風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)沙危害及防風(fēng)沙措施探討

陳亮亮，王 佳，楊麗薇，韓 源，高立剛

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

近年來(lái)，風(fēng)能資源的開發(fā)利用已經(jīng)受到世界各國(guó)的高度重視。風(fēng)能作為一種無(wú)污染、可再生的優(yōu)質(zhì)資源，已經(jīng)成為世界各國(guó)的戰(zhàn)略選擇。中國(guó)幅員遼闊，風(fēng)能資源儲(chǔ)量巨大，今后必將成為能源結(jié)構(gòu)中一個(gè)重要的組成部分。

目前，隨著風(fēng)力發(fā)電工程的大面積鋪開，在全國(guó)各地的高原、山嶺、戈壁、荒漠、近海等處，都能見到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的身影。這些復(fù)雜的地形地貌造成了不利的環(huán)境條件，包括：低溫、冰凍、風(fēng)沙、雷擊、地震、腐蝕等，給風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行帶來(lái)了不小的影響。這些環(huán)境條件中以風(fēng)沙的危害最為常見和突出，是陸上風(fēng)電機(jī)組在設(shè)計(jì)時(shí)最為關(guān)切的因素。

1 風(fēng)沙危害

1.1 風(fēng)沙對(duì)機(jī)電設(shè)備的危害

眾所周知，風(fēng)沙對(duì)機(jī)電設(shè)備的危害大致分為以下幾個(gè)方面：

(1) 沙塵堆積在電氣開關(guān)、電磁鐵芯等處，形成集塵效應(yīng)，可能造成器開關(guān)誤動(dòng)、電磁鐵動(dòng)作不穩(wěn)定，輕則影響設(shè)備的正常操作，重則造成二次回路短路引發(fā)事故。

(2) 沙塵進(jìn)入傳動(dòng)部件的潤(rùn)滑脂中，會(huì)加劇旋轉(zhuǎn)機(jī)械的磨損，降低軸承的使用壽命，影響傳動(dòng)部件的正常運(yùn)動(dòng)機(jī)能。

(3) 沙塵附著在冷卻系統(tǒng)的過(guò)濾裝置上，會(huì)極大地影響散熱效果，致使設(shè)備運(yùn)行溫度過(guò)高，易發(fā)生火災(zāi)或者設(shè)備高溫停機(jī)。

(4) 風(fēng)沙中的砂石沖擊打磨設(shè)備外表面，損壞設(shè)備表面漆層，產(chǎn)生外漆面的打磨效應(yīng)，損壞絕緣層的釉質(zhì)，不但影響電氣設(shè)備的外觀，更主要影響電氣絕緣性能。

1.2 風(fēng)沙對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響

風(fēng)電機(jī)組是一類特殊構(gòu)造的機(jī)電設(shè)備，主要由葉片、輪轂、機(jī)艙、塔筒等組成。風(fēng)電機(jī)組需要通過(guò)捕捉和吸收風(fēng)能才能發(fā)電，所以更易受到風(fēng)沙的影響。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)沙對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響主要集中在以下幾個(gè)部位：

(1) 對(duì)葉片的影響

葉片是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件，是保證機(jī)組發(fā)電量的重要因素。在挾沙風(fēng)的作用下，葉片非常容易受到風(fēng)沙的沖蝕，使其表面出現(xiàn)“沖蝕坑、裂紋及纖維布漏出”等現(xiàn)象，導(dǎo)致整套機(jī)組在運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)雜音、阻力及噪聲。沖蝕坑在雨季的積水會(huì)增加葉片遭受雷擊的概率，極端情況下的雷擊會(huì)導(dǎo)致葉片的破裂或斷裂。以上影響不僅縮短了葉片的使用壽命，也增加了運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

(2) 對(duì)輪轂的影響

輪轂是風(fēng)電機(jī)組的重要部件，輪轂中的變槳系統(tǒng)通過(guò)控制葉片的角度來(lái)控制葉輪的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制機(jī)組的輸出功率。變槳系統(tǒng)的軸承一旦進(jìn)入風(fēng)沙，將會(huì)逐漸和潤(rùn)滑油脂混合在一起，造成軸承滾道和滾子的損傷，加速軸承失效。

(3) 對(duì)機(jī)艙的影響

機(jī)艙是風(fēng)電機(jī)組的核心部件，艙內(nèi)設(shè)備主要包括齒輪箱或變流器、發(fā)電機(jī)、控制系統(tǒng)的電力電子元件等。機(jī)艙的罩殼作為艙內(nèi)設(shè)備抵抗惡劣環(huán)境的保護(hù)殼，同時(shí)也為維護(hù)人員提供安全封閉的操作空間，其重要程度不言而喻。機(jī)艙如果被風(fēng)沙滲透，將有可能造成齒輪箱的輪齒損傷和軸承損壞、發(fā)電機(jī)短路故障、變流器功率模塊的損壞、控制系統(tǒng)的失靈和告警。

