提高風(fēng)電場效益的技術(shù)與管理經(jīng)驗

2017-08-22 15:56:14 風(fēng)能產(chǎn)業(yè) 　點擊量：評論 (0)

1 引言　　隨著世界各國對能源安全、生態(tài)環(huán)境、氣候變化等問題日益重視，加快發(fā)展風(fēng)電已成為國際社會普遍的共識和一致行動。到2016年底，風(fēng)電年發(fā)電量占全國總發(fā)電量的4%，已成為繼火電、水電之后的第三大

1.引言

　　隨著世界各國對能源安全、生態(tài)環(huán)境、氣候變化等問題日益重視，加快發(fā)展風(fēng)電已成為國際社會普遍的共識和一致行動。到2016年底，風(fēng)電年發(fā)電量占全國總發(fā)電量的4%，已成為繼火電、水電之后的第三大電源。未來的能源結(jié)構(gòu)中新能源的占比將會持續(xù)擴大。

　　但這并不意味著風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展從此就將一帆風(fēng)順。不斷下降的風(fēng)電上網(wǎng)電價水平、棄風(fēng)限電、風(fēng)電機組設(shè)備技術(shù)性能逐年衰退、運維管理跟不上迫使著風(fēng)電行業(yè)不斷地進步以生產(chǎn)出相比較其它能源而言更加經(jīng)濟，更加具有競爭力的能源。

　　為此，在排除不可抗拒的上網(wǎng)電價下降、棄風(fēng)限電等因素之外，如何從技術(shù)角度和管理方面發(fā)力，加快風(fēng)電場的轉(zhuǎn)型，以促進風(fēng)電效益的雙提升，破解了風(fēng)電場運行管理過程的難題，提高了設(shè)備的利用率和風(fēng)場效益，是本文具體論述的主要內(nèi)容。

　　2.技術(shù)角度

　　2.1 偏航校準

　　大多數(shù)的風(fēng)電機組均存在一定的偏航誤差，偏航誤差的存在可能會給風(fēng)機帶來破壞性的載荷，以及次佳的功率輸出。根據(jù)EWEA發(fā)布的調(diào)查研究，只有20-25%的風(fēng)機的偏航誤差在2度以內(nèi)，年發(fā)電量損失0.2-0.5%，而大部分機組偏航誤差在6度以上，年發(fā)電量損失達2%左右。風(fēng)電機組偏航誤差產(chǎn)生的原因很多，傳統(tǒng)風(fēng)向測量的設(shè)備都是裝在機組的尾部氣象站上面，無論是機械式還是超聲波，都會受到槳葉的擾動、機艙的外形的擾流，另外還有安裝和制造引起的誤差，這其中氣流擾動影響最大。

　　如何避免氣流的擾動，準確測量當前的風(fēng)向，校準以往的偏航誤差，在此需要一種全新的測量手段，目前比較成熟的技術(shù)手段是采用激光測風(fēng)雷達進行測量。激光雷達通過高頻激光束射向風(fēng)機正前方，來測量風(fēng)機的風(fēng)速和風(fēng)向，排除了葉片的干擾，實現(xiàn)了準確和提前測量。風(fēng)機偏航的校正需要經(jīng)過一段時間的測量，通過調(diào)整測風(fēng)儀或者修改風(fēng)機的參數(shù)，把偏差糾正到1度以下，在調(diào)整完畢之后，進行下一臺風(fēng)機校準測量或者直接作為永久測風(fēng)儀。

　　偏航誤差造成風(fēng)機發(fā)電量的損失，以及額外的風(fēng)力載荷將直接影響風(fēng)場的長期效益。從投資回報率來分析，激光測風(fēng)儀來校正傳統(tǒng)風(fēng)機的模式，大概半年可以收回校正的投資，因此在技術(shù)手段能夠解決的范疇內(nèi)，存在偏航誤差的風(fēng)電機組應(yīng)盡快進行校準工作。

