黃世耿

（廣東粵電石碑山風能開發(fā)有限公司，廣東 揭陽 515223）

筆者所在的風電場項目于2004年啟動，2006年底完成全場167臺風機吊裝，于2007年初全部投入商業(yè)運行。風機選用國產(chǎn)金風科技S43/600型風機，采用水平軸、三葉片、上風向主動對風、定槳失速功率調(diào)節(jié)、雙速異步發(fā)電機并網(wǎng)運行。文章首先分析了S43/600風機技術(shù)優(yōu)化背景，針對S43/600風機技術(shù)所存在的問題進行分析，提出一套合理的優(yōu)化方案，并對優(yōu)化效果進行分析及數(shù)據(jù)對比，解決了實際應用中所存在的問題。

1 S43/600風機技術(shù)優(yōu)化背景

風電場項目于2004年啟動，項目建成比較早，600kW風機是廠家公司發(fā)展史上的一個過渡機型，全國保有量小，后維護技術(shù)力量投放較少，運行已超10年，積累了如下問題：（1）葉尖液壓缸損壞更換頻繁，除與運行環(huán)境有關(guān)外，亦與在小風期頻繁收放葉尖有很大關(guān)系。（2）600kW風機為早期機型，在防過速飛車的控制設(shè)計上存在缺陷，如在機組發(fā)生故障致使安全鏈故障動作后，機組將不能執(zhí)行偏航側(cè)風降速，有可能出現(xiàn)飛車現(xiàn)象。（3）針對國內(nèi)發(fā)生若干起因高速剎車摩擦、剮碰起火而引起整個機艙燒毀事件，目前600kW機組高速剎車未有溫度監(jiān)測，高溫未能及時預警，存在火災安全隱患。（4）風場位于沿海區(qū)域，葉片受雷擊現(xiàn)象較多，造成葉尖接閃部位鼓包、開裂發(fā)黑、接閃金屬塊遭腐蝕等情況，除環(huán)境因素外，與葉尖接閃器的設(shè)計有一定關(guān)系。

上述4個問題影響著600kW機組的安全可靠運行，但目前金風600kW機組的優(yōu)化工作從風機廠家到運營的各個風電場都尚未在現(xiàn)場開展和測試過。石碑山風電場針對相關(guān)問題做專項分析，研究解決方案，認為上述問題可以通過相關(guān)的技術(shù)優(yōu)化工作加以改善甚至解決，以優(yōu)化風機技術(shù)，提高風機的可靠性與可利用率。

風電場挑選7臺機組實施了優(yōu)化技改，優(yōu)化項目共有4項，分別是自由停機控制流程策略優(yōu)化（小風停機不甩葉尖）、防過速飛車控制優(yōu)化、高速閘溫度監(jiān)控改造、葉尖接閃器防雷優(yōu)化。機組號為J06、D40、D10、K14、B30、B32、C19。

2 優(yōu)化方案

2.1 自由停機控制流程優(yōu)化（小風停機不甩葉尖）

優(yōu)化目的：（1）減少葉尖動作次數(shù)，減緩液壓缸密封損壞；（2）延長葉尖油管及葉尖鋼絲繩的使用壽命；（3）減少停機的電量損失；（4）減少生產(chǎn)維護費用（更換部件的人工費）。

600kW機組在優(yōu)化前的自由停機過程需要釋放及回收葉尖，為減少葉尖動作次數(shù)，提出自由停機不甩葉尖優(yōu)化方案。通過優(yōu)化控制流程，結(jié)合風速、電機轉(zhuǎn)速降、發(fā)電機轉(zhuǎn)速及偏航控制，使機組自由停機時，在轉(zhuǎn)速設(shè)置允許范圍內(nèi)不甩葉尖，并在適當風速下并入電網(wǎng)。

