孫西寧

摘 要：在我國北方地區(qū)的風(fēng)電場，冬季的寒冷氣候?qū)︼L(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能有比較大的影響。本文在分析低溫條件下機(jī)組特性某些變化的基礎(chǔ)上，以及已經(jīng)取得的一些運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，嘗試提出了針對低溫條件風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)所應(yīng)采取的針對性措施。

關(guān)鍵詞： 低溫；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

前言：我國“三北”地區(qū)風(fēng)資源豐富，目前全國裝機(jī)總?cè)萘康?6%分布在這一區(qū)域。這些地區(qū)有一個共同特征就是冬季溫度比較低，最低溫度低于-30℃，低溫問題是這些風(fēng)電場所面臨的一個共同問題。這種情況下機(jī)組的運(yùn)行工況、零部件的性能、機(jī)組的可維護(hù)性等方面都將發(fā)生變化，可能會造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的某些性能超出了設(shè)計(jì)允許范圍，情況嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)饑?yán)重的安全事故。

針對低溫環(huán)境的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在風(fēng)電行業(yè)中還是個空白。大多數(shù)安裝在低溫地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是在其標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采取一些專項(xiàng)的技術(shù)改進(jìn)措施，期望能保證機(jī)組的正常安全運(yùn)行。根據(jù)國外一些報(bào)道，根據(jù)在加拿大北部一些風(fēng)電場的經(jīng)驗(yàn)，這些措施起到了一定的作用，但要達(dá)到預(yù)期要求還需要進(jìn)行更多富有挑戰(zhàn)性的創(chuàng)新工作。本文在總結(jié)金風(fēng)科技近年來在我國北方風(fēng)電場的安裝、建設(shè)以及維護(hù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的出力特性變化、對零部件性能的影響以及運(yùn)行維護(hù)等方面，對某些低溫影響因素進(jìn)行了初步探討和分析，拋磚引玉，期望能有更多的業(yè)內(nèi)人士關(guān)注研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低溫問題，提高我國風(fēng)電技術(shù)應(yīng)用和開發(fā)水平。

一、低溫條件下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力特性的變化

我們知道，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪的輸出功率P與風(fēng)輪的風(fēng)能利用率Cp、空氣密度ρ、風(fēng)輪的掃風(fēng)面積A以及風(fēng)速V 之間的關(guān)系可用下式表示： 顯然，隨著冬季溫度的降低，空氣密度將增大。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組特別是失速型機(jī)組的額定出力將增加，可能出現(xiàn)過發(fā)過載現(xiàn)象；夏天氣溫上升，空氣密度將下降，將導(dǎo)致機(jī)組的出力下降，應(yīng)有的效益不能完全發(fā)揮。另外一個不容忽視的因素是葉片翼型的空氣動力也受到表面粗糙度和流體雷諾數(shù)的影響。冬季容易出現(xiàn)霧凇現(xiàn)象，葉片表面“結(jié)晶”，粗糙度增加，會降低翼型的氣動性能；另外在某些特殊天氣如風(fēng)雪交加的條件下，空氣的粘性作用和雷諾數(shù)將發(fā)生很大變化，翼型的最大升力系數(shù)和失速臨界攻角等特性均會發(fā)生較大變化。這些現(xiàn)象和對機(jī)組的長期影響有待于進(jìn)一步研究。

二、低溫對主要零部件的影響

客觀上因?yàn)榈蜏氐膽?yīng)用范圍比較有限，此類設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)和知識遠(yuǎn)沒有常溫和高溫環(huán)境那樣受到廣泛的關(guān)注。不同種類的零部件受低溫的影響是不同的，對于金屬機(jī)件應(yīng)根據(jù)承受載荷的形式予以區(qū)別對待。當(dāng)然避免在低溫情況下出現(xiàn)較大的沖擊載荷也是非常關(guān)鍵的。

受循環(huán)載荷的部件如機(jī)艙底板和塔架，一般是大型焊接件，此類零件在高寒地區(qū)存在低溫疲勞問題。大量試驗(yàn)結(jié)果表明，幾乎所有的金屬材料的疲勞極限均隨溫度的降低而提高，但材料的缺口敏感性增大。因此，焊縫將成為影響低溫疲勞強(qiáng)度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。如果焊縫中存在大的缺陷，非常容易引起低溫脆斷破壞。所以應(yīng)針對焊縫采取必要的防止低溫脆斷技術(shù)措施，包括避免焊縫應(yīng)力集中，采取預(yù)熱和焊后熱處理改善焊縫、熱影響區(qū)、熔合線部位的性能，避免未焊透，加強(qiáng)無損探傷檢驗(yàn)，定期檢查等技術(shù)措施，保障設(shè)備的安全工作。

復(fù)合材料如玻璃纖維增強(qiáng)樹脂具有較好的耐低溫性能，選用適合低溫環(huán)境的結(jié)構(gòu)膠生產(chǎn)葉片，就能滿足葉片在-30℃運(yùn)行的要求。但需要注意由不同材料制作的機(jī)構(gòu)，由于熱膨脹系數(shù)不同，常溫狀態(tài)下裝配正常，但在低溫時(shí)配合狀態(tài)會發(fā)生變化，可能影響機(jī)構(gòu)的正常功能，需要在設(shè)計(jì)時(shí)予以充分考慮。

一般電子電氣器件功能受溫度影響較大，選用耐低溫的元器件成本昂貴甚至無法做到。但可以采取在柜體內(nèi)加熱，保持局部環(huán)境溫度的方法，實(shí)踐表明這一方法簡單有效。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所使用的油品受到溫度的影響也比較大。一般要求潤滑油在正常的工作溫度條件下需具備適當(dāng)?shù)恼扯纫员３肿銐虻挠湍ば纬赡芰?，但另一方面溫度越低，油的粘度越大。例如目前普遍采用的Mobilgear SHC XMP320潤滑油，40℃粘度為 320cSt，傾點(diǎn)-38℃，低溫時(shí)油的流動性很差，機(jī)組在這種情況下難以運(yùn)轉(zhuǎn)，需要潤滑的部位可能得不到充分的潤滑油供給，這會危及設(shè)備的安全運(yùn)行，可以通過加熱使油溫維持到正常水平。若采取直接加熱方式使被加熱油保持流動，否則加熱效果不均勻，可能造成其他不利影響。

基礎(chǔ)需要考慮的低溫影響主要是凍土問題。凍土中因有冰和未凍水存在，故在長期載荷下有強(qiáng)烈的流動性。長期載荷作用下的凍土極限抗壓強(qiáng)度比瞬時(shí)載荷下的抗壓強(qiáng)度要小很多倍，且與凍土的含冰量及溫度有關(guān)，這些情況應(yīng)在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)施工時(shí)進(jìn)行考慮。凍土層基礎(chǔ)的要求可參考《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》。

結(jié)束語：隨著風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展，我們應(yīng)越來越重視低溫對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響問題。目前非常有必要投入更多的力量，研究適用于低溫環(huán)境條件的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范，從設(shè)計(jì)的源頭做起，才能有效控制和降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)行業(yè)的健康發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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