(4) 對(duì)塔筒的影響

塔筒在風(fēng)電機(jī)組中主要起支撐作用，同時(shí)能夠吸收機(jī)組的震動(dòng)。大風(fēng)裹挾著沙塵，高速?zèng)_擊打磨塔筒的外表面，給塔筒表面的防護(hù)涂料造成磨損和損傷，失去涂層保護(hù)的塔筒極易出現(xiàn)銹蝕，久而久之會(huì)造成塔筒的力學(xué)性能下降，極端情況下甚至?xí)咕植繂适С休d能力，為事故埋下隱患。

塔筒門的開閉機(jī)構(gòu)及門鎖裝置，也有可能因?yàn)樯硥m的侵蝕而出現(xiàn)阻塞、失效的現(xiàn)象，給維護(hù)人員帶來(lái)諸多不便。

(5) 流動(dòng)沙丘的影響

流動(dòng)沙丘是分布最廣的沙丘之一，流動(dòng)沙丘的特征為地表植被稀少、沙丘形態(tài)典型，在風(fēng)力的作用下，容易順風(fēng)向移動(dòng)。

風(fēng)電機(jī)組的塔筒如果被流動(dòng)沙丘淹沒，會(huì)阻礙運(yùn)維人員的正常檢修，其過(guò)高的丘頂還會(huì)影響葉片的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，沙丘的移動(dòng)也有可能造成基礎(chǔ)的不均勻沉降，破壞機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。

箱式變電站如果被流動(dòng)沙丘淹沒，變電站的整體散熱性能會(huì)極大下降，電氣設(shè)備的絕緣距離也會(huì)因不足而發(fā)生接地事故。

集電線路如果被流動(dòng)沙丘淹沒，在沙丘達(dá)到一定高度后，滑動(dòng)的沙土?xí)?duì)埋沒的桿塔產(chǎn)生一定的壓力(沖力)，當(dāng)壓力(沖力)超過(guò)桿塔組件的設(shè)計(jì)承受荷載時(shí)，桿塔整體或組件會(huì)發(fā)生變形或破壞。

對(duì)于生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)單位來(lái)說(shuō)，每年都需要對(duì)受損的電氣設(shè)備和桿塔組件進(jìn)行維修和更換，這些損失極大地增加了運(yùn)營(yíng)的成本。

2 防風(fēng)沙措施

根據(jù)多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合風(fēng)電機(jī)組制造廠的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和以往工程的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)電機(jī)組的防風(fēng)沙措施，必須從機(jī)組設(shè)計(jì)之初就予以考慮，這樣才能從根本上避免和克服風(fēng)沙對(duì)機(jī)組的影響。

針對(duì)風(fēng)電機(jī)組不同部位的防治措施，應(yīng)從密封工藝、涂裝工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和“四新”應(yīng)用4個(gè)方面來(lái)考慮，具體內(nèi)容劃分如表1所示。

表1 不同部位沙塵防治的基本措施表

2.1 葉片的防風(fēng)沙措施

葉片應(yīng)采用耐候性能和力學(xué)性能優(yōu)良的面漆，如聚氨酯材料，在柔韌兼顧的同時(shí)，具有抗紫外線輻射、耐酸、耐堿、耐鹽霧等特性，使葉片不易受到污染物和沙塵的沖蝕。

葉片的前緣更易受到風(fēng)沙的侵蝕，可以采用高性能保護(hù)漆或增大涂料厚度，以保證葉片前緣免受風(fēng)沙的沖蝕。

2.2 輪轂的防風(fēng)沙措施

輪轂的罩殼應(yīng)采用流線型設(shè)計(jì)，阻力較小，一定程度上可以減弱砂石的磨損。

輪轂中的變槳軸承應(yīng)采用可靠的密封工藝，如雙唇口密封，以防止沙塵或雜質(zhì)的入侵。

輪轂的罩殼與其他部件的連接和旋轉(zhuǎn)部位可以增加尼龍毛刷或翻邊雨眉，以阻擋風(fēng)沙的入侵，不但成本低廉，而且安裝簡(jiǎn)單、效果明顯。

2.3 機(jī)艙的防風(fēng)沙措施

機(jī)艙的罩殼也應(yīng)秉承流線型設(shè)計(jì)原則，以減弱砂石的磨損。

機(jī)艙內(nèi)的散熱通道應(yīng)采用專門設(shè)計(jì)，不應(yīng)形成空氣對(duì)流，對(duì)于沒有齒輪油冷卻系統(tǒng)的機(jī)組來(lái)說(shuō)，可以采用全密封設(shè)計(jì)，以保持艙內(nèi)清潔。

機(jī)艙內(nèi)的發(fā)電機(jī)應(yīng)選用不低于IP54的防護(hù)等級(jí)，發(fā)電機(jī)過(guò)渡連接部位應(yīng)設(shè)置接觸式密封板。

機(jī)艙內(nèi)的液壓系統(tǒng)應(yīng)采用專門設(shè)計(jì)，如閉式結(jié)構(gòu)，以保證系統(tǒng)內(nèi)部與外界沙塵的隔絕，長(zhǎng)時(shí)間保持油液的清潔度，保證了其使用壽命。

