胡威 崔冬林 張雙益

（1新疆金風(fēng)科技股份有限公司 北京 100176 2北控清潔能源集團有限公司 北京 101102）

1 氣象災(zāi)害的基本概念

章國材定義氣象災(zāi)害為 “由于氣象原因能夠直接造成生命傷亡與人類社會財產(chǎn)損失的災(zāi)害”，并認為“災(zāi)害性天氣不一定是氣象災(zāi)害”“不是災(zāi)害性天氣但是可能成氣象災(zāi)害”［1］。氣象上災(zāi)害性天氣有：臺風(fēng)、暴雨、大風(fēng)、冰雹、大霧、沙塵暴、龍卷風(fēng)、雷擊、大雪、凍雨、結(jié)冰、霜、低溫、寒潮、高溫、干熱風(fēng)、霾等。氣候變暖、干旱、洪水等盡管不是災(zāi)害性天氣，但卻是由于外因或者某一天氣因素的長期影響造成了氣象災(zāi)害。對于風(fēng)電項目而言，主要有熱帶氣旋、雷暴、凝凍、沙塵暴、極溫等氣象災(zāi)害對其開發(fā)、建設(shè)和運行造成重大影響［2］。

2 氣象災(zāi)害對風(fēng)電項目的影響

2.1 熱帶氣旋對風(fēng)電項目的影響

熱帶氣旋是一種強大而深厚的氣旋性渦旋。當(dāng)中心風(fēng)力達到12級以上，就稱之為臺風(fēng)，按其結(jié)構(gòu)可分為臺風(fēng)眼、臺風(fēng)墻、臺風(fēng)外圍三部分。臺風(fēng)眼的半徑為5～30 km，該區(qū)域風(fēng)速一般小于6 m/s；臺風(fēng)墻的半徑可達100 km，屬于整個臺風(fēng)系統(tǒng)里對流最劇烈、破壞力最大的區(qū)域；臺風(fēng)外圍約200～300 km，風(fēng)力可達6級以上。臺風(fēng)一般生成于南北緯5°～20°、海表溫度大于等于 26 ℃的洋面［3］。

2013年19日超強臺風(fēng)“天兔”在廣東省汕尾市紅海灣附近地區(qū)登陸，附近2個風(fēng)電場在臺風(fēng)肆虐的時候表現(xiàn)出不同的結(jié)果。圖1為臺風(fēng)中心靠近其一風(fēng)電場時，某風(fēng)機在停機前記錄下來出現(xiàn)最大10 min風(fēng)速和3 s極限風(fēng)速的變化曲線，臺風(fēng)經(jīng)過時風(fēng)速已接近70 m/s，超過風(fēng)力發(fā)電機組的設(shè)計等級，但并未造成設(shè)備倒塌。

圖2為另外一個位于臺風(fēng)中心登陸區(qū)域的風(fēng)電場，倒塌風(fēng)機8臺、損壞葉片9臺、燒毀機艙1臺、主控室設(shè)備損毀，整個項目基本被摧毀。

評估臺風(fēng)對風(fēng)電場的影響目前屬于行業(yè)較為薄弱的環(huán)節(jié)。近年來，臺風(fēng)致災(zāi)風(fēng)電場規(guī)律為臺風(fēng)眼、墻區(qū)域損失嚴(yán)重，臺風(fēng)外圍風(fēng)場可利用強風(fēng)多發(fā)電。臺風(fēng)對風(fēng)電場影響的評估，既要考慮極端風(fēng)速、多種工況疊加下的載荷評估，優(yōu)化設(shè)備選型，還要利用統(tǒng)計方法評估風(fēng)場遭遇臺風(fēng)登陸中心的概率，合理規(guī)劃風(fēng)電開發(fā)［4］。

