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設計壽命長達20~30年,海上風電場面臨哪些考驗?

放大字體  縮小字體 發布日期:2018-03-12   來源:風電與光伏技術經濟  瀏覽次數:2378
核心提示:安裝并非是海上風電場唯一的難點。海上風電場的設計壽命長達20——30年,其工作環境比陸地惡劣得多。期間一旦發生故障需要維修的話,所需經費更是遠大于陸上風電。如何保證風力機在復雜海洋環境和不同運行條件下的安全運轉,并經受臺風、嚴寒、腐蝕、雷暴的考驗?這是海上風力機制造廠家和基礎設計施工單位必須考慮的問題。
   安裝并非是海上風電場唯一的難點。海上風電場的設計壽命長達20——30年,其工作環境比陸地惡劣得多。期間一旦發生故障需要維修的話,所需經費更是遠大于陸上風電。如何保證風力機在復雜海洋環境和不同運行條件下的安全運轉,并經受臺風、嚴寒、腐蝕、雷暴的考驗?這是海上風力機制造廠家和基礎設計施工單位必須考慮的問題。


 
  臺風來了,風電場還能運行嗎?
 
  臺風是我國東南沿海常見的災害天氣,其影響范圍廣、平均風速大、湍流強度高、風向變化快、持續時間長,對風電場有著驚人的破壞力。可導致葉片斷裂、塔筒折斷、機艙罩傾覆等。
 
  目前我國在臺風多發的南部海域建設的海上風電場較少,從陸上風電場的情況來看:2003年第13號臺風“杜鵑”于9月2日在廣東汕尾登陸,登陸時中心附近最大風力達12級,登陸點附近的風電場測得極大風速為57米/秒,其25臺風力機中的13臺受到不同程度的損壞;2006年第8號臺風“桑美”8月10日在浙江蒼南登陸,登陸時中心附近最大風力為17級,導致位于蒼南的鶴頂山風電場28臺風力機全部受損,其中5臺倒塌;2014年第9號臺風“威馬遜”7月18日登陸廣東湛江,登陸時中心附近最大風力為17級,導致徐聞的勇士風電場33臺風機中的13臺風力機倒塌,5臺風力機完全損壞。


 
  位于臺風頻繁海域的海上風力機需要采用抗臺風設計:增加質量阻尼器,減少臺風對風力機的振動;加強機艙罩,確保在臺風期間機艙完好;加強風速風向儀的固定,使其在臺風期間能夠正常運行。當預報有強臺風到來時,需控制風力機停機,葉片變槳至順槳角度,并進入自動偏航模式實時以風輪正面對準風向,保證臺風對風輪的載荷最小。臺風過后,需檢查葉片、機艙罩等是否出現損壞、發電機構是否能正常工作。即使沒有臺風預報,風力機自身的控制系統也能在風速過大(大于25米/秒)時切出,并停機順槳進入防風狀態。
 
  不過,包括臺風在內的熱帶氣旋帶來的大風,在不超過一定強度時可以給風電場帶來較長的滿發時段(風力機在額定風速與切出風速之間滿負荷運行發電,大致為10——25米/秒),這是對風電場運營有利的一面。據統計,登陸我國的臺風平均每年有6.6個是能夠創造良好發電效益的“好臺風”,3.5個是對風電場有威脅的“壞臺風”。
 
  極寒會對風電場有影響嗎?
 
  高緯度地區的海上風電場還面臨著嚴寒的威脅。嚴寒會產生海冰,破壞風力機基礎;水氣(雨、雪、霜及海霧等)凍結在風力機葉片等部件上,影響風輪旋轉;低溫還會讓風力機中各種材料(金屬、橡膠與復合材料)和潤滑油的性能下降。


 
▲面臨海冰威脅的海上風力機
 
  我國的海冰出現在冬季的渤海與北黃海沿岸,渤海的冰期一般超過3個月(12 月——翌年3月)。在冰期中,遼東灣北部海域覆蓋有10——40厘米厚的海冰,漂流速度最大為0.5米/秒。大面積海冰會擠壓沖擊基礎,并引起基礎震動。水位變化時,海冰還會對基礎產生上拔或下壓效應。滲入混凝土基礎表層的海冰在結冰時會產生膨脹壓力,反復凍融會破壞混凝土。為此,位于結冰海域的基礎必須設計抵御海冰的措施。
 