機(jī)艙內(nèi)的齒輪箱通氣部位應(yīng)加裝可靠的防塵裝置，防止沙塵因空氣流通混入箱體內(nèi)部。

機(jī)艙內(nèi)的控制系統(tǒng)各元器件均應(yīng)安裝在密封箱或者密封性能良好的盤柜內(nèi)。

2.4 塔筒的防風(fēng)沙措施

塔筒的防護(hù)涂料應(yīng)選用韌性較好的涂料，如環(huán)氧漆，配合聚脲彈性體，能夠吸收沙塵對(duì)塔筒表面的沖擊，有效防護(hù)沙塵對(duì)塔筒的沖蝕。

塔筒門及通風(fēng)孔應(yīng)采用專門設(shè)計(jì)，安裝防塵罩或采用防塵材料，以實(shí)現(xiàn)多級(jí)過(guò)濾，有效降低沙塵從機(jī)組底部侵入的可能性。

2.5 流動(dòng)沙丘的專項(xiàng)措施

對(duì)于處于流動(dòng)沙丘活動(dòng)范圍內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組，首先應(yīng)采取抬高基礎(chǔ)的方法保護(hù)機(jī)組，其次根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)保政策，可在典型移動(dòng)沙丘的緩坡面種植灌木、陡坡面種植高桿植物，以減小沙丘的移動(dòng)。

3 典型案例

項(xiàng)目地點(diǎn)：內(nèi)蒙古錫林郭勒盟。

項(xiàng)目環(huán)境：項(xiàng)目所在地風(fēng)沙較大，空氣中沙塵含量高，沙塵暴較頻繁。

解決方案：葉片防護(hù)材料采用高質(zhì)量面漆；輪轂采用雙唇口密封的方式；機(jī)艙罩接縫、塔筒各段間的接縫均采用舌形密封膠條；傳動(dòng)與靜止部件縫隙采用針對(duì)性密封解決方案，滿足沙塵環(huán)境下機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行；低轉(zhuǎn)速外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)+氟硅橡膠全防護(hù)定子，避免微小沙塵對(duì)發(fā)電機(jī)的影響；通風(fēng)散熱系統(tǒng)采用折疊式過(guò)濾網(wǎng)，通風(fēng)面面積大，風(fēng)阻小，有效阻隔沙塵。

運(yùn)行效果：機(jī)組可利用率達(dá)98%以上，可利用小時(shí)數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)結(jié)論(排除限電因素)。

項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)：該項(xiàng)目機(jī)組在大風(fēng)沙極端氣候條件下能夠正常發(fā)電，沒有發(fā)生由于沙塵原因停機(jī)的現(xiàn)象，保證了機(jī)組的正常運(yùn)行，保障了業(yè)主的發(fā)電量。

4 新技術(shù)的應(yīng)用及相關(guān)措施

隨著密封工藝和涂裝工藝的發(fā)展，一些新技術(shù)也在防風(fēng)沙領(lǐng)域中嘗試應(yīng)用，如高彈性涂料、全密封軸承技術(shù)和微正壓密封技術(shù)等。

(1) 高彈性涂料：槳葉和塔筒的外壁可采用丙烯酸樹脂或聚脲涂料等作為面漆，雖然增加了一定的成本，但具有優(yōu)異的理化性能，如抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、柔韌性、耐磨性等。

(2)全密封軸承技術(shù)：輪轂和機(jī)艙的軸承可采用密封防護(hù)罩，靜止部件采用密封膠封堵，最大限度地保證運(yùn)動(dòng)部件的潤(rùn)滑和清潔。

(3)微正壓密封技術(shù)：機(jī)艙和塔筒可增設(shè)微正壓裝置，使機(jī)艙和塔筒內(nèi)的空氣壓力始終保持在略微大于外界環(huán)境壓力的狀態(tài)，致使沙塵不得侵入。

除以上幾點(diǎn)，各個(gè)風(fēng)電機(jī)組廠家還在大力研發(fā)更加安全、更加可靠的其他防風(fēng)沙新技術(shù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，采用了防風(fēng)沙措施的風(fēng)電機(jī)組相較未做防護(hù)的風(fēng)電機(jī)組，具有更高的發(fā)電量和更低的故障率，使得機(jī)組在大風(fēng)揚(yáng)沙、移動(dòng)沙丘乃至沙塵暴等不利條件下都能有相對(duì)良好的運(yùn)行表現(xiàn)。

需要注意的是，進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)整體布置時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量避免選擇沙漠或者流動(dòng)沙丘地帶；電氣設(shè)備外殼防護(hù)等級(jí)的選擇應(yīng)與環(huán)境條件相適應(yīng)，不可一味追求高標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)呼吁國(guó)家或行業(yè)盡快出臺(tái)風(fēng)電場(chǎng)的防風(fēng)沙設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，為今后大型風(fēng)電場(chǎng)或風(fēng)電基地的設(shè)計(jì)提供更加權(quán)威、可靠的依據(jù)。