2.2 防過速飛車控制優(yōu)化

優(yōu)化目的：觸發(fā)相應故障后及時側(cè)風偏離主風向90°，防止過速飛車。

優(yōu)化前，存在的最大安全隱患問題為機組側(cè)風90°僅在安全鏈正常時執(zhí)行，若安全鏈斷開，機組便無法進行側(cè)風。當機組需要側(cè)風以防止發(fā)生過速的情況時，需要有一路不經(jīng)過安全鏈回路的驅(qū)動電源，這樣即使安全鏈斷開仍然能夠執(zhí)行偏航動作進行側(cè)風，且此路驅(qū)動電源僅在安全鏈斷開后又發(fā)生需要側(cè)風的故障時工作，因此需要新增數(shù)字量輸出模塊以獨立于現(xiàn)有的安全鏈控制輸出電源，用于系統(tǒng)檢測到14#故障后提供執(zhí)行偏航需要的接觸器及繼電器工作電源。14#故障定義：當控制系統(tǒng)檢測到高速閘副閘處于閉合狀態(tài)時，葉輪轉(zhuǎn)速＞2r/min或發(fā)電機轉(zhuǎn)速＞10r/min，系統(tǒng)發(fā)出故障報警，進行側(cè)風動作。

2.3 高速閘溫度監(jiān)控改造

優(yōu)化目的：及時檢測高速閘異常高溫，提前干預高速閘異常狀態(tài)，避免機艙著火事故。

600kW機組高速閘在優(yōu)化前未監(jiān)測溫度，高溫未能及時預警，當高速閘間隙調(diào)整過小或閘磨損傳感器失靈時，高速制動時閘體與高速運轉(zhuǎn)的剎車盤磨擦而產(chǎn)生火花、高溫發(fā)熱，引燃閘片碎屑與油脂的混合物，持續(xù)高溫或超高溫可能引起機艙著火事故。為此，高速閘防火技改中新增了4個PT00溫度傳感器分別安裝在上下兩副高速閘的每個閘片上，用于實時監(jiān)測傳導高速閘閘片的溫度，并將溫度數(shù)據(jù)實時上傳給中央監(jiān)控系統(tǒng)。機組使用原有接口模塊，但新增3個溫度采集模塊，每塊可以采集2路溫度數(shù)據(jù)，目前沒有備用的溫度采集通道，需要新增模塊才能實現(xiàn)高速閘溫度的實時監(jiān)控。當機組運行時閘片溫度超出75℃限值時，機組會報出故障“高速閘溫度PT100故障”；當閘片溫度超過允許的運行溫度150℃時，機組會報出故障“高速閘溫度高報警”并停機。維護人員可及時登機檢查處理高速閘異常高溫，以防止火災事故的發(fā)生。

2.4 葉尖接閃器防雷優(yōu)化

優(yōu)化目的：（1）降低雷擊葉片概率，從而減少葉尖開裂、鼓包等現(xiàn)象；（2）減少停機的電量損失；（3）減少生產(chǎn)維護費用（葉片維修的人工費）。

風電場位于沿海地帶，空氣濕度大，全年雷電發(fā)生的頻率高。葉片在遭受雷擊強度較大時，雷電在葉片內(nèi)部形成電弧，空氣中的電弧會存在于葉片內(nèi)部的空洞和葉片表面，造成葉片表面或者電氣損壞；且雷擊電流傳遞到復合材料層間，因為層間及葉尖內(nèi)部存在少量水分，而瞬間放電效應較為短暫且電壓及電流都較高，使得瞬間能量釋放極高，而葉尖擾流器除排水孔透氣及排水外為一個密閉的空間，內(nèi)部電弧加熱層間及葉尖內(nèi)部水分引起壓力沖擊，會使葉片接閃器周圍復合層鼓包以及開裂。針對接閃器部位鼓包、開裂故障，借鑒采用兆瓦級別機組葉片葉尖接閃器，將原有接閃器更換為帶鋁尖的接閃器，增大葉尖的接閃面積，降低雷擊到葉片殼體部位的概率，避免接閃器內(nèi)預埋件腐蝕和膨脹而損壞復合層。

