低溫型風力發電機組設計及認證要求

中國船級社質量認證公司 隋紅霞 傅程

在我國風資源比較富集的內蒙、東北和西北地區屬于高寒地區，常年最低氣溫可達-40℃，而且冬季時間漫長，低溫時間長達4～6個月。因此，低溫是這些地方的風場所面臨的一個共同問題，這也給認證工作帶來很大難度，需要在認證工作中引起特別注意。

低溫對機組的影響

目前國際上尚無統一、成熟的低溫型風力發電機組設計標準。大多數安裝在低溫地區的風力發電機組是在其常溫型風力發電機組的設計上采取一些專項的技術改進措施，以期能確保機組的正常安全運行。這些改進措施從某種程度上說起到了一定的作用，但要達到預期的要求還需要進行更多富于挑戰性的工作。低溫對機組的影響主要有以下幾個方面。

低溫對氣動特性的影響。低溫下由于空氣的密度增大，會引起機組空氣動力學性能的變化，直接影響機組的載荷。因此在進行機組設計時應考慮對空氣密度進行相應的修正。

同時由于低溫容易造成降雪和結冰，而葉片上如果堆積大量的雪或者結冰則會引起葉片的翼型發生改變，導致其氣動特性發生變化，影響機組的載荷和功率。圖1給出了一臺機組遭受冰雪覆蓋的情況。因此在設計時如果沒有在機組葉片或相關部位配備適當的加熱用以消除冰雪造成的變化，則在進行載荷設計時必須考慮冰雪覆蓋后造成的氣動特性的變化。

機組在極端低溫時的功率輸出可以表示為：

其中ET為低溫時的功率輸出； E0為功率輸出；T是風機的低溫限制溫度；f(t)是空氣溫度的概率密度分布函數。如果沒有f.則可以假定為正常分布。在計算功率輸出時一定要注意風速和溫度的關系。

同樣，當葉片結冰時會降低其升力增加阻力，導致功率輸出的降低。降低功率的多少取決于冰的數量。計算降低的功率輸出需要考慮風速、冰聚集的周期、冰的周期和數量、溫度和冰對風機的影響。及時知道這些參數的相互關系是非常必要的。通常采用時域計算。

許多參數難以獲得，因此初始計算可以參考表1進行。

表1 結冰頻率與年功率損失對應表

低溫對材料的影響。由于溫度對材料的彈性模量、強度和沖擊韌性都有很大影響，當溫度降低時，一般材料的彈性模量會升高而沖擊韌性會降低，當彈性模量改變時，結構的應力會重新分配，導致各部分的應力會發生變化，由于材料的強度和沖擊韌性也隨溫度發生變化，因此會出現隨溫度的變化某些受力部位出現失效的情況。圖2 給出了低溫對沖擊韌性的影響。

圖1 冰雪覆蓋機組

圖2 低溫對沖擊韌性的影響

低溫對零部件影響。當外界溫度降低時，對于零部件來說，首先需要考慮的是其結構是否完好，這就需要考慮制造零部件的材質能否承受該低溫條件，其次需要考慮的是零部件能否正常工作，這就需要考慮工作介質，以及潤滑油潤滑脂在低溫下能否保持正常工作，第三需要考慮的是如果能工作，工作狀態是否發現改變，這就需要考慮如軸承等在低溫下的阻尼變化，以及螺栓連接副等由于溫度應力而導致的預應力變化。

對于各零部件，在低溫下，具體應考慮如下內容：

1、葉片

由于葉片承受很大的氣動載荷，風力風電機組的載荷主要來源于葉片，因此對于葉片來說，在低溫環境下，首先需要考慮溫度對葉片材料性能的影響。葉片由玻璃鋼材料制造而成，而且葉片的鋪層很復雜。玻璃鋼材料本來就是由兩種材料復合而成，再加上鋪層工藝的復雜性，導致葉片會包含各種各樣的缺陷，當溫度降低時，葉片材料如果沖擊韌性降的過低，勢必會導致葉片在沖擊載荷下極易發生破壞。

