提高風電場效益的技術與管理經驗

2017-08-22 15:56:14 風能產業(yè) 　點擊量：評論 (0)

1 引言　　隨著世界各國對能源安全、生態(tài)環(huán)境、氣候變化等問題日益重視，加快發(fā)展風電已成為國際社會普遍的共識和一致行動。到2016年底，風電年發(fā)電量占全國總發(fā)電量的4%，已成為繼火電、水電之后的第三大

1.引言

　　隨著世界各國對能源安全、生態(tài)環(huán)境、氣候變化等問題日益重視，加快發(fā)展風電已成為國際社會普遍的共識和一致行動。到2016年底，風電年發(fā)電量占全國總發(fā)電量的4%，已成為繼火電、水電之后的第三大電源。未來的能源結構中新能源的占比將會持續(xù)擴大。

　　但這并不意味著風電行業(yè)的發(fā)展從此就將一帆風順。不斷下降的風電上網電價水平、棄風限電、風電機組設備技術性能逐年衰退、運維管理跟不上迫使著風電行業(yè)不斷地進步以生產出相比較其它能源而言更加經濟，更加具有競爭力的能源。

　　為此，在排除不可抗拒的上網電價下降、棄風限電等因素之外，如何從技術角度和管理方面發(fā)力，加快風電場的轉型，以促進風電效益的雙提升，破解了風電場運行管理過程的難題，提高了設備的利用率和風場效益，是本文具體論述的主要內容。

　　2.技術角度

　　2.1 偏航校準

　　大多數(shù)的風電機組均存在一定的偏航誤差，偏航誤差的存在可能會給風機帶來破壞性的載荷，以及次佳的功率輸出。根據(jù)EWEA發(fā)布的調查研究，只有20-25%的風機的偏航誤差在2度以內，年發(fā)電量損失0.2-0.5%，而大部分機組偏航誤差在6度以上，年發(fā)電量損失達2%左右。風電機組偏航誤差產生的原因很多，傳統(tǒng)風向測量的設備都是裝在機組的尾部氣象站上面，無論是機械式還是超聲波，都會受到槳葉的擾動、機艙的外形的擾流，另外還有安裝和制造引起的誤差，這其中氣流擾動影響最大。

　　如何避免氣流的擾動，準確測量當前的風向，校準以往的偏航誤差，在此需要一種全新的測量手段，目前比較成熟的技術手段是采用激光測風雷達進行測量。激光雷達通過高頻激光束射向風機正前方，來測量風機的風速和風向，排除了葉片的干擾，實現(xiàn)了準確和提前測量。風機偏航的校正需要經過一段時間的測量，通過調整測風儀或者修改風機的參數(shù)，把偏差糾正到1度以下，在調整完畢之后，進行下一臺風機校準測量或者直接作為永久測風儀。

　　偏航誤差造成風機發(fā)電量的損失，以及額外的風力載荷將直接影響風場的長期效益。從投資回報率來分析，激光測風儀來校正傳統(tǒng)風機的模式，大概半年可以收回校正的投資，因此在技術手段能夠解決的范疇內，存在偏航誤差的風電機組應盡快進行校準工作。

　　2.2 葉片維修與防護

　　隨著風電市場的逐漸成熟，風力發(fā)電機組向大型化發(fā)展，葉片長度的不斷增長，同時帶來葉片重量的增加。然而風電場的位置偏遠，運行環(huán)境惡劣，如較大的風沙侵襲，-30℃至50℃的循環(huán)溫差，鹽霧腐蝕以及強紫外光等，兆瓦級的機組其葉尖線速度高達200-250Km/h,在這樣高轉速下，風沙和雨滴對風電葉片的侵蝕相當于等離子切割，葉片表面容易形成空洞，加快腐蝕、老化的進度，投產后不久即損壞嚴重。研究表明，葉片表面粗糙度的增加以及缺陷的累積將導致發(fā)電效率降低5%-30%，還可能導致葉片運行失穩(wěn)造成齒輪箱故障。

