海洋潮流能發(fā)電機(jī)組安全系統(tǒng)的研究開發(fā)

賈法勇， 褚景春， 袁 凌， 王 婷

（國電聯(lián)合動力技術(shù)有限公司 國家能源潮汐海洋能發(fā)電技術(shù)重點實驗室， 北京 100039）

0 引言

海洋潮流能是海洋能的重要組成部分， 主要是指海底水道和海峽中較為穩(wěn)定的海水流動，以及由于海洋潮汐導(dǎo)致的有規(guī)律的海水流動所具有的能量[1]。 據(jù)統(tǒng)計，全球可開發(fā)利用的海洋潮流能資源約為300 GW[2]，[3]。 中國沿岸130 個水道的理論平均功率約為14 GW， 浙江沿岸37 個水道的理論平均功率約為7.09 GW， 其中舟山市的潮流能資源最為豐富，理論總功率約為2.57 GW[3]，[4]。

海洋潮流能在能量密度、穩(wěn)定性、可預(yù)測性和生態(tài)環(huán)境等方面具有諸多優(yōu)勢， 是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點[5]。 2003 年，英國MCT 公司研制的300 kW 海洋潮流能發(fā)電機(jī)組“SeaFlow”開始發(fā)電，之后， 世界海洋潮流能發(fā)電技術(shù)與裝備得到了快速發(fā)展[6]，[7]。在“SeaFlow”基礎(chǔ)上，1.2 MW 海洋潮流能發(fā)電機(jī)組“SeaGen”成功并網(wǎng)運(yùn)行，為大規(guī)模開發(fā)利用海洋潮流能展現(xiàn)了美好的前景[6]，[8]。 目前，海洋潮流能發(fā)電裝備已經(jīng)處于樣機(jī)測試和示范運(yùn)行階段，海洋潮流能發(fā)電技術(shù)基本成熟。英國、荷蘭、法國和加拿大等國均實現(xiàn)了海洋潮流能發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行， 單臺2 MW 漂浮式發(fā)電機(jī)組已經(jīng)研制成功[9]。 我國于2010 年5 月設(shè)立的“國家海洋可再生能源專項資金” 有力地推動了海洋能利用水平的快速提升[10]。 國電聯(lián)合動力技術(shù)有限公司依托專項資金的資助而研制的300 kW 海洋潮流能發(fā)電機(jī)組在舟山摘箬山島進(jìn)行了為期1 a 的實海況運(yùn)行，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)良好。

由于海洋潮流能發(fā)電機(jī)組長期在海水中運(yùn)轉(zhuǎn)，加之海況條件復(fù)雜[5]，[11]，[12]，因此防止海水泄漏、 保證機(jī)組安全是最基本也是最重要的要求。在前期的海洋潮流能發(fā)電機(jī)組海上試驗過程中，發(fā)生過海水泄漏的情況，致使機(jī)組不能連續(xù)運(yùn)行發(fā)電，這也成為制約海洋潮流能發(fā)電裝備產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的一個重要因素。研究開發(fā)海洋潮流能發(fā)電機(jī)組安全系統(tǒng)， 阻止海水進(jìn)入機(jī)組內(nèi)部造成損壞，保證其長期安全運(yùn)行是至關(guān)重要的。 本文為國電聯(lián)合動力技術(shù)有限公司研制的300 kW 海洋潮流能發(fā)電機(jī)組設(shè)計了一套集密封、報警、視頻與信號監(jiān)控于一體的安全系統(tǒng)，為機(jī)組的長期運(yùn)行提供了安全保障。

1 300 kW 海洋潮流能發(fā)電機(jī)組

國電聯(lián)合動力技術(shù)有限公司研制的300 kW海洋潮流能發(fā)電機(jī)組采用“水平軸+雙葉片+變速變槳控制+漂浮式基礎(chǔ)”的總體技術(shù)路線。 機(jī)組在海平面以下12 m 處運(yùn)行，葉片長度為7.25 m，機(jī)組總重為32 t。機(jī)組采用270°變槳技術(shù)，額定流速為2.0 m/s，切入流速為0.5 m/s。機(jī)組連續(xù)無故障實海況運(yùn)行1 a 的時間，期間各項性能指標(biāo)均優(yōu)異。

