風電機組特定場址安全性評估方法及意義探討

文 | 蔡繼峰 王丹丹

風電機組特定場址安全性評估方法及意義探討

文 | 蔡繼峰 王丹丹

隨著風電行業的高速發展，風電場選址從簡單的平坦地形向著復雜的山地、丘陵等場地發展，甚至從陸上向海上轉移。隨著場地的多樣性，環境條件也變得多樣和復雜：高原、低溫、臺風、地震，海況等環境都可能需要被考慮。但是與之相對應的機組設計卻是在標準等級下設計而來，因此機組在特定場址下的安全性是否依然能夠得到保證，則需要在風電場規劃之初進行額外的校核，這個工作即為特定場址評估。依據IEC61400－22，特定場址評估是項目認證中的一個工作模塊，由于受項目開發周期等限制，我國風電場大部分未開展項目認證，而特定場址評估是用于確定風電場安全性的重要工作內容，如未進行完整的項目認證，處于規避安全風險的考慮，應視情況開展特定場址評估工作。但是國內的風電場在開發過程中對特定場址評估重視不夠，沒有很好的系統進行，這會對將來風電場的安全運行帶來隱患，或許這也是目前風電場安全事故頻發的原因之一。

特定場址評估主要可以分為幾個模塊：

環境條件評估，主要用以對特定場址的環境數據的采集和分析處理是否合理。例如，風能資源數據的采集和分析處理是否合理。

特定場址安全性評估，評估特定場址載荷下的結構安全性。

部件適應性評估，特定場址環境下各機機械部件、電氣部件等的適應性，例如，對于低溫環境，則要評估相關部件在低溫下是否依然能正常工作。對于鹽霧環境，相關部件的防腐蝕等級是否達到要求等等。

本文重點介紹特定場址的安全性評估，主要涉及環境條件對機組的載荷的影響和分析方法。

特定場址安全性評估方法

為了確定機組在特定場址下的安全性，可分為以下三種模式：

a：特定場址的環境條件和基礎剛度與原設計比對直接判斷安全；

b：特定場址的載荷計算結果和原設計載荷比對判斷安全；

c：特定場址載荷結果下的結構強度復核判斷安全。

當特定場址的環境條件和標準等級接近，無特殊環境條件如地震、臺風等，并且基礎剛度變化不大，能直接通過比對風況參數判斷其載荷結果是否能小于設計載荷時，可以采用模式a，直接給出機組在特定場址下安全的結論。當無法通過模式a判斷時，則需要進行特定場址的載荷計算并將其與原設計載荷比對，若能證明該載荷小于原設計載荷，則也可給出機組在特定場址下安全的結論。若模式b依然無法判斷機組是否安全，則需要用特定場址下的載荷結果進行結構強度的復核，結構安全裕度足夠，則依然能說明機組在特定場址的安全性，反之該機組不適應特定場址，需要進行更改機組設計或更換機型。

環境條件對載荷影響分析

特定場址的安全性評估，重點是對風電機組的載荷進行分析。風電機組的載荷是由機組本身和外部的環境條件決定，對于同一型號的機組，其載荷完全由外環境條件決定，本章將重點介紹各環境條件對機組載荷的影響以及評估方法。

表1 某1.5MW機組不同風區下疲勞載荷結果（材料系數m=10）

一、風況條件

風況條件是風電機組載荷的最重要影響因素，風況的特征參數主要有極限風速、年平均風速和風速分布、湍流度、空氣密度，風剪切等。

a：極限風速

根據風壓公式，風壓和風速的平方成正比，而通常在極限風速來臨時機組處于停機狀態，其主要載荷即來自風壓，因此極限風速以2次方的關系影響風電機組的極限載荷。

b：年平均風速和風速分布

年平均風速和風速分布決定風電機組運行的各風速段時長的情況，由于不同風速段運行時疲勞載荷不同，因此風速分布影響風電機組的疲勞載荷累積。表1給出了某1.5MW機組運行在不同風區下的葉根處的疲勞載荷情況。

c：湍流度

湍流度反應風速脈動變化的程度，湍流度越大風速變化越大，隨之載荷變化也越大，即湍流度會影響機組的疲勞載荷。同時由于風速變化幅度的增大，也會影響某些極限載荷工況，例如：EOG陣風工況，其陣風幅值與湍流強度成正比，見圖1。

d：空氣密度

風壓與空氣密度成正比，因此空氣密度會直接影響風電機組的載荷，包括極限載荷和疲勞載荷。

e：風剪切

風剪切是反應風速隨著高度增加的變化趨勢，一般情況下風剪切大于0，即風速隨著高度的增大而增大。這會導致葉片處于高處時受到的風載較大，而處于低處時風載較小，從而使風輪產生不平衡距，這會給風電機組帶來更大的極限載荷和額外的疲勞載荷。