　　風機葉片上面小的缺陷如果沒有得到及時的專業(yè)修復，將導致裂紋延伸至葉尖和內部復合材料中，造成葉片大面積的開裂，最后不得不進行大型修補或者返廠處理，給風電企業(yè)帶來重大經濟損失。葉片損傷產生原因主要有：①生產時的設計和制造缺陷②運輸過程中的磕碰損傷③雷擊、砂石雨滴、鹽霧、污物等自然因素，造成了前緣腐蝕開裂、后緣損傷、表面裂紋、葉尖削磨等問題。

　　為了保證風機葉片長久高效運行，同時兼顧當下的實際運行，葉片維修建議選擇在風較小的季節(jié)，對風電場的葉片定期進行檢查，針對前后緣腐蝕、葉尖以及葉片避雷系統(tǒng)進行檢查、維護，修補后，可在葉尖處前緣貼上風電葉片保護膜，加強葉片重點損壞部位的防護，延長壽命。通過對葉片的缺陷的修復和保養(yǎng)，以較低的費用提高了葉片的氣動性能，使機組在盛風期具有更高的發(fā)電效率。

　　另外，如何根治造成葉片大量損壞的“水土不服”問題，本文從探討的角度分析，應根據(jù)我國各地區(qū)風電場的環(huán)境條件和已有葉片服役之后的反饋來分區(qū)域設計葉片涂層厚度、葉片保護膜厚度以及涂裝工藝，摒棄之前葉片企業(yè)“一刀切”的模式，生產出真正滿足運行環(huán)境要求的定制化葉片。

　　2.3 氣象站的冰凍問題

　　風力發(fā)電機組發(fā)電量的多寡的根本外界因素是風，風的速度和方向只有準確的被風機上面氣象站讀取并傳輸給控制系統(tǒng)，風機才能適時地調整狀態(tài)，最大程度的獲取風能轉化為電能。然而在遇到冰凍天氣時，氣象站將無法識別風況導致風機停運。本文以河北新天科創(chuàng)位于張家口壩上的若干風電場為例，討論冰凍對風機運行的真實影響。

圖1. 2016年11月21河北新天科創(chuàng)張家口壩上地區(qū)風電場冰凍災害天氣風機運行數(shù)據(jù)

　　從上表不難看出，2016年11月21日張家口壩上地區(qū)五個風電場13期共65萬KW的裝機量，風機發(fā)電量僅為28萬kWh，以當日張家口區(qū)域每期平均發(fā)電量65.5萬kWh計算，結冰損失約749萬kWh，僅一天就損失巨大。張家口壩上地區(qū)地處河北省最北部，因海拔從七八百米急速上升至近兩千米的巨大落差，形成了壩上地區(qū)特殊的氣候狀況。每年初入冬季和來年春天是凍雨災害的高發(fā)期，此時，分布在這片區(qū)域的風電機組氣象站被冰凍，無法運行，葉片表面同樣覆蓋一層薄冰，導致風機無法啟動，其從被冰凍到解凍恢復功能需要十多小時，嚴重影響風電場的運行。