300 kW 海洋潮流能發(fā)電機(jī)組如圖1 所示。從圖1 可以看出，該發(fā)電機(jī)組主要包括葉片、輪轂、主軸、齒輪箱、聯(lián)軸器、發(fā)電機(jī)、變槳軸承等主要部件，機(jī)組沒有外部封閉機(jī)艙，機(jī)組外表面直接與海水接觸。 如果沒有可靠的安全系統(tǒng)保障，發(fā)生海水泄漏時，海水會直接進(jìn)入發(fā)電機(jī)組內(nèi)部，對輪轂內(nèi)部元器件、齒輪箱和發(fā)電機(jī)等重要部件造成危害。 因此，研究開發(fā)安全保護(hù)系統(tǒng)尤為重要。

圖1 300 kW 海洋潮流能發(fā)電機(jī)組Fig.1 The 300 kW tidal current energy turbine

2 300 kW 海洋潮流能機(jī)組安全系統(tǒng)

300 kW 海洋潮流能發(fā)電機(jī)組的安全系統(tǒng)由密封保護(hù)子系統(tǒng)、泄漏報警子系統(tǒng)、視頻影像子系統(tǒng)和信號監(jiān)控子系統(tǒng)組成（圖2）。

圖2 300 kW 海洋潮流能發(fā)電機(jī)組的安全系統(tǒng)Fig.2 The safety system for 300 kW tidal current energy turbine

密封保護(hù)子系統(tǒng)主要包括機(jī)組靜密封和旋轉(zhuǎn)動密封，是安全系統(tǒng)的第一道防線，起到隔離海水與發(fā)電機(jī)組內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用，防止海水在不同部件的接觸部位滲漏到機(jī)組內(nèi)部。 泄漏報警子系統(tǒng)主要包括海水泄漏傳感檢測部件，可對密封報警子系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)測，如果海水滲漏到發(fā)電機(jī)組，就會觸發(fā)報警裝置發(fā)出報警信號。 視頻影像子系統(tǒng)設(shè)置在潮流能機(jī)組內(nèi)部關(guān)鍵位置，對機(jī)組內(nèi)部的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時視頻觀測與成像處理，并能直觀觀測機(jī)組內(nèi)部是否有海水滲入。 信號監(jiān)控子系統(tǒng)是安全系統(tǒng)的樞紐， 可對泄漏報警子系統(tǒng)和視頻影像子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控， 對安全系統(tǒng)的信號、數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析。

3 機(jī)組安全系統(tǒng)

3.1 密封保護(hù)子系統(tǒng)

密封保護(hù)子系統(tǒng)主要包括靜密封和旋轉(zhuǎn)動密封。其中，靜密封主要是指設(shè)置在發(fā)電機(jī)組不發(fā)生相對運(yùn)動的接觸部件之間的靜密封圈， 包括主軸與輪轂、齒輪箱與聯(lián)軸器艙、聯(lián)軸器艙與發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)與接線艙、接線艙與艙蓋、以及導(dǎo)流罩與輪轂、輪轂與變槳軸承、變槳軸承與葉片等連接部位的靜密封圈。 密封保護(hù)子系統(tǒng)的靜密封采用雙道密封圈， 在機(jī)組部件接觸面連接螺栓的內(nèi)外圓周各設(shè)置一道密封圈，既提高了密封的可靠性，又起到對螺栓的保護(hù)作用。 旋轉(zhuǎn)動密封是指設(shè)置在發(fā)電機(jī)組有相對運(yùn)動的接觸部件之間的動密封結(jié)構(gòu)，包括齒輪箱與主軸之間以及變槳軸承內(nèi)、外圈之間的旋轉(zhuǎn)動密封。相對于靜密封而言，旋轉(zhuǎn)動密封的設(shè)計難度更大。

3.1.1 齒輪箱與主軸之間的旋轉(zhuǎn)動密封

齒輪箱與主軸之間的旋轉(zhuǎn)動密封的作用相當(dāng)重要，一方面防止海水泄漏到齒輪箱，另一方面防止齒輪箱潤滑油泄漏到海水里， 對齒輪箱造成損壞，進(jìn)而影響發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。 如圖3 所示，300 kW 海洋潮流能發(fā)電機(jī)組具有5 道密封。外側(cè)第1 道密封防止海洋中的雜質(zhì)顆粒物， 第2 道與第5 道密封主要通過保壓和油脂回路進(jìn)行密封。第2 道與第3 道密封之間形成油腔1， 第3 道與第4 道密封之間形成油腔2， 外部潤滑油進(jìn)入油腔形成一定的壓力， 利用油腔的壓力有效阻止了海水的滲入。第4 道密封為反裝，在第4 道與第5道密封之間形成油腔3， 多余潤滑油在油腔3 匯聚并被吸出。第5 道密封防止齒輪箱泄漏潤滑油，并防止泄漏的海水進(jìn)入齒輪箱。