　　2.2 葉片維修與防護

　　隨著風(fēng)電市場的逐漸成熟，風(fēng)力發(fā)電機組向大型化發(fā)展，葉片長度的不斷增長，同時帶來葉片重量的增加。然而風(fēng)電場的位置偏遠，運行環(huán)境惡劣，如較大的風(fēng)沙侵襲，-30℃至50℃的循環(huán)溫差，鹽霧腐蝕以及強紫外光等，兆瓦級的機組其葉尖線速度高達200-250Km/h,在這樣高轉(zhuǎn)速下，風(fēng)沙和雨滴對風(fēng)電葉片的侵蝕相當于等離子切割，葉片表面容易形成空洞，加快腐蝕、老化的進度，投產(chǎn)后不久即損壞嚴重。研究表明，葉片表面粗糙度的增加以及缺陷的累積將導(dǎo)致發(fā)電效率降低5%-30%，還可能導(dǎo)致葉片運行失穩(wěn)造成齒輪箱故障。

　　風(fēng)機葉片上面小的缺陷如果沒有得到及時的專業(yè)修復(fù)，將導(dǎo)致裂紋延伸至葉尖和內(nèi)部復(fù)合材料中，造成葉片大面積的開裂，最后不得不進行大型修補或者返廠處理，給風(fēng)電企業(yè)帶來重大經(jīng)濟損失。葉片損傷產(chǎn)生原因主要有：①生產(chǎn)時的設(shè)計和制造缺陷②運輸過程中的磕碰損傷③雷擊、砂石雨滴、鹽霧、污物等自然因素，造成了前緣腐蝕開裂、后緣損傷、表面裂紋、葉尖削磨等問題。

　　為了保證風(fēng)機葉片長久高效運行，同時兼顧當下的實際運行，葉片維修建議選擇在風(fēng)較小的季節(jié)，對風(fēng)電場的葉片定期進行檢查，針對前后緣腐蝕、葉尖以及葉片避雷系統(tǒng)進行檢查、維護，修補后，可在葉尖處前緣貼上風(fēng)電葉片保護膜，加強葉片重點損壞部位的防護，延長壽命。通過對葉片的缺陷的修復(fù)和保養(yǎng)，以較低的費用提高了葉片的氣動性能，使機組在盛風(fēng)期具有更高的發(fā)電效率。

　　另外，如何根治造成葉片大量損壞的“水土不服”問題，本文從探討的角度分析，應(yīng)根據(jù)我國各地區(qū)風(fēng)電場的環(huán)境條件和已有葉片服役之后的反饋來分區(qū)域設(shè)計葉片涂層厚度、葉片保護膜厚度以及涂裝工藝，摒棄之前葉片企業(yè)“一刀切”的模式，生產(chǎn)出真正滿足運行環(huán)境要求的定制化葉片。

　　2.3 氣象站的冰凍問題

　　風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)電量的多寡的根本外界因素是風(fēng)，風(fēng)的速度和方向只有準確的被風(fēng)機上面氣象站讀取并傳輸給控制系統(tǒng)，風(fēng)機才能適時地調(diào)整狀態(tài)，最大程度的獲取風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。然而在遇到冰凍天氣時，氣象站將無法識別風(fēng)況導(dǎo)致風(fēng)機停運。本文以河北新天科創(chuàng)位于張家口壩上的若干風(fēng)電場為例，討論冰凍對風(fēng)機運行的真實影響。

圖1. 2016年11月21河北新天科創(chuàng)張家口壩上地區(qū)風(fēng)電場冰凍災(zāi)害天氣風(fēng)機運行數(shù)據(jù)