2.2 雷暴對風(fēng)電項目的影響

雷暴是一種非常危險的氣象災(zāi)害，放電過程中釋放出強大的電流，會產(chǎn)生磁暴、高溫、強光、沖擊波等，極易對各類生物、設(shè)施設(shè)備造成顯著的損毀或損傷。風(fēng)電場在選址、選型中常常會針對雷暴天氣進行分析，但是在實際運行過程中仍然常常會遭遇雷擊損害，原因在于依賴氣象站觀測數(shù)據(jù)，缺乏風(fēng)電場實際觀測數(shù)據(jù)，因此需要關(guān)注雷暴多發(fā)區(qū)的風(fēng)險管理和安全裕度。

風(fēng)電機組選址一般在前后開闊的區(qū)域，風(fēng)電場的輸電線路多建于容易被觀察到的空曠地帶，孤立地暴露在自然環(huán)境中。風(fēng)機容易遭遇直擊雷，風(fēng)電場對此種雷暴氣象風(fēng)險的防控措施較為充分。但在南方某些高山風(fēng)電場，云層較多、對流天氣劇烈，隨機產(chǎn)生的感應(yīng)雷也會對風(fēng)電設(shè)備造成不同程度的危害，這種危害預(yù)防較為薄弱。如圖3所示，風(fēng)電葉片尖端安裝有防雷引線，但仍被感應(yīng)雷擊中，造成葉片損壞。

2.3 凝凍對風(fēng)電項目的影響

凝凍分為霧凇和雨凇。霧凇是過冷卻的霧滴直接凝結(jié)在物體上，聚集為白色的冰晶物，結(jié)構(gòu)蓬松易消融；雨凇是指大氣中過冷的雨雪在降落過程中，附著在低于0℃的物體或地面上，凝結(jié)成的堅硬冰層，結(jié)構(gòu)致密不易融化。對風(fēng)電場影響較大的是雨凇，在我國南方山區(qū)，不同的雨凇天氣過程，導(dǎo)致積冰交替積聚而形成的混合積冰，常常會導(dǎo)致測風(fēng)塔損毀、倒塌。根據(jù)實際風(fēng)電項目現(xiàn)場的觀測數(shù)據(jù)還發(fā)現(xiàn)，相近的溫度濕度條件下，凝凍積冰的厚度與風(fēng)速成正相關(guān)［5］。

我國霧凇主要分布在黃淮、華北和東北地區(qū)、新疆地區(qū)的天山以北部等區(qū)域。如圖4所示，霧凇附著在葉片，會改變它表面的氣動效果，降低機組出力；附著在風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)之上，會降低風(fēng)速和風(fēng)向的測量精度。

雨凇多分布在我國云貴高原、長江中下游以南山區(qū)。如圖5所示風(fēng)電機組葉片表面覆蓋一層厚冰層，性能大大降低；冰層的重量又會造成葉片負載增加。雨凇也會對輸電線路、交通運輸造成危害，降低運維效率。

對凝凍的措施主要是使用可加熱的風(fēng)速儀和風(fēng)向標(biāo)，加裝結(jié)冰觀測設(shè)備。對葉片有加裝疏水涂層、電阻絲覆膜、內(nèi)殼熱吹風(fēng)等方式，從實際運行的結(jié)果來看，三種方式各有利弊，但沒有完全解決凝凍災(zāi)害。

2.4 沙塵暴對風(fēng)電項目的影響

我國沙塵暴天氣多發(fā)生在北方地區(qū)春季，如新疆、青海、甘肅、內(nèi)蒙古、河北等地，而主要的沙源地在外蒙古、塔克拉瑪干沙漠、柴達木盆地以及巴丹吉林沙漠。圖6為遭受沙塵暴襲擊的風(fēng)電場。

強沙塵暴發(fā)生時風(fēng)力往往8級以上，有時甚至可達12級，大風(fēng)夾帶的砂石碎屑帶著強大的動能沖擊風(fēng)電機組外表面，使葉片表面磨損嚴(yán)重，破壞葉片的氣動效果，磨損塔筒外漆，影響風(fēng)電機組出力。如圖7所示，某機組葉片在沙塵長期影響下發(fā)生損毀。防護沙塵暴災(zāi)害的措施主要是在葉片覆膜，但是需定期予以更換，會產(chǎn)生額外運維成本。

