李 萌

(淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 淮北 235000)

中國(guó)風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用較為成熟的區(qū)域主要分布在低海拔或者低緯度地區(qū)[1]。在屬于高寒地區(qū)的黑龍江省北部、青藏高原、云貴高原部分地區(qū),由于大氣壓力小、氣候寒冷干燥、地質(zhì)條件不佳,使得這些地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)尚處在起步和試驗(yàn)階段。國(guó)內(nèi)高寒地區(qū)地域廣闊、能源缺口大,風(fēng)能資源有很大的開(kāi)發(fā)利用潛力,迫切需要推導(dǎo)出科學(xué)有效的低溫型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)方法和規(guī)范。

1 高寒環(huán)境對(duì)風(fēng)力機(jī)影響

1.1 低溫條件對(duì)風(fēng)力機(jī)影響

高寒地區(qū)的特點(diǎn)是冬季氣溫比較低,甚至全年氣溫都偏低,例如青藏高原的年平均氣溫一般都在10℃以下[2]。溫度隨著海拔高度增加而降低是大氣對(duì)流的主要特征之一,海拔每升高1000m,溫度約下降5℃,其關(guān)系如表1所列。風(fēng)力機(jī)的可靠性和維護(hù)性都受到這種高寒低溫工況的極大影響,可能導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行超出設(shè)計(jì)許用范圍,甚至引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。外部環(huán)境溫度低,潤(rùn)滑劑和液壓油粘度增加,潤(rùn)滑性能降低可能引起齒輪箱、電機(jī)、軸承等部件因載荷變化而導(dǎo)致磨損加劇[3]。低溫型風(fēng)力機(jī)需選用耐低溫性能較佳的專(zhuān)用潤(rùn)滑油,并在必要時(shí)通過(guò)加熱使油溫維持在正常水平。

表1 氣溫、空氣密度與海拔高度的關(guān)系

變速箱、傳動(dòng)軸等風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)部件均為金屬材質(zhì),其強(qiáng)度和剛度會(huì)受到環(huán)境溫度的一定影響。應(yīng)重點(diǎn)防止金屬材料低溫時(shí)可能出現(xiàn)的脆性斷裂現(xiàn)象,提高風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)部件低溫下的生存能力和抗沖擊能力。風(fēng)力機(jī)塔架、機(jī)艙底座等承載部件一般由Q345鋼板焊接而成,其疲勞極限會(huì)隨著溫度的下降而降低,焊縫的焊接質(zhì)量也直接影響其安全性能。采用耐低溫的Q345D甚至Q345E鋼材,焊接時(shí)避免焊縫應(yīng)力集中,采用預(yù)熱和熱處理等工藝措施,是破解低溫型風(fēng)力機(jī)制造難題的有效手段。風(fēng)力機(jī)葉片一般采用耐低溫性能更佳的玻璃纖維復(fù)合材料制成,但在環(huán)境溫度低于-20℃、風(fēng)速超過(guò)16m/s-18 m/s的極端風(fēng)況下,定槳距失速型風(fēng)力機(jī)葉片可能出現(xiàn)無(wú)規(guī)律的失速振動(dòng)現(xiàn)象[4]。這種現(xiàn)象發(fā)生會(huì)影響風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電性能,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致葉片根部結(jié)構(gòu)失效,葉片產(chǎn)生裂紋甚至折斷破壞。高寒地區(qū)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜,部分地區(qū)有多年凍土存在。這種地質(zhì)條件下的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工,要充分考慮凍土層因反復(fù)凍融作用而具有流變性帶來(lái)的影響。在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維時(shí),注意實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)塔架傾斜、基礎(chǔ)沉降等情況,以防止出現(xiàn)風(fēng)力機(jī)傾覆的嚴(yán)重事故。

1.2 覆冰問(wèn)題對(duì)風(fēng)力機(jī)影響

高寒地區(qū)氣候變化多樣,部分地區(qū)一年當(dāng)中可能出現(xiàn)很長(zhǎng)時(shí)間的凝凍天氣。空氣濕度大、環(huán)境溫度低,低溫設(shè)備和金屬零件可能出現(xiàn)凝露甚至結(jié)冰現(xiàn)象。例如貴州盤(pán)縣四格風(fēng)電場(chǎng),一年有差不多近一個(gè)月的凝凍天氣,覆冰問(wèn)題嚴(yán)重,發(fā)電損失大。葉片結(jié)冰現(xiàn)象會(huì)改變?nèi)~片的氣動(dòng)外形,影響風(fēng)輪質(zhì)量的動(dòng)平衡,甚至?xí)斐善淦趽p壞。覆冰在葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)可能因?yàn)殡x心力或者融化等原因被拋出,對(duì)附近的人畜或建筑物安全造成潛在的威脅[5]。機(jī)艙覆冰和塔筒外殼結(jié)冰還將影響風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行和偏航控制,破壞風(fēng)力機(jī)表面的防腐防銹能力。環(huán)境溫度低、晝夜溫差大,容易使電器設(shè)備產(chǎn)生凝露,加速元件腐蝕、降低表面電阻,使絕緣性能降低、安全系數(shù)下降。

