賈 超

(水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

0 引言

目前，我國海上風(fēng)電開發(fā)已進(jìn)入快車道，規(guī)模迅速增長。從潮間帶到淺海再到深海，從亞洲第一座110 kV海上升壓站到220 kV深海升壓站，我國海上風(fēng)電取得突破性進(jìn)展。數(shù)據(jù)顯示，2018年我國海上風(fēng)電新增裝機(jī)436臺(tái)；新增裝機(jī)容量達(dá)到1 655 MW，同比增長42.2 %；海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)量4 445 MW，同比增長59.3 %。據(jù)國家能源局相關(guān)統(tǒng)計(jì)，2020年，我國海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量為306萬kW，同比增長54.5 %。截止2020年底，我國海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)約900萬kW。海上風(fēng)電的大規(guī)模開發(fā)，是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。

海上風(fēng)電的開發(fā)條件比陸上風(fēng)電要差很多，不僅要面對海水的腐蝕、波浪的沖擊，還要考慮防范臺(tái)風(fēng)的問題。我國是世界上受臺(tái)風(fēng)影響最嚴(yán)重的國家之一，我國所面臨的西北太平洋(包括南海)是全球熱帶氣旋(臺(tái)風(fēng)為熱帶氣旋的一種)發(fā)生頻數(shù)最多的海區(qū)，熱帶氣旋生成數(shù)約占全球生成數(shù)的三分之一。

1 統(tǒng)計(jì)調(diào)研

根據(jù)1949—2016年《熱帶氣旋年鑒》(1989年以前為《臺(tái)風(fēng)年鑒》)和中央氣象臺(tái)的資料等數(shù)據(jù)，我國沿海熱帶氣旋登陸情況如表1所示。近10年來登陸我國超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)占比，詳見表2。

表1 1949-2018年熱帶氣旋在我國的登陸頻次

表2 2008-2018年登陸我國超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)占比

(1) 登錄臺(tái)風(fēng)的數(shù)量沒有明顯變化趨勢。1949—2018年期間，共有625個(gè)熱帶氣旋登錄我國，年均9個(gè)，登陸頻次略有減少的趨勢，但達(dá)到臺(tái)風(fēng)級別的并沒有明顯變化。

(2) 臺(tái)風(fēng)的登陸點(diǎn)趨于集中。1949—1981年，登陸和影響我國的熱帶氣旋主要集中在華南沿海和海南，而1982年以后主要集中在華東沿海及臺(tái)灣?？傮w看，臺(tái)風(fēng)的登陸區(qū)域更為集中，25°N附近的東南沿海稱為臺(tái)風(fēng)登陸的主要區(qū)域，這一區(qū)域遭受臺(tái)風(fēng)的襲擊明顯增大。

(3) 臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)段趨于集中。我國熱帶氣旋登陸季節(jié)持續(xù)時(shí)間平均約4個(gè)月，最短不到一個(gè)月，最長可達(dá)半年。70年來，我國熱帶氣旋登陸季節(jié)持續(xù)時(shí)間縮短了近1個(gè)月。

(4) 登陸臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度逐年增強(qiáng)。以熱帶氣旋的中心氣壓表示強(qiáng)度，顯示我國熱帶氣旋在登陸時(shí)的強(qiáng)度有增加的趨勢，并且登陸臺(tái)風(fēng)中超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)所占比重也呈增加的趨勢。

2 熱帶氣旋的危害

熱帶氣旋造成風(fēng)電機(jī)組損壞的主要原因如下。

(1) 風(fēng)速高，影響范圍廣，持續(xù)時(shí)間長。臺(tái)風(fēng)從生成到衰亡一般3～8天，但最長可達(dá)20天。臺(tái)風(fēng)由臺(tái)風(fēng)眼區(qū)、漩渦區(qū)、大風(fēng)區(qū)組成，漩渦區(qū)是風(fēng)力最大、破壞力最大的區(qū)域，一般寬 10～200 km，風(fēng)速可達(dá)20～80 m/s，甚至有達(dá)到 100 m/s的臺(tái)風(fēng)。