2.5 極溫對風(fēng)電項目的影響

極溫包括極端低溫天氣和極端高溫天氣。以極端低溫為例，我國極端低溫的分布區(qū)域由北向南逐漸減少、由東北向西南呈略傾斜分布。黑龍江北部和內(nèi)蒙古東部的極端低溫會達到-40℃以下；除了黑龍江東部的東北大部、內(nèi)蒙古中東部以及新疆北疆東部地區(qū)的極端低溫可達-35～-40℃；黃淮、秦嶺至西藏東南以北的大部分地區(qū)的極端低溫在-25～-30℃之間，以南地區(qū)的極端低溫均高于-15℃。

我國東北、華北、西北地區(qū)可開發(fā)的風(fēng)能資源豐富，也是極端低溫的主要分布區(qū)域，其最低溫度都在-20℃以下。這些地區(qū)的極端低溫會影響設(shè)備，如潤滑油脂、液壓油脂在低溫時粘度增大，降低潤滑或液壓效果，若選錯適應(yīng)溫度范圍的油脂，會導(dǎo)致齒輪箱系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)運行效率降低，致使機組難以運轉(zhuǎn)，特別是停機后啟機時較為困難，危及設(shè)備的安全運行。極端高溫主要會影響設(shè)備散熱、加速電氣設(shè)備老化等。極溫環(huán)境下風(fēng)電場氣象災(zāi)害防控，主要是在設(shè)備選型過程制定相關(guān)技術(shù)適應(yīng)性要求。

2.6 其他氣象現(xiàn)象對風(fēng)電項目的影響

一些氣象現(xiàn)象會引發(fā)次生或者衍生的災(zāi)害，間接對風(fēng)電場帶來影響。如厄爾尼諾現(xiàn)象并非是一種直接氣象災(zāi)害，但發(fā)生時容易出現(xiàn)極端的天氣情況。如2016年是典型的厄爾尼諾年，這一年中國大部分地區(qū)受極冷空氣影響，氣溫降幅達到10～15℃，南方出現(xiàn)大范圍雨雪天氣，極寒天氣持續(xù)十多天［6］。它可能對風(fēng)電場本身的設(shè)備不會造成重大影響，但是可能會對設(shè)備運輸、吊裝施工、現(xiàn)場巡檢帶來負面影響。

3 風(fēng)電項目氣象災(zāi)害風(fēng)險的應(yīng)對

綜上分析可見，盡管風(fēng)電行業(yè)已采取了不少技術(shù)和工程應(yīng)對措施，但仍然出現(xiàn)了氣象風(fēng)險致災(zāi)案例。因此，探索風(fēng)電項目氣象災(zāi)害風(fēng)險管理存在著現(xiàn)實的意義。

結(jié)合氣象災(zāi)害特性和風(fēng)險管理方法，探索了風(fēng)電場風(fēng)電氣象災(zāi)害應(yīng)對措施。即依托現(xiàn)有氣象預(yù)報資源，建立風(fēng)場局地氣象災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警服務(wù)，發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險；結(jié)合氣象災(zāi)害風(fēng)險對風(fēng)電項目的影響，因地制宜制定風(fēng)險回避、風(fēng)險預(yù)防、風(fēng)險轉(zhuǎn)移等風(fēng)險規(guī)避措施。

3.1 氣象災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警

氣象災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警服務(wù)，既可以從公共氣象預(yù)報體系中獲取，也可購買定制化商業(yè)氣象服務(wù)。隨著風(fēng)電行業(yè)對氣象服務(wù)的要求越來越高，風(fēng)場安裝相應(yīng)的觀測設(shè)備、傳感器，也有不少風(fēng)電場自建氣象信息系統(tǒng)。