2 低溫型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)改進(jìn)

2.1 風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)

低溫型風(fēng)力機(jī)運(yùn)行溫度一般為-30℃～+40℃，生存溫度為-40℃～+50℃。如果風(fēng)電場(chǎng)所在地區(qū)平均每年氣溫低于-20℃的天數(shù)大于9天，就需要考慮安裝低溫型風(fēng)力機(jī)。例如內(nèi)蒙古赤峰市克什克騰旗的塞罕壩地區(qū)，年無(wú)霜期只有3個(gè)月，最低氣溫可達(dá)-42℃，屬于高原高寒氣候。大唐赤峰公司從2004年開(kāi)始在該地區(qū)建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)，并首次采用適用于低溫環(huán)境的改進(jìn)型風(fēng)電機(jī)組。2019年6.45MW低溫型風(fēng)電機(jī)組在遼寧大連莊河海域投入運(yùn)行，這是我國(guó)北方低溫地區(qū)的首個(gè)海上風(fēng)電項(xiàng)目。

高寒地區(qū)的風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),應(yīng)考慮空氣密度、溫差變化、低溫低壓、日照輻射等因素引起外部載荷和結(jié)構(gòu)承載能力變化的特殊情況。金屬材料的彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)等特性,復(fù)合材料、密封元件、彈性元件的剛度、彈性系數(shù)、阻尼等特性在這些因素作用下均將發(fā)生改變,可能造成風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能差異。同時(shí)機(jī)械傳動(dòng)鏈的阻尼、機(jī)械剎車(chē)性能也可能與普通型風(fēng)力機(jī)有較大不同,需要在載荷計(jì)算時(shí)對(duì)上述因素影響加以重點(diǎn)分析。因此,低溫型風(fēng)力機(jī)的金屬部件要選取具有抗沖擊性能和抗疲勞性能的耐低溫材料,焊接結(jié)構(gòu)和高強(qiáng)度螺栓需滿(mǎn)足最低生存溫度下的斷裂韌性要求,同時(shí)考慮低溫環(huán)境預(yù)應(yīng)力和裝配間隙發(fā)生變化對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。低溫型風(fēng)電機(jī)組的潤(rùn)滑脂、潤(rùn)滑油、冷卻液及散熱系統(tǒng)應(yīng)能滿(mǎn)足極限低溫條件下的安全要求。

國(guó)內(nèi)的大多數(shù)高寒地區(qū),海拔高氣壓低,相對(duì)空氣密度較小。在標(biāo)準(zhǔn)空氣密度條件下,風(fēng)力機(jī)葉輪直徑D0的計(jì)算公式為:

D0=[8P/(Cpρ0V3πη1η2)]1/2

(1)

其中,P為風(fēng)力機(jī)葉輪從風(fēng)源獲取的功率(W),ρ0為標(biāo)準(zhǔn)空氣密度(kg/m3),V為風(fēng)輪中心高度處的設(shè)計(jì)風(fēng)速(m/s),η1為發(fā)電機(jī)效率,η2為傳動(dòng)系統(tǒng)效率,CP為風(fēng)能利用系數(shù)。

當(dāng)空氣密度由ρ0變化為ρ1時(shí),假設(shè)其他條件不變,則風(fēng)力機(jī)葉輪直徑D1的計(jì)算公式為:

D1=[8P/(Cpρ1V3πη1η2)]1/2

(2)

上述兩式相比,得到低溫型風(fēng)力機(jī)葉片直徑的修正公式:

D1=(ρ0/ρ)1/2D0

(3)

