南海濕熱海上風電機組環(huán)境條件研究

堯瑤，韋橋斌，曾東，趙鉞

（1.廣東省風力發(fā)電有限公司，廣州 510630； 2.中國電器科學研究院股份有限公司，廣州 510663）

引言

風力發(fā)電作為新能源相比傳統(tǒng)能源具有環(huán)境友好、降低碳排放等優(yōu)點，隨著陸上風電裝機逐漸飽和，逐漸向海上發(fā)展，近十多年南海海上風電已取得長足發(fā)展[1]。風電機組在海上會受到高溫、高濕、鹽霧、臺風、雷電等環(huán)境因素影響[2-4]。有必要對風機的環(huán)境條件進行實時監(jiān)測，充分評估環(huán)境對機組運行的影響，從而可以及時采取措施減少或消除不利于風電機組安全運行的不利因素。

本文對某南海濕熱海域風電機組開展環(huán)境適應性測試評價工作[5,6]，包括海鹽粒子濃度分析、溫濕度分析、電氣腐蝕環(huán)境腐蝕性分析、風電機組結構件涂層評價分析等。

1 環(huán)境條件監(jiān)測方案

1）溫濕度監(jiān)測

在海上風電機組典型位置進行溫濕度監(jiān)測，包括塔基內(nèi)外部、塔基主控柜、變流器主控柜、機艙內(nèi)外、機艙主控柜、發(fā)電機表面、輪轂內(nèi)、輪轂控制柜、機艙外、偏航等位置，試驗周期為12個月。

2）氯離子沉降監(jiān)測

在海上風電機組塔基內(nèi)外、機艙內(nèi)外等位置開展氯離子沉降監(jiān)測，每3個月取樣一次。機艙外部及塔基外部鹽霧粒子采集濾膜放置在戶外環(huán)境測試百葉箱中，安裝示意圖見表1。

表1 鹽霧沉降濾膜安裝示意圖

表2 以氯化物為代表的空氣中鹽類污染物分類

3）大氣中氯離子濃度監(jiān)測

根據(jù)國標GB/T10593.2-2012相關規(guī)定，在風電機組塔基內(nèi)外、機艙內(nèi)外等位置采集大氣中的氯離子，采集體積36 L，采集的吸收液使用專業(yè)氯離子分析儀進行分析。

4）電氣設備腐蝕環(huán)境監(jiān)測

風電機組電氣設備在海上高溫、高濕、鹽霧等環(huán)境因素作用下會導致腐蝕和老化以及電氣性能下降。參考標準ISA-71.04-2013《過程測量和控制系統(tǒng)環(huán)境條件：空氣中的污染物》，采用高精度純Cu腐蝕表征片對關鍵電氣設備微環(huán)境進行腐蝕監(jiān)測，安裝位置包括塔基內(nèi)部、塔基外部、塔基控制柜、變流器柜、機艙內(nèi)部、機艙主控制柜、發(fā)電機表面、輪轂內(nèi)、輪轂控制柜、機艙外、偏航等。

5）塔筒涂層性能測試

對風電機組塔筒內(nèi)外涂層進行性能測試，包括涂層厚度、顏色、外觀變化檢查、阻抗測試等，測試評價周期為1年。

2 試驗結果及討論

1）溫濕度

根據(jù)溫濕度統(tǒng)計結果繪制時間變化曲線，見圖1～8。

圖1 每月最高溫度變化曲線圖

圖2 每月平均溫度變化曲線圖

圖3 溫度超過40 ℃時間

圖4 溫度變化率≥5 ℃/h時間

圖1～4是風機不同位置溫度變化曲線。7～9月各監(jiān)測點溫度處于最高水平，各控制柜、發(fā)電機等位置溫度相對較高，塔基控制柜最高溫度接近50 ℃；輪轂控制柜高溫時間（超過40 ℃）最長，8月份接近600 h；變流器控制柜溫度變化率最高；塔基外、機艙外等戶外監(jiān)測點溫度明顯低于風機內(nèi)部。

圖5～8是風機不同位置濕度變化曲線。除輪轂控制柜外，6月、10月風電機組內(nèi)部各監(jiān)測點的濕度相對較高，濕度超過60 %的時間較長；6月部分區(qū)域最高濕度超過90 %，可結合機組運行狀況進行綜合分析；塔基控制柜濕度變化率明顯高于風機內(nèi)部其他位置；塔基外、機艙外等戶外監(jiān)測點濕度及濕度變化率遠高于風機內(nèi)部。

圖5 每月最高濕度變化曲線圖

圖6 每月平均濕度變化曲線圖

圖7 濕度超過60 %時間

圖8 濕度變化率超過6 %/時間

綜上，6～10月風機內(nèi)部處于高溫高濕環(huán)境中。電氣設備在高溫下運行可能會影響風機發(fā)現(xiàn)效率，輪轂控制柜、機艙控制柜、塔基控制柜超過40 ℃時間較長，可加強或改進散熱裝置。濕度超過60 %或濕度變化率超過6 %時，會加劇電氣設備腐蝕或受潮的發(fā)生，對風機運行造成不利影響。6月、10月部分監(jiān)測點相對濕度超過60 %的時間較長，部分區(qū)域6月最高相對濕度超過90 %，應注意加強除濕。