　　經過河北新天科創(chuàng)的技術人員分析，氣象站、葉片結冰影響風機運行的主要原因如下：：

　　風機氣象站現(xiàn)有設備加熱功率太小，熱量分布也不均衡（局部加熱），無法達到快速融冰要求；

　　部分風機氣象站風向標、風速儀轉動部位連接處為塑料材質，在低溫下容易折斷。

　　風機氣象站風向標、風速儀為機械轉動式的，在低溫凍雨下，軸承極易被凍?。?/span>

　　因風向標結冰，而引發(fā)偏航系統(tǒng)進入偏航死區(qū)內，引發(fā)扭纜故障告警；

　　風機葉片結冰，將改變葉片迎風面形狀，會增加塔架載荷和水平方向推力，損耗吸收進葉輪的機械能，滑落的冰塊也可能對下方的人、物造成傷害。

　　針對上述情況，河北新天科創(chuàng)做出對現(xiàn)有氣象站進行技改的試裝探索，包括更換大功率氣象站、熱場式超聲波氣象站、面對面超聲波氣象站。試裝結果顯示，更換大功率氣象站能加快融冰速度，對降低冰凍影響有一定作用，但實際測量中，測得風速往往偏高，在大風時易發(fā)風速過高、暴風停機等故障，降低風機的可利用率；熱場式超聲波氣象站在冰凍天氣其風速數(shù)據(jù)經常連續(xù)變化，波動情況嚴重；而面對面型超聲波氣象站，因外形小巧，功率較大，散熱均勻，能將冰凍對風機運行影響減少至最低，保證在整改冰凍期間風機不停運。

　　2.4 齒輪箱油溫高

　　經過筆者對全國多個風電場的問詢調查，發(fā)現(xiàn)很多機型在夏季或者大功率運行存在齒輪箱油溫過高的現(xiàn)象，包括華銳1500、GE1500、明陽1500、Gamesa850等國內外風機機型。齒輪箱油溫一旦過高，導致控制軟程序自動限功率運行或故障停機，風機的發(fā)電功率曲線發(fā)生偏移，影響風機的發(fā)電量和風電場的效益。

　　通過對機型的深入分析，導致齒輪箱油溫高的原因，主要有兩方面：①廠家設計缺陷②冷卻系統(tǒng)故障和環(huán)境因素。

　　2.4.1 廠家設計缺陷

　　中國國土面積遼闊，環(huán)境氣候復雜多樣，而風機生產商在很長一段時間里，應用在不同地區(qū)的機組都采用同一標準來設計生產，沒有做針對性的優(yōu)化設計，導致在夏季高溫甚至冬季大風時期頻繁報高溫故障。究其原因，問題基本出在散熱器的功率太小，齒輪箱運行時產生的熱量無法被有效帶走，引發(fā)油溫超過警戒值，發(fā)電效率降低。針對此類設計缺陷，可在齒輪箱上面加裝額外的散熱器或者更換原散熱器，提高散熱效率。

　　2.4.2冷卻系統(tǒng)故障和環(huán)境因素

　　2.4.2.1冷卻系統(tǒng)故障主要有如下情況：

　　單向閥失效，一直處于導通狀態(tài)，冷卻回路失效

　　溫控閥失效，無法根據(jù)溫度調節(jié)冷卻和潤滑兩個方向的流量

　　散熱器堵塞，導致流經散熱器的齒輪箱偏少，散熱效率下降

　　出現(xiàn)上述三個部位的故障時，現(xiàn)場技術人員根據(jù)每個部位的情況及時維修或更換。

　　2.4.2.2環(huán)境因素

　　環(huán)境因素主要是影響散熱器的散熱效率，主要有各種絮狀物和灰塵飄進機艙，堵住散熱器下面的進風口，使得排風扇抽風散熱效果不明顯，降低散熱功率。此種情況需要現(xiàn)場人員定期檢查時做好清潔工作，排除雜物的干擾。

　　3.運維管理角度

　　3.1 定檢與巡視制度管理

　　為使風機能夠穩(wěn)定安全運行，增加風機各部件的使用壽命，提高風機設備的可利用率，風電現(xiàn)場除了做好日常的故障消缺之外，定期的檢查和巡視工作是一樣重要的基礎工作，關系到風機全年的故障率乃至整個生命周期的使用效率，因此風電場有必要建立完善的定檢和巡視制度，并保質保量、安全高效的完成。