　　從上表不難看出，2016年11月21日張家口壩上地區(qū)五個風(fēng)電場13期共65萬KW的裝機量，風(fēng)機發(fā)電量僅為28萬kWh，以當日張家口區(qū)域每期平均發(fā)電量65.5萬kWh計算，結(jié)冰損失約749萬kWh，僅一天就損失巨大。張家口壩上地區(qū)地處河北省最北部，因海拔從七八百米急速上升至近兩千米的巨大落差，形成了壩上地區(qū)特殊的氣候狀況。每年初入冬季和來年春天是凍雨災(zāi)害的高發(fā)期，此時，分布在這片區(qū)域的風(fēng)電機組氣象站被冰凍，無法運行，葉片表面同樣覆蓋一層薄冰，導(dǎo)致風(fēng)機無法啟動，其從被冰凍到解凍恢復(fù)功能需要十多小時，嚴重影響風(fēng)電場的運行。

　　經(jīng)過河北新天科創(chuàng)的技術(shù)人員分析，氣象站、葉片結(jié)冰影響風(fēng)機運行的主要原因如下：：

　　風(fēng)機氣象站現(xiàn)有設(shè)備加熱功率太小，熱量分布也不均衡（局部加熱），無法達到快速融冰要求；

　　部分風(fēng)機氣象站風(fēng)向標、風(fēng)速儀轉(zhuǎn)動部位連接處為塑料材質(zhì)，在低溫下容易折斷。

　　風(fēng)機氣象站風(fēng)向標、風(fēng)速儀為機械轉(zhuǎn)動式的，在低溫凍雨下，軸承極易被凍住；

　　因風(fēng)向標結(jié)冰，而引發(fā)偏航系統(tǒng)進入偏航死區(qū)內(nèi)，引發(fā)扭纜故障告警；

　　風(fēng)機葉片結(jié)冰，將改變?nèi)~片迎風(fēng)面形狀，會增加塔架載荷和水平方向推力，損耗吸收進葉輪的機械能，滑落的冰塊也可能對下方的人、物造成傷害。

　　針對上述情況，河北新天科創(chuàng)做出對現(xiàn)有氣象站進行技改的試裝探索，包括更換大功率氣象站、熱場式超聲波氣象站、面對面超聲波氣象站。試裝結(jié)果顯示，更換大功率氣象站能加快融冰速度，對降低冰凍影響有一定作用，但實際測量中，測得風(fēng)速往往偏高，在大風(fēng)時易發(fā)風(fēng)速過高、暴風(fēng)停機等故障，降低風(fēng)機的可利用率；熱場式超聲波氣象站在冰凍天氣其風(fēng)速數(shù)據(jù)經(jīng)常連續(xù)變化，波動情況嚴重；而面對面型超聲波氣象站，因外形小巧，功率較大，散熱均勻，能將冰凍對風(fēng)機運行影響減少至最低，保證在整改冰凍期間風(fēng)機不停運。

　　2.4 齒輪箱油溫高

　　經(jīng)過筆者對全國多個風(fēng)電場的問詢調(diào)查，發(fā)現(xiàn)很多機型在夏季或者大功率運行存在齒輪箱油溫過高的現(xiàn)象，包括華銳1500、GE1500、明陽1500、Gamesa850等國內(nèi)外風(fēng)機機型。齒輪箱油溫一旦過高，導(dǎo)致控制軟程序自動限功率運行或故障停機，風(fēng)機的發(fā)電功率曲線發(fā)生偏移，影響風(fēng)機的發(fā)電量和風(fēng)電場的效益。

　　通過對機型的深入分析，導(dǎo)致齒輪箱油溫高的原因，主要有兩方面：①廠家設(shè)計缺陷②冷卻系統(tǒng)故障和環(huán)境因素。

　　2.4.1 廠家設(shè)計缺陷

　　中國國土面積遼闊，環(huán)境氣候復(fù)雜多樣，而風(fēng)機生產(chǎn)商在很長一段時間里，應(yīng)用在不同地區(qū)的機組都采用同一標準來設(shè)計生產(chǎn)，沒有做針對性的優(yōu)化設(shè)計，導(dǎo)致在夏季高溫甚至冬季大風(fēng)時期頻繁報高溫故障。究其原因，問題基本出在散熱器的功率太小，齒輪箱運行時產(chǎn)生的熱量無法被有效帶走，引發(fā)油溫超過警戒值，發(fā)電效率降低。針對此類設(shè)計缺陷，可在齒輪箱上面加裝額外的散熱器或者更換原散熱器，提高散熱效率。