(2) 湍流強(qiáng)度大，風(fēng)向突變。湍流強(qiáng)度是描述風(fēng)速隨時(shí)間和空間變化程度的量，反映脈動(dòng)風(fēng)速的相對強(qiáng)度，是描述大氣湍流運(yùn)動(dòng)特性的最重要的特征量。臺(tái)風(fēng)過境時(shí)，氣流湍流強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，這種強(qiáng)烈脈動(dòng)的氣流可以誘發(fā)葉片抖振，對于大功率風(fēng)機(jī)的長葉片抖振會(huì)更嚴(yán)重一些。風(fēng)向突變會(huì)導(dǎo)致偏航系統(tǒng)不靈敏的風(fēng)電機(jī)組不能及時(shí)調(diào)整方向，導(dǎo)致葉片受到的氣流攻角加大，有可能使葉片進(jìn)入扭轉(zhuǎn)顫振狀態(tài)，而一旦進(jìn)入顫振，機(jī)組葉片的損壞則是必然的。

3 防臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)

3.1 防臺(tái)理念

在風(fēng)電場的前期設(shè)計(jì)中，安全和投資是相互矛盾的。風(fēng)電場的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求越高，能抵御超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的能力就越強(qiáng)，但投資成本也會(huì)大大增加。海上風(fēng)電項(xiàng)目屬于無人值守的工業(yè)項(xiàng)目，結(jié)構(gòu)失效絕大多數(shù)情況不涉及人身安全，從這方面來說，可適當(dāng)降低其結(jié)構(gòu)可靠度。

抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)避免整體顛覆性破壞。因?yàn)轭嵏残缘顾茐牟粌H機(jī)組、塔筒、基礎(chǔ)徹底失效，其運(yùn)輸、安裝、輸變電工程也受影響，修復(fù)費(fèi)用會(huì)超過建設(shè)期安裝、購買機(jī)組的全部費(fèi)用。為有效避免顛覆性破壞，可以根據(jù)機(jī)組各部件失效造成的損失來確定各部件的安全系數(shù)。比如：基礎(chǔ)、塔筒、機(jī)艙、輪轂、葉片，依據(jù)其重要性決定安全系數(shù)的高低。謹(jǐn)慎考慮葉片的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，在超過設(shè)計(jì)風(fēng)速的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)中應(yīng)允許屈服破壞，降低風(fēng)機(jī)的整體風(fēng)荷載。

3.2 規(guī)劃選址

在風(fēng)電場的規(guī)劃選址時(shí)，應(yīng)給予臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害因子賦予影響經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的較大權(quán)重，對于臺(tái)風(fēng)登陸頻繁的地區(qū)宜暫緩開發(fā)，待抗臺(tái)風(fēng)技術(shù)成熟后再陸續(xù)開展前期工作。

規(guī)劃場址處于受臺(tái)風(fēng)影響的地區(qū)，在進(jìn)行正常氣象條件下風(fēng)資源數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，還需要收集與本區(qū)域相關(guān)的多年臺(tái)風(fēng)登陸數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行分析處理，也為風(fēng)電機(jī)組和輸變電設(shè)備提供50年一遇的極端氣象資料。

風(fēng)機(jī)機(jī)位微觀選址時(shí)，盡量將風(fēng)機(jī)布置在風(fēng)機(jī)高度范圍內(nèi)風(fēng)垂直切變值及地面粗糙度都較小、各種風(fēng)況下都不容易形成湍流的地方，在海上，一般主要避免風(fēng)機(jī)之間形成較大的湍流。