　　“千里之堤，毀于蟻穴”，大故障和大事故的發(fā)生往往是因為不起眼的小缺陷的積累。定檢和巡視就是查出這些小缺陷，并逐一處理的過程。風力發(fā)電機組是一個包括涵蓋機械、電氣、液壓和控制、輸電等多種學科的復雜系統(tǒng)，我們必須保證每個子系統(tǒng)的安全可靠運行，才能使得整個系統(tǒng)有機運轉。在機械系統(tǒng)的檢查中，必須嚴格按標準打好每一個螺栓力矩、加注每一個轉動單元的潤滑油脂、做好每一次軸對中、每一個碳刷和剎車片的測量等；電氣系統(tǒng)不放過一個松動的端子接線、每一處電機的安全測試、可能造成短路的雜物清理等；輸電系統(tǒng)中的巡視中注意每一個箱變的運行情況、每一處防雷接地和絕緣的測量等。細節(jié)決定成敗，通過以往的經驗來看，真正按標準執(zhí)行的定檢將很大程度上減少后續(xù)的風機故障率，減輕人員工作壓力，同時也降低了運維成本，提高了發(fā)電效益。

　　3.2 備件品質和技術服務管理

　　3.2.1備件品質

　　風力發(fā)電機組常年運行在環(huán)境惡劣的電網和自然條件下，高質量可靠的備件是其穩(wěn)定運行的重要保證。隨著風電裝機容量的不斷增加和大批風電機組出質保期，風電后市場迎來井噴式增長，備件市場亂象繁生。目前市場上高價值和易耗品的假貨黑貨隨處可見，各風電集團采用的最低價中標制度也間接導致了各種良莠不齊的備件進入風電場的庫房當中，給風電現(xiàn)場風機的安全運行造成極大的隱患，所引起的直接故障和間接故障在總故障中的占比越來越高，并將長久的影響風機的健康水平和發(fā)電效率。從備件的采購和使用端入手，堅決嚴懲假貨黑貨供應者，嚴禁不良備件的進入風電場的庫房，做好備件故障問責制，多管齊下，提高備件品質。

　　3.2.2技術服務

　　風電機組從一出廠運到風電現(xiàn)場，其原始設計對于現(xiàn)場環(huán)境注定不是完美的。機組在投產之后會暴露出越來越多的問題，隨之會有備件損壞，備件更換，問題比較嚴重者需要做技術改造。這其中涉及到備件的維修和技術改造問題，現(xiàn)如今，備件維修與技術改造領域并沒有相關的行業(yè)標準，因此能夠參與的門檻相對降低，因此暴露出了很多問題，例如以次充好、表面維修，技術改造方案施工不成熟、改造后問題頻出等等。不過關的維修件其實和假貨黑貨類似，將極大的影響風機的運行安全，而技術改造如果不完善，將造成更大的困擾，引發(fā)新的問題。為此，給技術服務提供者設立必要的門檻，檢驗其技術水平的高低對維修和技改來說顯得尤為重要。

　　3.3 技術交流與傳承

　　風電場的運行離不開日夜堅守的運維人員，更離不開他們身上掌握的風電運維技術。如何提高風電場的技術水平，提高風機故障的消缺效率一直是各個風電場領導需要考慮的問題。風電場的風機的運維技術來源整機廠家，整機廠家掌握了最全最完善的系統(tǒng)技術要領，提高風電場整體技術水平的關鍵在于盡量多的學習整機技術人員的技術。風機在投產之后的幾年當中，整機廠家人員的代維期是風電場業(yè)主技術人員學習掌握風機技術的絕佳時期，多學多問，緊跟廠家，協(xié)同處理故障是最好也是最有效的方法。而在機組出質保之后，風電場自身的技術人員可通過到整機廠家培訓，與相同機型兄弟風電場組織技術交流，加強自身技術能力建設。風電場作為一個人員流動頻繁的地方，如何做好人員流動而技術不流失，需要建立一個傳承，一個老帶新的師徒制，同時建立健全已有的技術歸檔，做到可查可問，形成風電場內部的技術傳承模式。

　　4.結語

　　風電場作為一種新能源產業(yè)生產的最前方，需要資金、技術、人才、管理等生產要素的有效投入和優(yōu)化組合，而這些要素聚合在一起并發(fā)揮作用，需要風電場人員不斷探索創(chuàng)新，尋求技術價值的潛力和管理效益的最大化。

　　參考文獻：

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