如果以海拔4000m時(shí)相對(duì)空氣密度ρ/ρ0=0.65帶入,則得到D1=1.24D0。這意味著在其他條件不變的情況下,高寒地區(qū)的風(fēng)力機(jī)葉輪直徑設(shè)計(jì)至少要比普通地區(qū)增大20%以上時(shí),才能獲得相同的風(fēng)力機(jī)輸出功率[6]。由于風(fēng)速會(huì)隨著高度的提升而增大,可適當(dāng)提高風(fēng)力機(jī)葉輪安裝高度以捕獲更多風(fēng)能。高寒地區(qū)地形復(fù)雜,運(yùn)輸難度大,安裝條件差,不利因素往往限制風(fēng)力機(jī)葉片的加長(zhǎng)。可考慮重新設(shè)計(jì)葉片翼型、加大葉片最大寬度、優(yōu)化葉片氣動(dòng)外形,適當(dāng)降低風(fēng)力機(jī)承受載荷和切入風(fēng)速,以增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電能力。

加大對(duì)玻璃纖維復(fù)合材料葉片的耐低溫防護(hù),提前進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料葉片的研發(fā)工作和高寒試驗(yàn)。為解決風(fēng)力機(jī)葉片低溫、覆冰等問(wèn)題,通常在葉片表面覆涂疏水性涂料以形成防冰涂層,通過(guò)降低葉片表面附著力防止結(jié)冰。必要時(shí)可在葉片根部設(shè)計(jì)加裝鼓風(fēng)設(shè)備,通過(guò)風(fēng)管往葉片空腔吹入加熱后的熱空氣,然后經(jīng)過(guò)熱循環(huán)對(duì)葉片進(jìn)行除冰作業(yè)。加熱裝置可以采用更為安全的陶瓷發(fā)熱體,盡可能減少火災(zāi)發(fā)生隱患。

2.2 風(fēng)力機(jī)電氣設(shè)計(jì)改進(jìn)

高寒環(huán)境的風(fēng)力機(jī)電氣設(shè)計(jì),需要通過(guò)試驗(yàn)修正風(fēng)力機(jī)功率曲線(xiàn),優(yōu)化風(fēng)力機(jī)控制策略,實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)監(jiān)測(cè)和保護(hù)智能化。為提升高寒環(huán)境下風(fēng)力機(jī)的可靠性,需要選用耐濕度性能好的絕緣材料,并為發(fā)電機(jī)和電器柜等部件配備必要的加熱裝置,以保障風(fēng)力機(jī)正常穩(wěn)定運(yùn)行。

高寒地區(qū)海拔升高空氣密度降低,單位空氣的比熱容減小,風(fēng)力機(jī)散熱效率下降,風(fēng)電機(jī)組設(shè)備溫升需進(jìn)行修正。高壓電器設(shè)備溫升按照式(4)進(jìn)行修正[7]。

(4)

其中，Kt為溫升的海拔修正系數(shù),H為風(fēng)電場(chǎng)海拔高度，m；TH為高海拔地區(qū)設(shè)備允許溫升，K；T2000為2000m海拔高度設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)許用溫升。

高寒地區(qū)所處的低溫環(huán)境可以補(bǔ)償一部分低壓設(shè)備的溫升,可用下式對(duì)風(fēng)電機(jī)組低壓設(shè)備極限溫升進(jìn)行修正。

T=To+ΔT

(5)

其中,T為各海拔高度的溫升極限值,To常規(guī)條件下標(biāo)準(zhǔn)溫升極限值，K,ΔT為溫升極限值的海拔修正值，K,取值如表2所列。

表2 溫升極限的海拔修正系數(shù)

當(dāng)海拔超過(guò)2000m時(shí),由于空氣密度降低,低壓開(kāi)關(guān)電器的性能會(huì)受到影響。除專(zhuān)門(mén)為高海拔地區(qū)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品外,其他產(chǎn)品應(yīng)進(jìn)行降容處理。普通的變壓器和變流器應(yīng)用在低溫型風(fēng)力機(jī)時(shí)也應(yīng)降容使用,一般海拔每升高1000m,降容10%,降容后應(yīng)能保證風(fēng)電機(jī)組實(shí)際功率曲線(xiàn)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求[8]。

3 結(jié)束語(yǔ)

在高寒地區(qū),中國(guó)已經(jīng)開(kāi)展了利用風(fēng)電技術(shù)獲取清潔能源的不斷探索和有益嘗試。在兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性要求的前提條件下,研究通過(guò)增大葉片長(zhǎng)度、提高輪轂高度、采用防覆冰措施、修正電氣設(shè)備溫升等一系列措施,對(duì)風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)和電氣部分進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)和改進(jìn)。研究成果將為低溫型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)制造提供技術(shù)指導(dǎo),為解決高寒地區(qū)能源短缺問(wèn)題提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。