圖3 齒輪箱與主軸之間的旋轉(zhuǎn)動密封Fig.3 The rotary sealing between gearbox and principal shaft

3.1.2 變槳軸承內(nèi)、外圈之間的旋轉(zhuǎn)動密封

300 kW 海洋潮流能發(fā)電機(jī)組的葉片能夠通過270°變槳技術(shù)， 實現(xiàn)對雙向海流能的高效捕獲。葉片變槳動作是通過變槳軸承來實現(xiàn)的，變槳軸承外圈結(jié)構(gòu)固定于輪轂上，內(nèi)圈安裝葉片，內(nèi)外兩部分能夠相對轉(zhuǎn)動。變槳軸承內(nèi)、外圈之間的旋轉(zhuǎn)動密封的作用是阻止海水通過內(nèi)、 外圈之間的縫隙進(jìn)入輪轂，對輪轂內(nèi)部元器件造成危害，進(jìn)而影響發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。如圖4 所示，變槳軸承內(nèi)、外圈之間設(shè)計了3 道密封，以阻止海水進(jìn)入輪轂。外側(cè)第1 道密封除了隔離海水外，還起到防止海水中雜質(zhì)進(jìn)入變槳軸承的作用。 第2 道密封起到加強(qiáng)防護(hù)的作用。第3 道密封反向安裝，防止變槳軸承潤滑油的滲漏。 在變槳軸承第1 道密封與第2 道密封之間，設(shè)計了壓力監(jiān)測通道。

圖4 變槳軸承內(nèi)、外圈之間的旋轉(zhuǎn)動密封Fig.4 The rotary sealing between internal and external parts of pitch bearing

3.2 泄漏報警子系統(tǒng)

由于機(jī)組主軸和葉片一直在不停地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)動密封不可避免會發(fā)生磨損，長時間的磨損可能會導(dǎo)致密封作用失效。因此，在這兩處旋轉(zhuǎn)動密封中設(shè)計了泄漏報警傳感裝置來預(yù)警動密封作用的失效。其中，齒輪箱與主軸之間的旋轉(zhuǎn)動密封報警采用監(jiān)測動密封潤滑油位的技術(shù)來實現(xiàn)。動密封潤滑油通過供油管路以一定的壓力注入油腔1 和油腔2， 多余的潤滑油在油腔3 通過回油管路吸收回油箱，形成循環(huán)回路（圖3）。 如果發(fā)生泄漏， 一方面海水可能通過回油管路進(jìn)入潤滑油箱，使得潤滑油位增加；另一方面，潤滑油會泄漏到海水里，使得潤滑油位快速下降。通過監(jiān)測潤滑油位的變化情況進(jìn)行泄漏報警， 當(dāng)油位達(dá)到設(shè)定的最高或最低限值， 泄漏報警傳感裝置就會發(fā)出報警信號。葉片變槳軸承內(nèi)、外圈之間的旋轉(zhuǎn)動密封報警采用監(jiān)測通道內(nèi)壓力變化的技術(shù)來實現(xiàn)。如果旋轉(zhuǎn)動密封的密封作用失效， 海水突破第一道密封防線， 那么壓力監(jiān)測通道內(nèi)的壓力就會逐漸達(dá)到發(fā)電機(jī)組運(yùn)行位置處的海水壓力； 如果壓力達(dá)到最高限值，就會發(fā)出報警信號，警示第一道密封的密封作用已經(jīng)失效。

3.3 視頻影像子系統(tǒng)

由于潮流能發(fā)電機(jī)組長期在海水中運(yùn)行，機(jī)組內(nèi)部的運(yùn)行狀態(tài)無法直接觀察到。 為此，300 kW 海洋潮流能發(fā)電機(jī)組配置了水下視頻影像系統(tǒng)， 對發(fā)電機(jī)組內(nèi)部須要重點關(guān)注的部件， 實施24 h 不間斷視頻觀測。 圖5 為300 kW 海洋潮流能發(fā)電機(jī)組水下運(yùn)行時， 機(jī)組內(nèi)部運(yùn)行的視頻影像。300 kW 海洋潮流能發(fā)電機(jī)組在輪轂內(nèi)部變槳部位、 聯(lián)軸器連接部位和尾部接線艙高速軸部位均設(shè)置了水下視頻影像裝置， 能實時直觀地觀察到發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行情況。

圖5 機(jī)組內(nèi)部水下視頻影像Fig.5 The undersea video image inside of turbine

3.4 信號監(jiān)控子系統(tǒng)