避免在灘槽變化海域開發(fā)風(fēng)電。因?yàn)閷τ跒┩亢徒ｏL(fēng)電場，潮流沖刷槽和沖擊灘之間反復(fù)變換，且易受臺(tái)風(fēng)浪和風(fēng)暴潮的破壞，易導(dǎo)致基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)因自振頻率的改變而損壞。

3.3 基礎(chǔ)、塔基設(shè)計(jì)

海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)受波浪、海流、風(fēng)荷載等多種荷載作用，具有重心高、海洋環(huán)境荷載復(fù)雜、承受水平風(fēng)力和傾覆彎矩大的特點(diǎn)，是保證風(fēng)電機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

在臺(tái)風(fēng)高發(fā)區(qū)如何選擇高強(qiáng)度、高剛度的風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)，確保整體結(jié)構(gòu)的頻率特性以及在極端海況下的結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角、位移滿足要求，需要在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)加以考慮。充分了解地基土層的成因、構(gòu)造及其物理力學(xué)性質(zhì)，避免擴(kuò)大安全系數(shù)或安全系數(shù)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，有針對性地做出合理的設(shè)計(jì)、施工方案。

在設(shè)計(jì)時(shí)，要使用專業(yè)臺(tái)風(fēng)安全系數(shù)修正后的極端荷載，對塔架的各承重部件進(jìn)行強(qiáng)度校核，綜合考慮足夠強(qiáng)度的壁厚配置。對螺栓、法蘭、焊縫等也根據(jù)荷載報(bào)告進(jìn)行極限強(qiáng)度校核，確保適合極限工況。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)嚴(yán)格按規(guī)范進(jìn)行風(fēng)荷載的取值。將基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的安全水平提高其實(shí)是造價(jià)和安全的博弈問題。

3.4 葉片設(shè)計(jì)

葉片是風(fēng)電機(jī)組的“靈魂”，其性能決定了風(fēng)電機(jī)組獲取風(fēng)能的效率，也影響著風(fēng)電機(jī)組的安全。高風(fēng)速下，葉片的空氣動(dòng)力性能不斷增強(qiáng)，反而會(huì)影響機(jī)組的穩(wěn)定性甚至導(dǎo)致發(fā)生破壞性事故。強(qiáng)風(fēng)荷載是造成風(fēng)電機(jī)組不穩(wěn)定、安全性無法保證的根本原因，也是機(jī)組被臺(tái)風(fēng)損毀的主要原因。

葉片的選用應(yīng)考慮抗臺(tái)風(fēng)、防鹽霧、抗雨和抗沙塵的措施。葉片材料自身具備抗腐蝕和抗鹽霧能力，同時(shí)葉片有充分的涂層，其前緣做了防腐蝕處理。其外表涂敷丙烯酸聚氨酯抗紫外線涂層，有效地提高了葉片抗老化性能。

為改善葉片的受力狀況，采用碳纖維、柔性、智能化葉片是未來的發(fā)展趨勢。

減少葉片的數(shù)目能降低葉輪鎖所受風(fēng)荷載。單葉片風(fēng)機(jī)采用專門的停機(jī)方式，將單葉片停放在塔架前后，可達(dá)到拆下風(fēng)輪的效果，最大限度地減少臺(tái)風(fēng)載荷。缺點(diǎn)是，需要一個(gè)配重塊，運(yùn)行時(shí)噪音很大。

3.5 控制策略選擇

風(fēng)電機(jī)組的變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)這個(gè)三個(gè)系統(tǒng)是保障臺(tái)風(fēng)時(shí)風(fēng)電機(jī)組安全的主要控制系統(tǒng)。

3.5.1 保障順槳

在主電源供電失效后，變槳系統(tǒng)需要有備用電源供電來進(jìn)行變槳操作。因變槳機(jī)構(gòu)故障，造成風(fēng)電機(jī)組嚴(yán)重超速甚至飛車事故的原因主要有：蓄電池原因、信號(hào)滑環(huán)原因、超速模塊原因。應(yīng)采取可靠的備用電源，對滑環(huán)定期清理，增加超速軟件的冗余性等措施來保障變槳機(jī)構(gòu)的正常工作。