  海上濕度較大,在嚴寒時葉片可能結冰,造成風力機發電能力下降,積冰嚴重時甚至可能導致葉片斷裂。在高緯度地區,寒冷的冬季通常也是取暖用電高峰,而葉片結冰會損失年發電量1%——10%,極端地區甚至能達到20%——50%。為此,工程師們開發出了多種除冰方法,其中被動除冰是在葉片表面涂以特殊涂料,目前應用最廣的是超疏水涂層,可降低葉片與水、冰之間的黏結性。而黑色烤漆可在白天借助陽光的熱量除冰。此外,還有能夠滲出可降低結冰點的抑制劑的概念涂層等尚處于實驗室階段的技術。主動除冰則是在葉片表面安裝熱電阻元件或加熱葉片內部空氣,使葉片溫度處于0℃以上。高緯度地區的風力機一般需要結合主動加熱和被動涂層的除冰能力。


 
▲用直升機為葉片除冰
 
  低溫還會讓風力機各材料的性能下降。如果沒有任何防護,風力機的最低操作溫度一般是——20℃,而停機溫度是——30℃。如果采用了抗低溫的合金鋼、密封的機艙以及各部件加熱設備,則能讓風力機在——30℃也能正常工作,停機溫度可低至——40℃以下。不過,我國近海海域很少會有如此之低溫。
 
  在大海上如何防腐呢?
 
  海上風力機及其基礎通常由大量鋼結構構成,對鋼而言,海水是具很強腐蝕性的天然電解質溶液。海水對鋼結構的腐蝕從本質上來說是一種電化學反應:鋼是鐵元素和滲碳體的混合物,構成陽極的鐵元素被氧化形成鐵銹,構成陰極的滲碳體發生氧的還原。保護鋼結構同樣要靠電化學,這就是讓鐵的電位處于相對高值成為陰極的陰極保護法。可以用還原性比鐵更強的金屬與鋼結構連在一起,使其成為犧牲陽極遭到腐蝕,而作為陰極的鋼結構得到保護。常用的犧牲陽極有鎂合金、鋅合金、鋁合金等。還可以在回路中接入外加直流電源,將電流通向鋼結構,使其成為陰極。


 
▲被海水腐蝕的基礎
 
  避免腐蝕的另一種常用方法是在鋼結構表面施以由環氧樹脂構成的防腐涂層來隔絕海水。目前,海上風電的防腐常將這兩種方法結合起來,在涂料中加入大量鋅粉或鋁粉,成為犧牲陽極。一旦涂層的阻隔作用削弱,就用犧牲陽極來保護。


 
▲修補腐蝕位置
 
  在海洋上方的大氣中,離海面越近,空氣的濕度和氯化物含量越高,容易形成懸浮在空氣中的含氯化物的細微液滴,即鹽霧。當鹽霧與金屬接觸時,也會形成電化學腐蝕。也就是說,海上風力機的腐蝕并不局限在基礎和塔筒下方與海水接觸的區域,而可能發生在任何接觸到海上空氣的地方。這就是為何海上風力機的核心—機艙需要采取密封措施,避免外界空氣進入。在陸上風力機中,機艙里齒輪箱和發電機的冷卻系統依賴空氣的流動。而在海上風力機里,其冷卻所用的內部空氣通過再循環來實現熱交換,不與外界混合。同時還需要在機艙和塔筒內安裝除濕裝置,使得內部環境的濕度低于鋼材料的腐蝕界限。
 
  遇到雷暴怎么辦?


 
  近海地區強對流天氣多發、空氣濕潤,容易形成雷暴。海上風力機矗立在平坦的海面上,同時水氣和鹽霧又會在葉片表面聚集,使得風力機易于遭到雷電襲擊。最可能被雷擊損害的部件是位于風力機最高點的葉片;風力機內部控制系統被雷電流干擾,會導致風力機不能動作或做出錯誤動作;雷電流還會在機艙內部金屬間隙產生火花,引起火災和爆炸。
 
  風力機防雷最常用的方法是在葉片尖部及其下安裝多個金屬接閃器,讓雷擊時電流通過接閃器和葉片內置的引下導體傳遞至葉片根部及輪轂,引下導體繼而連接機艙和塔筒,最后通過接地裝置泄入海洋。為了避免電氣設備被雷電流干擾,可以采用過電壓保護、屏蔽措施和等電位連接方法。機艙內部各部件則需通過螺栓連接到底部的金屬支撐架上,不與底盤相連的部件都與接地電纜相連,以盡可能防止火花。
 
 

 
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