信號監(jiān)控子系統(tǒng)是對包括齒輪箱與主軸之間的旋轉(zhuǎn)動密封報警信號、變槳軸承內(nèi)、外圈之間的旋轉(zhuǎn)動密封報警信號、 視頻影像信號以及其他為了發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行而設(shè)計的安全系統(tǒng)報警信號實施不間斷監(jiān)控的系統(tǒng)平臺。300 kW 海洋潮流能發(fā)電機(jī)組的信號監(jiān)控子系統(tǒng)的主要作用包括以下方面。

①數(shù)據(jù)采集與儲存。 對密封泄漏報警信號、視頻影像信號以及其他安全報警信號的數(shù)據(jù)進(jìn)行不間斷采集并儲存在系統(tǒng)平臺內(nèi)，以便查詢、處理和分析。

②實時監(jiān)控。 實現(xiàn)在海上平臺監(jiān)控室對安全系統(tǒng)進(jìn)行信號監(jiān)測與狀態(tài)控制，具有及時性、連續(xù)性和不間斷性等優(yōu)點。

③統(tǒng)計查詢。 能夠繪制實時數(shù)據(jù)曲線或指定時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)曲線，查詢、分析實時數(shù)據(jù)和歷史趨勢。

④遠(yuǎn)程監(jiān)控。 通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊，實現(xiàn)在中央監(jiān)控中心對安全系統(tǒng)進(jìn)行信號監(jiān)測與狀態(tài)控制的功能。

4 整機(jī)密封性試驗

海洋潮流能發(fā)電機(jī)組在下海運(yùn)行前必須進(jìn)行整機(jī)密封性試驗，300 kW 海洋潮流能發(fā)電機(jī)組采用向機(jī)組內(nèi)部充壓的方法進(jìn)行試驗。 機(jī)組密封性試驗過程如圖6 所示。 在機(jī)組葉片根部法蘭和尾部接線艙法蘭各預(yù)留一個充氣孔，在機(jī)組的前后位置同時加壓，以保持機(jī)組內(nèi)部各個部分壓力的均衡。

圖6 300 kW 海洋潮流能機(jī)組的密封性試驗Fig.6 The sealing test for 300 kW tidal current energy turbine

充壓介質(zhì)為清潔空氣。 試驗過程分為充壓和泄壓兩個階段。 其中，充壓階段采取壓力分階段緩慢上升方法， 速率以每5 min 壓強(qiáng)升高不超過0.01 MPa 為宜。 每次升壓均為試驗壓力的10%，每次保持時間不少于30 min；如無異常，直至升至最高試驗壓力，保持時間不少于180 min。 每次保壓階段，檢查壓力是否變化，以及發(fā)電機(jī)組是否有其他異常。 保壓期間不得采用連續(xù)加壓的方式來維持試驗壓力不變。 在泄壓階段，首先將壓力下降至0.85 倍的試驗壓力， 保持時間不少于60 min；在泄壓時嚴(yán)禁使用快速排氣的方法，以免發(fā)生危險。 最高試驗壓力應(yīng)該至少不低于潮流能發(fā)電機(jī)組長期運(yùn)行位置海水壓力的1.5 倍。

300 kW 海洋潮流能發(fā)電機(jī)組的密封試驗過程中，機(jī)組的密封保護(hù)子系統(tǒng)沒有泄漏發(fā)生，泄漏報警子系統(tǒng)、 視頻影像子系統(tǒng)和信號監(jiān)控子系統(tǒng)的監(jiān)控信號均正常， 達(dá)到了機(jī)組實海況運(yùn)行的安全要求。

5 結(jié)論

本文為300 kW 海洋潮流能發(fā)電機(jī)組開發(fā)了集密封、 報警、 視頻與信號監(jiān)控于一體的安全系統(tǒng)。 機(jī)組實海況安全運(yùn)行了1 a 的時間，期間各項性能指標(biāo)均優(yōu)異，機(jī)組的密封保護(hù)子系統(tǒng)、泄漏報警子系統(tǒng)、 視頻影像子系統(tǒng)和信號監(jiān)控子系統(tǒng)均工作正常。 實海況運(yùn)行表明，300 kW 海洋潮流能發(fā)電機(jī)組的安全系統(tǒng)是可靠的。 為300 kW 海洋潮流能發(fā)電機(jī)組開發(fā)的安全系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)，可以應(yīng)用于其他海洋能發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行保護(hù)，為海洋能發(fā)電機(jī)組的長期、 穩(wěn)定發(fā)電運(yùn)行提供了技術(shù)支持。