從風(fēng)險管理的需求維度，其核心功能應(yīng)包括：歷史氣象數(shù)據(jù)、實時氣象觀測數(shù)據(jù)、中尺度氣象預(yù)報數(shù)據(jù)、風(fēng)電項目以及電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)，接收和發(fā)布全國范圍內(nèi)大風(fēng)、雷電、冰凍、強降水等氣象預(yù)警信息。它給風(fēng)電場提供7天24小時不間斷監(jiān)控和預(yù)警，并利用移動互聯(lián)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，使用在線終端設(shè)備實時掌握風(fēng)電場氣象信息、生產(chǎn)一線的情況。

3.2 風(fēng)險回避

風(fēng)電項目在開發(fā)和選址過程中，發(fā)現(xiàn)存在以下風(fēng)險：①風(fēng)險過高，現(xiàn)有技術(shù)和方法無法消除或者轉(zhuǎn)移風(fēng)險；②項目開發(fā)者對于風(fēng)險的敏感度非常高，不愿意開發(fā)存在強烈風(fēng)險的項目；③投資者有其他可供替代的項目，無需承擔(dān)本項目所蘊含的風(fēng)險，亦能獲得相應(yīng)的經(jīng)濟回報；④承擔(dān)該風(fēng)險開發(fā)項目之后，獲得的經(jīng)濟回報的概率低于風(fēng)險概率等情況，則可采取風(fēng)險回避的措施。但風(fēng)險回避是最保守也最安全的風(fēng)險處理措施，回避了風(fēng)險也就放棄了項目的開發(fā)。

3.3 風(fēng)險預(yù)防

風(fēng)險預(yù)防是指通過技術(shù)手段，對可能存在的風(fēng)險進行分析，并有針對性地采取預(yù)防措施消除風(fēng)險。風(fēng)電項目氣象災(zāi)害風(fēng)險預(yù)防可采取如下措施：①分析風(fēng)電項目所在區(qū)域的歷史氣象數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)，全面分析可能存在的各類風(fēng)險；②基于概率統(tǒng)計法和數(shù)值模擬法，計算某個氣象災(zāi)害的重現(xiàn)概率及影響程度；③歸納和總結(jié)各類氣象災(zāi)害風(fēng)險的具體參數(shù)，比照各類風(fēng)電相關(guān)的設(shè)計和選型規(guī)范中的要求，確定相應(yīng)風(fēng)險等級；④根據(jù)風(fēng)險等級，確定設(shè)備、設(shè)施等的選型和設(shè)計要求，以此作為采購和施工建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 風(fēng)險轉(zhuǎn)移

氣象災(zāi)害風(fēng)險典型的特征在于周期性和反復(fù)性，想要完全避免其帶來的損失，付出的代價會相當(dāng)高昂。同時，氣象災(zāi)害風(fēng)險又具備偶發(fā)性和可預(yù)測性，即存在一定可預(yù)測的概率。因此，可以通過一定經(jīng)濟補償將風(fēng)險轉(zhuǎn)移給設(shè)備提供商、建設(shè)商、第三方等來規(guī)避風(fēng)險，如延長運維質(zhì)保、履約擔(dān)保、對賭協(xié)議、氣象保險等方式。

4 結(jié)語

總結(jié)了熱帶氣旋、雷暴、凝凍、沙塵暴、極溫等各類氣象災(zāi)害影響，以及目前應(yīng)對現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，提出了氣象災(zāi)害特性和風(fēng)險管理方法相結(jié)合的應(yīng)對措施，即建立風(fēng)電項目氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)、采用風(fēng)險回避、風(fēng)險預(yù)防、風(fēng)險轉(zhuǎn)移等等不同風(fēng)險應(yīng)對方法。以期對風(fēng)電場的開發(fā)、建設(shè)和運行提供參考，避免和減少氣象災(zāi)害對風(fēng)電項目的影響和帶來的經(jīng)濟損失。