3.5.2 加強(qiáng)偏航系統(tǒng)

臺(tái)風(fēng)作用在風(fēng)輪和機(jī)艙的傾覆力通過偏航系統(tǒng)傳遞給塔架，同時(shí)變化的風(fēng)向也會(huì)增加偏航系統(tǒng)剎車的荷載，因此偏航系統(tǒng)必須能承受臺(tái)風(fēng)帶來的巨大荷載。應(yīng)采用臺(tái)風(fēng)修正后的荷載對偏航系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，驅(qū)動(dòng)齒輪盡量選用行星減速齒輪箱，避免采用渦輪渦桿減速齒輪，以避免在極端情況下機(jī)艙被迫轉(zhuǎn)向而損壞偏航系統(tǒng)。

采用系統(tǒng)失電后可以自然偏航的系統(tǒng)。

3.5.3 優(yōu)化機(jī)械制動(dòng)

受臺(tái)風(fēng)影響，電網(wǎng)易損壞而斷電，機(jī)械剎車的液壓系統(tǒng)會(huì)因停電而抱死，風(fēng)可能從最不利方向吹來，使葉片劇烈震蕩而損壞，在破壞葉片的同時(shí)引起輪轂內(nèi)變槳機(jī)構(gòu)的損壞，進(jìn)而改變?nèi)~片的變槳位置并發(fā)生飛車事故。優(yōu)化控制邏輯或加裝備用電源，在葉片順槳、正常停機(jī)時(shí)松開剎車，讓順槳的風(fēng)輪處于自由轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，使葉片盡量受力均勻。

4 施工期防臺(tái)

海上風(fēng)電場的建設(shè)周期長，通常至少會(huì)跨越一個(gè)臺(tái)風(fēng)季，在臺(tái)風(fēng)過境時(shí)如果尚未調(diào)試并網(wǎng)，無法受控制系統(tǒng)的保護(hù)，遭受臺(tái)風(fēng)破壞的概率會(huì)更高。施工期風(fēng)電場工程項(xiàng)目能否安全順利度過臺(tái)風(fēng)，一方面取決于設(shè)備的抗臺(tái)風(fēng)能力，另一方面取決于施工質(zhì)量、安全措施及應(yīng)急能力。

臺(tái)風(fēng)來臨前，啟動(dòng)臺(tái)風(fēng)應(yīng)急預(yù)案，嚴(yán)格按照規(guī)定停止作業(yè)。對吊裝設(shè)備、腳手架、作業(yè)吊籃、集裝箱倉庫、建筑材料、臨時(shí)施工機(jī)械等進(jìn)行檢查、加固；制定船舶靠岸計(jì)劃，儲(chǔ)備應(yīng)急物資、建立信息平臺(tái)，保持通信指揮系統(tǒng)暢通。

臺(tái)風(fēng)過境時(shí)，必須切斷現(xiàn)場施工總電源；嚴(yán)禁進(jìn)行設(shè)備吊裝、結(jié)構(gòu)安裝、混凝土澆筑、管道焊接、安裝等工作；所有施工人員應(yīng)全部退場，保持通信暢通。

臺(tái)風(fēng)過境后，首先統(tǒng)計(jì)人員安全情況，對破壞現(xiàn)場進(jìn)行取證，及時(shí)獲得承包商的認(rèn)可。對建設(shè)現(xiàn)場進(jìn)行全面的檢查和清理，完善應(yīng)急物資。針對暴露出來的問題，及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，研究落實(shí)具體整改措施。

5 運(yùn)行期防臺(tái)