3 優(yōu)化效果分析

3.1 自由停機控制流程優(yōu)化效果

經(jīng)中央監(jiān)控導出的數(shù)據(jù)，可定量統(tǒng)計出小風停機不甩葉尖次數(shù)的占比（即合格率），如表1所示。

表1 技改機組小風不甩葉尖效果比較

通過數(shù)據(jù)比較可以看出，小風停機不甩葉尖次數(shù)占比在90%以上，達到了預期效果。從7臺風機進行控制策略優(yōu)化技改試驗開始，運行近一年時間，技改后尚未更換過液壓缸、葉尖油管及葉尖鋼絲繩，說明這項優(yōu)化技改對液壓缸、葉尖油管及葉尖鋼絲繩使用壽命的顯著影響。

3.2 防過速飛車控制優(yōu)化效果

防過速飛車，主要是防范于未然。7臺機組經(jīng)過優(yōu)化后，通過現(xiàn)場模擬測試已驗證當機組制動后仍然檢測到轉(zhuǎn)速，且偏航至側(cè)風90°位置，技改新增的24V電源輸出模塊使機組能夠在安全鏈斷開且制動失效的情況下，輸出偏航繼電器以及偏航接觸器控制電源進行偏航。通過現(xiàn)場測試，可以在觸發(fā)相應故障后，根據(jù)優(yōu)化的側(cè)風邏輯進行偏航以達到側(cè)風位置，實現(xiàn)在失速情況下的側(cè)風功能，有效防止出現(xiàn)過速飛車的情況。

3.3 高速閘溫度監(jiān)控改造效果

作為消除機艙著火安全隱患、增強機組安全保護措施的一種溫度檢測方式，在600kW機組上進行了高速閘溫度監(jiān)控改造，避免高速剎車閘片在高速制動時產(chǎn)生火花或高溫碎屑，從而引燃附件油脂混合物或其他可燃物釀成火災?，F(xiàn)場中控平臺顯示，高速閘閘片溫度以及新增故障信息均能上傳至中控平臺，實現(xiàn)高速閘溫度高預警功能，一年來7臺機組剎車片異常高溫報警共12次，預警快速準確。經(jīng)檢查，多為剎車片或剎車盤粘有油污，在高速剎車動作時造成剎車片過熱，經(jīng)清理后均恢復正常。此項改造有效避免了發(fā)生因高速閘異常高溫引起的機艙著火惡性安全事件，減免對企業(yè)造成重大的經(jīng)濟損失。

3.4 葉尖接閃器防雷優(yōu)化效果

優(yōu)化前，基本每支葉尖防雷接閃器均有不同程度的開裂、鼓包發(fā)黑等現(xiàn)象，目前經(jīng)過葉尖優(yōu)化的7臺機組已運行將近一年時間，接閃器區(qū)域沒有發(fā)生過葉尖開裂、鼓包等故障，說明葉片葉尖接閃器優(yōu)化后，增加了葉片葉尖接閃器與葉片殼體的粘接面積，有效提高了接閃器的導電性及電流的抵抗性，防雷擊能力明顯提高，充分表明了葉尖優(yōu)化的效果及可行性。

4 結(jié)論

隨著600kW風機運行時間的增長，需要分階段對機組運行情況進行評估，查找問題、分析原因，并采取必要措施，就存在的問題進行處理，改善機組的運行狀態(tài)，以實現(xiàn)機組全生命周期內(nèi)用電成本的持續(xù)優(yōu)化。文章提出的優(yōu)化方案不僅改善了機組的運行狀態(tài)，而且提高了機組的可利用性和安全性能，如防超速車的控制優(yōu)化和高速制動溫度監(jiān)測的改造。這兩種優(yōu)化方案可以防止機組超速和高速剎車異常高溫引起機艙火災；優(yōu)化了自由停機的控制過程（無葉尖擺動的小風停堆），減少了液壓缸、葉尖油管和葉尖鋼絲的損壞故障次數(shù)繩，減少故障停機時的功率損失和備件消耗；同時，對葉尖避雷器進行防雷優(yōu)化，可以增加葉尖的受雷面積，提高防雷能力，有效減少葉尖雷擊和鼓包現(xiàn)象。