　　2.4.2冷卻系統(tǒng)故障和環(huán)境因素

　　2.4.2.1冷卻系統(tǒng)故障主要有如下情況：

　　單向閥失效，一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，冷卻回路失效

　　溫控閥失效，無法根據(jù)溫度調(diào)節(jié)冷卻和潤滑兩個方向的流量

　　散熱器堵塞，導(dǎo)致流經(jīng)散熱器的齒輪箱偏少，散熱效率下降

　　出現(xiàn)上述三個部位的故障時，現(xiàn)場技術(shù)人員根據(jù)每個部位的情況及時維修或更換。

　　2.4.2.2環(huán)境因素

　　環(huán)境因素主要是影響散熱器的散熱效率，主要有各種絮狀物和灰塵飄進機艙，堵住散熱器下面的進風(fēng)口，使得排風(fēng)扇抽風(fēng)散熱效果不明顯，降低散熱功率。此種情況需要現(xiàn)場人員定期檢查時做好清潔工作，排除雜物的干擾。

　　3.運維管理角度

　　3.1 定檢與巡視制度管理

　　為使風(fēng)機能夠穩(wěn)定安全運行，增加風(fēng)機各部件的使用壽命，提高風(fēng)機設(shè)備的可利用率，風(fēng)電現(xiàn)場除了做好日常的故障消缺之外，定期的檢查和巡視工作是一樣重要的基礎(chǔ)工作，關(guān)系到風(fēng)機全年的故障率乃至整個生命周期的使用效率，因此風(fēng)電場有必要建立完善的定檢和巡視制度，并保質(zhì)保量、安全高效的完成。

　　“千里之堤，毀于蟻穴”，大故障和大事故的發(fā)生往往是因為不起眼的小缺陷的積累。定檢和巡視就是查出這些小缺陷，并逐一處理的過程。風(fēng)力發(fā)電機組是一個包括涵蓋機械、電氣、液壓和控制、輸電等多種學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)，我們必須保證每個子系統(tǒng)的安全可靠運行，才能使得整個系統(tǒng)有機運轉(zhuǎn)。在機械系統(tǒng)的檢查中，必須嚴格按標準打好每一個螺栓力矩、加注每一個轉(zhuǎn)動單元的潤滑油脂、做好每一次軸對中、每一個碳刷和剎車片的測量等；電氣系統(tǒng)不放過一個松動的端子接線、每一處電機的安全測試、可能造成短路的雜物清理等；輸電系統(tǒng)中的巡視中注意每一個箱變的運行情況、每一處防雷接地和絕緣的測量等。細節(jié)決定成敗，通過以往的經(jīng)驗來看，真正按標準執(zhí)行的定檢將很大程度上減少后續(xù)的風(fēng)機故障率，減輕人員工作壓力，同時也降低了運維成本，提高了發(fā)電效益。

　　3.2 備件品質(zhì)和技術(shù)服務(wù)管理

　　3.2.1備件品質(zhì)

　　風(fēng)力發(fā)電機組常年運行在環(huán)境惡劣的電網(wǎng)和自然條件下，高質(zhì)量可靠的備件是其穩(wěn)定運行的重要保證。隨著風(fēng)電裝機容量的不斷增加和大批風(fēng)電機組出質(zhì)保期，風(fēng)電后市場迎來井噴式增長，備件市場亂象繁生。目前市場上高價值和易耗品的假貨黑貨隨處可見，各風(fēng)電集團采用的最低價中標制度也間接導(dǎo)致了各種良莠不齊的備件進入風(fēng)電場的庫房當中，給風(fēng)電現(xiàn)場風(fēng)機的安全運行造成極大的隱患，所引起的直接故障和間接故障在總故障中的占比越來越高，并將長久的影響風(fēng)機的健康水平和發(fā)電效率。從備件的采購和使用端入手，堅決嚴懲假貨黑貨供應(yīng)者，嚴禁不良備件的進入風(fēng)電場的庫房，做好備件故障問責(zé)制，多管齊下，提高備件品質(zhì)。