5.1 臺(tái)風(fēng)季前準(zhǔn)備

運(yùn)行的海上風(fēng)電場應(yīng)在每年臺(tái)風(fēng)季節(jié)之前完成例行的檢查工作。全面分析風(fēng)電場各風(fēng)電機(jī)組所處海域，并結(jié)合臺(tái)風(fēng)特點(diǎn)，篩選出臺(tái)風(fēng)時(shí)受影響最大、風(fēng)險(xiǎn)度最高的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測防護(hù)。

臺(tái)風(fēng)季到來之前，根據(jù)監(jiān)控信息開展針對性維護(hù)計(jì)劃，保障風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)和機(jī)組本身狀態(tài)良好，對安全順利度過臺(tái)風(fēng)過程具有重要意義。避免因微小原因造成臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)電機(jī)組主體結(jié)構(gòu)的破壞或影響風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行，從而保證風(fēng)電機(jī)組的正常使用壽命和安全性。

5.2 應(yīng)急防護(hù)

組建專業(yè)高效的災(zāi)害防御和應(yīng)急救援隊(duì)伍是降低臺(tái)風(fēng)期間災(zāi)害影響的重要因素。海上風(fēng)電場應(yīng)成立防臺(tái)風(fēng)的組織機(jī)構(gòu)和應(yīng)急救援隊(duì)伍。

組織機(jī)構(gòu)由總指揮、安全保障人員、維護(hù)保障人員、物資保障人員、后勤保障人員、信息保障人員等組成。

臺(tái)風(fēng)來臨前，分48 h和24 h預(yù)警，各崗位人員各司其職。臺(tái)風(fēng)過境時(shí)，加強(qiáng)遠(yuǎn)程監(jiān)測，確保風(fēng)電機(jī)組進(jìn)入“抗臺(tái)狀態(tài)”，避免“緊急停機(jī)狀態(tài)”；所有人員待命，隨時(shí)準(zhǔn)備應(yīng)急。臺(tái)風(fēng)過后，首先統(tǒng)計(jì)人員安全情況，及時(shí)安排出海巡檢和消缺，逐臺(tái)登機(jī)檢查。具體以風(fēng)機(jī)廠家的臺(tái)風(fēng)過后風(fēng)機(jī)啟動(dòng)程序?yàn)闇?zhǔn)。組成災(zāi)后評估小組，及時(shí)理賠。針對抗臺(tái)中暴露的問題，及時(shí)總結(jié)，嚴(yán)格落實(shí)整改。

6 措施建議

(1) 開展臺(tái)風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)評估。對海上風(fēng)電機(jī)組，建議根據(jù)場址所在區(qū)域多年的臺(tái)風(fēng)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行臺(tái)風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)評估。風(fēng)電場前期測風(fēng)時(shí)應(yīng)加裝一套強(qiáng)風(fēng)儀。

(2) 選用抗臺(tái)風(fēng)電機(jī)組。由于IEC的標(biāo)準(zhǔn)中明確說明不適用于臺(tái)風(fēng)區(qū)域的風(fēng)電機(jī)組，因此機(jī)組選型應(yīng)選擇抗臺(tái)風(fēng)的S型等級。在選用抗臺(tái)技術(shù)設(shè)備同時(shí)，統(tǒng)籌把握安全性和經(jīng)濟(jì)性的平衡。

(3) 制定超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)應(yīng)急預(yù)案。因超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)極具毀滅性，根據(jù)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的特點(diǎn)和海上風(fēng)電場各自的特點(diǎn)，制定完善詳細(xì)、可操作性強(qiáng)的防御方案，重點(diǎn)落實(shí)人員轉(zhuǎn)移和安置方案。

(4) 購買保險(xiǎn)轉(zhuǎn)移風(fēng)險(xiǎn)。財(cái)產(chǎn)一切險(xiǎn)可為因保險(xiǎn)單責(zé)任以外的任何自然災(zāi)害或意外事故造成的物質(zhì)損壞或滅失負(fù)責(zé)，因此可通過購買此類保險(xiǎn)來轉(zhuǎn)移因臺(tái)風(fēng)可能帶來的巨大損失。