2）海鹽粒子沉降量

采用離線式掛膜采樣分析法，參考標準GB/T 10593.2-2012對鹽粒子含量進行分析，結果見圖9。

圖9 海鹽粒子沉降結果

從試驗結果可以看到，機艙內(nèi)海鹽沉降量略高于塔基內(nèi)，均處于S0級，風機外部海鹽粒子沉降量遠高于內(nèi)部，塔基外鹽沉降量略高于機艙外部，處于S1-S2級。鹽霧沉降量影響電氣設備表面腐蝕和潮濕狀態(tài)，塔基內(nèi)和機艙內(nèi)鹽霧沉降量需加強控制。

3）海鹽粒子濃度

使用液相色譜對采集的溶液進行分析，得到鹽霧濃度結果見圖10。

圖10 鹽霧濃度含量測試結果

從表3可以看到，戶外的鹽霧粒子濃度明顯高于風機內(nèi)部，其中風機內(nèi)部塔基和機艙海鹽濃度基本相當，塔基外的濃度要高于機艙外。鹽霧濃度反映環(huán)境某一時間段內(nèi)空氣中鹽霧含量的水平，影響電氣設備的絕緣與腐蝕老化，電氣設備服役環(huán)境中的鹽霧濃度需控制在一定范圍內(nèi)，如條件允許可對機艙內(nèi)和塔基內(nèi)鹽霧濃度采取進一步控制。

表3 ISA-71.04環(huán)境腐蝕標準分級

4）電氣設備環(huán)境腐蝕性

使用電化學工作站對電器設備腐蝕環(huán)境表征測試片進行電化學分析，得到電氣設備環(huán)境腐蝕性結果見圖11。

圖11 電氣設備微腐蝕環(huán)境監(jiān)測結果

腐蝕測試片的測試結果來看，風機內(nèi)各部位腐蝕產(chǎn)物以氧化物為主，腐蝕等級基本為G1，在受控范圍內(nèi)，對腐蝕速率較高的區(qū)域可開展定期測試，確保在全生命周期內(nèi)的電氣設備腐蝕環(huán)境均為可控。塔基外和機艙外基本在GX等級。

5）塔筒涂層測試

①涂層厚度

參考標準GB/T 13452.2-2008塔筒涂層不同位置進行測試，從表4中結果來看，總體膜厚在（450～750）μm之間，初始結果與1年后結果變化不大。

表4 塔筒涂層厚度測試

②顏色

對塔筒涂層進行光澤、色差測試，并按標準GB/T 1766-2008進行等級評定。

從表5顏色測量結果可以看到，塔筒涂層色差在0-1級，變色很輕微；失光率達到4-5級之間，失光比較嚴重，復合涂層在嚴酷環(huán)境下的前期老化特征，可開展跟蹤測量。

表5 涂層顏色、光澤測試

③外觀等級評價

參考標準GB/T 1766-2008，對塔筒涂層起泡、銹蝕、開裂等失效行為進行評級，檢查結果見表6，塔筒涂層無明顯破損，各項檢查均為0級。

表6 涂層外觀檢查結果

④涂層阻抗測試

試驗前后對塔筒涂層分別進行阻抗測試，結果見表7，塔筒涂層阻抗無明顯變化，塔筒涂層體系以及和金屬間的結合未出現(xiàn)明顯變化，可定期開展復測。

表7 涂層阻抗測試

3 結論

1）風電場海域環(huán)境在6～10月有明顯高溫、高濕的特征，風機內(nèi)部電氣設備服役環(huán)境受外界環(huán)境影響較大。7～9月夏季風機內(nèi)各控制柜的溫度較高（最高接近50 ℃），可加強散熱；6月、10月潮濕問題較為嚴重，可加強季節(jié)性除濕；根據(jù)具體監(jiān)測結果可對風機整機溫濕度環(huán)境控制進行局部優(yōu)化。

2）塔基內(nèi)部和機艙內(nèi)部鹽霧沉降等級為S0級，塔基外鹽霧沉降等級為S2，機艙外部鹽霧沉降等級為S1級，機艙和塔基內(nèi)鹽霧濃度和沉降量均得到有效控制，可根據(jù)情況對鹽霧控制進一步加強。

3）風機內(nèi)電氣設備微腐蝕環(huán)境等級為G1，腐蝕發(fā)生概率較低，可依據(jù)測量結果對腐蝕速率相對較高區(qū)域開展定期測試，確保在全生命周期內(nèi)的電氣設備腐蝕環(huán)境均為可控。

4）塔筒涂層顏色變化很輕微，變色程度為0-1級，失光較為嚴重，達到4-5級、粉化、起泡、開裂、銹蝕等性能變化均為0級，無明顯失效破壞情況。塔筒涂層厚涂層阻抗變化不大，可定期進行跟蹤觀察測試。