組溫度極限值的設(shè)置的正確性。
還要對軟件超出限制的處理能力的數(shù)據(jù)進行評估。當(dāng)超過容許的繞組溫度,控制系統(tǒng)應(yīng)降低發(fā)電機的功率輸出,直至繞組溫度低于容許溫度。
對過大的電流或功率可能導(dǎo)致機械過載和電氣過載時的控制系統(tǒng)的應(yīng)對功能的運行記錄的審查。控制系統(tǒng)必須具有減少超出額定運行值的控制功能。超過最大容許的溫度極限值時,風(fēng)電機組安全保護系統(tǒng)應(yīng)作出響應(yīng)。收集的數(shù)據(jù)應(yīng)涵蓋包含對上述功能相關(guān)的運行數(shù)據(jù)。
對發(fā)電機的功率與轉(zhuǎn)矩控制功能相關(guān)數(shù)據(jù)分析是必不可少的,此功能與年發(fā)電量密切相關(guān)。控制系統(tǒng)的控制策略最終的實現(xiàn)就是通過對發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩的控制完成的。因此要對此部分的運行數(shù)據(jù)進行重點的審查,要核對發(fā)電機的運行中性能數(shù)據(jù)與控制策略要求的是否匹配,載荷計算時采用的控制策略與軟件中的控制策略是否一致等。
防雷系統(tǒng)審查
風(fēng)電機組分散安置在曠野、山頂或沿海區(qū)域,大型風(fēng)電機組葉片高點(輪轂高度加風(fēng)輪半徑)達130m-250m,遭受雷擊概率高;風(fēng)電機組的電氣絕緣低(發(fā)電機電壓690V、大量使用自動化控制和通信元件)。風(fēng)電機組是風(fēng)電場的貴重設(shè)備,價格占風(fēng)電工程投資60%以上。若其遭受雷擊(特別是葉片和發(fā)電機貴重部件遭受雷擊),除了損失修復(fù)間發(fā)電量之外,還要負擔(dān)受損部件的拆裝和更新的巨大費用。
風(fēng)電設(shè)備較大,由于現(xiàn)階段試驗條件不具備,防雷系統(tǒng)無法用試驗的方式測試。
防雷系統(tǒng)由外部防雷與內(nèi)部防雷組成。外部防雷包括:葉片的防雷保護、機艙的防雷保護、塔架及引下線、接地網(wǎng)。內(nèi)部防雷包括:等電位連接、隔離、過電壓保護設(shè)備。設(shè)備啟動前要逐一檢查測試相關(guān)內(nèi)容。根據(jù)多年的運行情況分析,防雷系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)為轉(zhuǎn)動部分與靜止部分的等電位連接,尤其是葉片的根部與輪轂處的連接。初期有部分廠家僅采用一條導(dǎo)線將葉片防雷系統(tǒng)與金屬輪轂相連。
運行中由于導(dǎo)線長度或結(jié)構(gòu)不合理,導(dǎo)線被拉斷,從而使葉片運行時產(chǎn)生的靜電無法導(dǎo)出。若發(fā)生雷擊,短期導(dǎo)出大電流無法實現(xiàn),此種結(jié)構(gòu)存在很大的風(fēng)險。近期廠家逐漸重視此結(jié)構(gòu)的改進,連接處使用碳刷傳遞電流,通過兩個碳刷和平行的有間隙的兩個放電導(dǎo)板,越過旋轉(zhuǎn)軸承轉(zhuǎn)移到主機架。現(xiàn)場運行維護中應(yīng)重點關(guān)注此部分連接方式是否合理。
運行前須對樣機的接地電阻的測試結(jié)果進行核實,以確認其是否滿足防雷系統(tǒng)的需要。
結(jié)語
風(fēng)電發(fā)展質(zhì)量是關(guān)鍵,國外風(fēng)電大國都是風(fēng)電機組制造大國,為支持風(fēng)電機組制造業(yè),政府投入了大量的研發(fā)資金,組建政府研發(fā)機構(gòu)進行基礎(chǔ)研究,并建立風(fēng)電測試平臺。如丹麥政府資助建立的公共測試平臺主要包括試驗風(fēng)電場和葉片等零部件試驗平臺,并建立完善了風(fēng)電機組標(biāo)準(zhǔn)及檢測、認證體系。所有風(fēng)電機組必須通過認證機構(gòu)認證和檢測才能進入市場銷售,即保證了風(fēng)電機組質(zhì)量,又促進了技術(shù)積累。
目前,我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)服務(wù)體系尚不完善,風(fēng)電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品認證、系統(tǒng)設(shè)計、工程管理等基礎(chǔ)都比較薄弱。但是,在不久的將來,中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)不僅要成為全球發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè),也要成為發(fā)展最健康的產(chǎn)業(yè);為實現(xiàn)我國2020年非化石能源消費比重達到15%的目標(biāo),中國風(fēng)電2020年要實現(xiàn)200GW的裝機容量,巨大的市場為風(fēng)電企業(yè)和從業(yè)者提供了展現(xiàn)自己才華的舞臺。繼續(xù)堅持質(zhì)量為本,技術(shù)創(chuàng)新之路,中國風(fēng)電一定能引領(lǐng)全球風(fēng)電的發(fā)展。
責(zé)任編輯:電改觀察員
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