2、軸承

對于軸承，其材質首先能夠承受低溫，其次，由于軸承的主要作用是支撐回轉件，因此能否良好潤滑，決定了軸承能否正常工作，這就要求軸承使用的潤滑油或潤滑脂能夠在低溫下具有良好的潤滑性能。而由于溫度降低，潤滑油或潤滑脂的粘度必然增大，這就導致軸承在旋轉過中的阻尼力增大。

3、液壓系統

液壓系統在低溫下，液壓油能保證正常流動，這樣才能保證液壓系統能正常工作。另外，由于液壓油粘性增大導致的各器件度粘度太高，液壓油流過管路與元件通道時流動阻力加大，使功率損耗增加。

4、螺栓連接

風機結構中使用了大量的螺栓連接，螺栓連接牢靠的一個重要保證是施加合適的預緊力，當溫度降低時，如果被連接的兩個零件以及螺栓之間的熱脹系數不一樣，那么將會產生溫度應力，而溫度應力會對預緊力產生影響。

5、電器設備

電器設備一般可以隨著環境溫度的降低適當的增加負荷，但是當溫度過低時則會對設備材質的強度和沖擊韌度造成一定的影響，從而導致設備的性能降低，壽命縮短。例如，低溫時電纜的絕緣表皮會隨著變硬，絕緣能力下降等。

機組設計需采取的措施

低溫材料的選取。考慮到上述低溫環境對風力發電機組的影響，除了在載荷計算時考慮相應的修正系數外，對于塔架、輪轂、葉片、主軸、軸承、機艙罩等部件的材料也應該選擇與機組設計溫度范圍相對應的。例如，設計運行溫度范圍為-20℃～+40℃的機組在塔架設計時應至少選用Q345D以上的鋼材制作。

加熱的配置。除了考慮低溫材料的選取外，對于某些部件要保證在低溫時能夠正常工作還必須配備相應的加熱裝置。這些部件主要包括：機艙內部、各控制柜和電源柜、發電機、變流器、變壓器、偏航電機、風速計和風向儀等。在進行加熱設計時應考慮各部件所加熱的部分與加熱方式，以及加熱時達到的升溫幅度，由此來確定被加熱部件與工作介質（如潤滑系統）的加熱效果。

由于配備了加熱裝置，則必須考慮相應的溫度測量以及過熱保護，以確保部件加熱能夠在設計的溫度范圍內且不會引起故障發生。

控制和安全保護系統。考慮到低溫對材料的影響、對部件的影響以及由此采取的各項措施，控制和安全保護系統在低溫機型中應該補充考慮如下因素：

1、增加由于加熱和溫度測量造成的故障分析。

2、加強對風速儀、風向計的加熱裝置的監控。

3、加強對各部件加熱器的運行監控以及過熱保護的執行。

4、冷啟動程序的設計：在此設計中須根據各部件的設計要求確定各部件的運行啟動時間、加熱方式以及溫度控制，從而確定機組從低于運行溫度到啟動開始運行以及運行帶載到滿負荷所需要的時間。

認證要求

綜上所述，在申請低溫型風力發電機組認證時，針對低溫部分應提交能夠表明下述內容的技術文件：

1、總體說明中機組的溫度范圍及機組所用到的溫度的定義和詳細描述。

2、各工況下考慮極端溫度的極限載荷的計算以及考慮到覆冰的疲勞載荷的計算。

3、機組零部件的低溫性能。

4、機組加熱系統的設計計算和布置說明。

5、機組冷啟動過程的描述，包括各部件和控制系統。

6、環境溫度超出運行溫度范圍時，機組運行控制的描述。

7、機組控制系統狀態轉換時的溫度要求。

8、與低溫相關的安全策略和安全系統的圖表和說明。

9、所用到的各溫度的測量點、傳感器和測量裝置的描述。

低溫型風力發電機組在設計時應首先確定機組將要承受的低溫范圍，繼而分析此溫度對氣動載荷的影響以及機組各零部件應該采取的相關措施，然后加以實施。同樣，低溫型風力發電機組在進行設計認證時也應該在常溫型機組的基礎上重點審核其采取的低溫保護措施及低溫氣動載荷影響。