攝影：李雙健

一般來說，在Vave到2Vave之間的累積疲勞載荷較大，因此風速分布和湍流度對載荷的影響要保證其比設計載荷小，只需要在該區間段內，風速分布概率和湍流度小于設計等級即可，見圖2。

綜上，通過分析風況條件對載荷的影響，若要通過比對風況來保證載荷小于原設計載荷，則需要滿足表2所列條件，若有任意一條背離則需要進行載荷計算以確定特定場址的載荷水平。

二、海況條件及基礎影響

相比陸上，海上的環境條件以及基礎結構更為復雜，目前其對風電機組的影響主要來自水動力載荷和基礎結構對機組部分的影響。與水動力載荷相關海況的特征，目前標準中有三類：

圖1 EOG陣風幅值與湍流強度的關系

圖2 風速分布概率和湍流度

波浪：主要通過有義波高和周期來表征

水位：水平面的高度

洋流流速：水中粒子平均遷移速度

目前的大多數的海上風電場選用的風電機組，是按陸上環境條件設計，沒有考慮海況條件，而海況條件會對機組產生額外的載荷，同時不同的基礎結構會改變風電機組的整體模態，因此對于該類機組必須進行復雜的特定場址載荷計算來判斷機組的安全性，而無法通過比對環境條件的簡單方式來判斷。針對這一情況目前北京鑒衡認證中心編制海上機組認證技術規范＊＊。該技術規范中指出，如果在設計之初即考慮海況條件用以風電機組的設計，并假定基礎形式，當該機組用于特定海域時，可以通過比對海況條件來進行特定場址載荷安全性的判斷。若海況參數以及基礎結構滿足表3所列條件，即可直接判定海況條件對機組載荷的影響小于原設計值，則機組的特定場址評估可以通過最為簡單的比對環境條件來實現。

三、其他環境條件

風況和海況環境條件，是最為重要和常見的兩類環境條件。而對于其他環境條件，主要有低溫，地震，臺風等。要依據場址的特點來判斷是否需要考慮和如何考慮。

a：低溫條件

表2 特定場址風況參數

表3 海況參數和基礎結構

低溫會增大空氣密度，該部分影響可以通過風況分析進行。另外低溫有可能導致機組結冰，主要結冰部位為塔架，機艙和輪轂。結冰會給機組的載荷帶來很大的影響，尤其是葉片的結冰。葉片結冰后，會對翼型的參數帶來很大的影響，從而改變機組載荷，另一方面，結冰的不均勻性，會給風輪帶來額外的不平衡距，這也會給機組帶來額外的載荷。

b：地震

風電機組的相關規范中并沒有直接對地震環境條件的評估進行明確定義，而是要求依據各國家地區當地的地震規范進行約束。我國的抗震規范對地震設防烈度分為6度、7度、8度、9度4個等級，不同地區需要考慮的設防烈度都有相應設防烈度區域劃分，對于特定場址的風電場，需要依據抗震規范進行風電機組的安全性校核。一般來說，對于按照常規設計的風電機組，其能抵抗的地震設防烈度為7度。

c：臺風（熱帶氣旋）

臺風是一種熱帶氣旋，除了風速大外，還存在風速、風向變化快，中心區域存在負壓等特點，這些特點使其不能按照常規的風況進行考慮。因此，對于可能會發生臺風的中國沿海地區風電場，在機組進行特定場址評估時需要考慮臺風影響，具體方式可依據目前國內已發布的臺風技術規范進行設計校核。

四、 小結

本章通過分析各環境條件對機組載荷影響的機理，給出了不同環境條件參數對機組載荷影響的定性結論，并以此為依據給出通過比對環境條件直接判斷機組安全性需要滿足的條件，為特定場址安全性評估中使用模式a提供判斷準則。

結論

特定場址評估在風電場開發時是必不可少的部分，是風電場安全穩定運行的保障。而其中的特定場址下載荷的結構安全性評估是特定場址評估中最為重要的一環，不同的環境條件對載荷影響很大。因此為了適應特定的環境條件，在機組設計之初盡可能選取與將來實際安裝運行的環境條件相近的設計條件，這會大大提高機組在風電場的適應性，同時也能降低反復修改設計，延誤工期的成本。為了使設計的環境條件和實際相近，有針對的選擇合適的設計規范用以設計是最為重要的一步，例如，在有臺風的區域，則設計時選用臺風技術規范。對于海上機組，則選用海上技術規范用以設計。

（作者單位：北京鑒衡認證中心）

攝影：占遠武