　　3.2.2技術(shù)服務(wù)

　　風(fēng)電機組從一出廠運到風(fēng)電現(xiàn)場，其原始設(shè)計對于現(xiàn)場環(huán)境注定不是完美的。機組在投產(chǎn)之后會暴露出越來越多的問題，隨之會有備件損壞，備件更換，問題比較嚴重者需要做技術(shù)改造。這其中涉及到備件的維修和技術(shù)改造問題，現(xiàn)如今，備件維修與技術(shù)改造領(lǐng)域并沒有相關(guān)的行業(yè)標準，因此能夠參與的門檻相對降低，因此暴露出了很多問題，例如以次充好、表面維修，技術(shù)改造方案施工不成熟、改造后問題頻出等等。不過關(guān)的維修件其實和假貨黑貨類似，將極大的影響風(fēng)機的運行安全，而技術(shù)改造如果不完善，將造成更大的困擾，引發(fā)新的問題。為此，給技術(shù)服務(wù)提供者設(shè)立必要的門檻，檢驗其技術(shù)水平的高低對維修和技改來說顯得尤為重要。

　　3.3 技術(shù)交流與傳承

　　風(fēng)電場的運行離不開日夜堅守的運維人員，更離不開他們身上掌握的風(fēng)電運維技術(shù)。如何提高風(fēng)電場的技術(shù)水平，提高風(fēng)機故障的消缺效率一直是各個風(fēng)電場領(lǐng)導(dǎo)需要考慮的問題。風(fēng)電場的風(fēng)機的運維技術(shù)來源整機廠家，整機廠家掌握了最全最完善的系統(tǒng)技術(shù)要領(lǐng)，提高風(fēng)電場整體技術(shù)水平的關(guān)鍵在于盡量多的學(xué)習(xí)整機技術(shù)人員的技術(shù)。風(fēng)機在投產(chǎn)之后的幾年當中，整機廠家人員的代維期是風(fēng)電場業(yè)主技術(shù)人員學(xué)習(xí)掌握風(fēng)機技術(shù)的絕佳時期，多學(xué)多問，緊跟廠家，協(xié)同處理故障是最好也是最有效的方法。而在機組出質(zhì)保之后，風(fēng)電場自身的技術(shù)人員可通過到整機廠家培訓(xùn)，與相同機型兄弟風(fēng)電場組織技術(shù)交流，加強自身技術(shù)能力建設(shè)。風(fēng)電場作為一個人員流動頻繁的地方，如何做好人員流動而技術(shù)不流失，需要建立一個傳承，一個老帶新的師徒制，同時建立健全已有的技術(shù)歸檔，做到可查可問，形成風(fēng)電場內(nèi)部的技術(shù)傳承模式。

　　4.結(jié)語

　　風(fēng)電場作為一種新能源產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的最前方，需要資金、技術(shù)、人才、管理等生產(chǎn)要素的有效投入和優(yōu)化組合，而這些要素聚合在一起并發(fā)揮作用，需要風(fēng)電場人員不斷探索創(chuàng)新，尋求技術(shù)價值的潛力和管理效益的最大化。

　　參考文獻：

　　[1]朱國華。高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的專利、標準與人才戰(zhàn)略。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

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　　[3]鄧磊，馮高煜，曾益民。南山風(fēng)電場XE82機型氣象站抗冰凍的研究。長沙：湖南電力，2013.

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責(zé)任編輯：lixin

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