風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片全生命周期監(jiān)控與管理

林奇

摘 要：風(fēng)機(jī)多是安裝在環(huán)境惡劣、海拔高、氣候復(fù)雜的地區(qū)，而葉片又恰恰是工作在高空、全天候條件下，經(jīng)常受到空氣介質(zhì)、大氣射線、沙塵、雷電、暴雨、冰雪的侵襲，其故障率在整機(jī)中約占三分之一以上。定期檢查，早期發(fā)現(xiàn)，盡快采取措施，把問題解決在萌芽狀態(tài)是避免事故、減少風(fēng)險(xiǎn)、穩(wěn)定電場收益的最有效方式。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；故障分析；維護(hù)

中圖分類號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）17-0158-02

1 風(fēng)力發(fā)電葉片簡介

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片是一種復(fù)合材料制成的薄殼結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上可分為：根部、外殼、龍骨三個(gè)部分。夜盤類型有多種，如平頭、尖頭、鉤頭、帶襟翼的尖部等。制造工藝主要包括陽?！幠！亴印訜峁袒撃！蚰ケ砻妗鷩娖岬?。設(shè)計(jì)難點(diǎn)包括葉型的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度、疲勞、噪聲設(shè)計(jì)、復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)。工藝難點(diǎn)主要包括陽模加工、模翻制、樹脂系統(tǒng)選用。葉片是一個(gè)大型的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其重量的90%以上由復(fù)合材料組成。

2 風(fēng)力發(fā)電葉片維護(hù)的必要性

在我國風(fēng)電飛速發(fā)展開始于2006年，在當(dāng)時(shí)國內(nèi)風(fēng)機(jī)以600kw，700kw機(jī)型為主，2007年3月，我國首臺(tái)1.5MW直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)組在新疆投運(yùn)，拉開了兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的序幕。隨著風(fēng)電市場的逐漸成熟，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相繼出現(xiàn)，葉片長度也由原來的30-40m增加至60-70m。葉片長度的不斷增長，同時(shí)帶來葉片重量的增加，但是葉片設(shè)計(jì)使用壽命為20年，如何在葉片20年的生命周期內(nèi)保持其高效運(yùn)行至關(guān)重要。

風(fēng)力發(fā)電葉片一般安裝于偏遠(yuǎn)的地區(qū)，運(yùn)行環(huán)境惡劣，如較大的風(fēng)沙侵襲，-30℃至50℃的循環(huán)溫差，以及強(qiáng)紫外光的老化等。目前2.5MW-50.3m的葉片，葉尖運(yùn)行速度高達(dá)300公里/小時(shí)，在這樣高轉(zhuǎn)速下，風(fēng)沙和雨滴對(duì)風(fēng)電葉片的侵蝕相當(dāng)于等離子切割，葉片表面容易形成空洞。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(yùn)行失穩(wěn)造成齒輪箱的故障。葉片小的缺陷如果沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行專業(yè)修復(fù)，將導(dǎo)致裂紋延伸至葉尖，造成葉片大面積的開裂，不得不進(jìn)行大型修補(bǔ)或者返廠處理，給風(fēng)場業(yè)主帶來重大經(jīng)濟(jì)損失。

風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件之一，其性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。葉片工作在高空，環(huán)境十分惡劣，空氣中各種介質(zhì)幾乎每時(shí)每刻都在侵蝕著葉片，春夏秋冬、酷暑嚴(yán)寒、雷電、冰雹、雨雪、沙塵隨時(shí)都有可能對(duì)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生危害，隱患每天都有可能演變成事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)電場的事故多發(fā)期多是在盛風(fēng)發(fā)電期，而由葉片產(chǎn)生的事故要占到事故的三分之一，葉片發(fā)生事故電場必須停止發(fā)電，開始搶修，嚴(yán)重的還必須更換葉片，這必將導(dǎo)致高額的維修費(fèi)用，也給風(fēng)電場帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失。在我國風(fēng)電開發(fā)還處于一個(gè)發(fā)展階段，風(fēng)場管理和配套服務(wù)機(jī)制尚不完善，尤其是風(fēng)電企業(yè)對(duì)葉片的維護(hù)還沒有引起充分認(rèn)識(shí)，投入嚴(yán)重不足，風(fēng)電場運(yùn)轉(zhuǎn)存在許多隱患，隨時(shí)都會(huì)出現(xiàn)許多意想不到的事故，直接影響到風(fēng)電場的送電和經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)對(duì)風(fēng)電場的調(diào)查和有關(guān)數(shù)據(jù)分析，并參閱了許多國外風(fēng)電場維護(hù)的成功經(jīng)驗(yàn)，我們對(duì)風(fēng)電場的日常維護(hù)的必要性有了更深刻的了解。我認(rèn)為，建立良好的葉片正常維護(hù)制度是保證風(fēng)電場效益的基礎(chǔ)，以少量的投入避免巨大的損失、換取最佳經(jīng)濟(jì)效益的最好方式。

3 葉片產(chǎn)生問題的原因及故障分析

葉片產(chǎn)生問題的原因類型，主要分為四個(gè)方面：即設(shè)計(jì)不完善、生產(chǎn)缺陷、自然原因和運(yùn)行不當(dāng)。

（1）設(shè)計(jì)方面的原因：管理層要求降低成本的壓力，未經(jīng)設(shè)計(jì)者批準(zhǔn)就改變生產(chǎn)工藝在葉片生產(chǎn)加工過程中，有時(shí)候生產(chǎn)部門未經(jīng)設(shè)計(jì)部門批準(zhǔn)就私自修改工藝，這樣會(huì)破壞葉片的整體性能。葉片的設(shè)計(jì)要考慮到機(jī)組其他部件的要求與配合，例如，塔架與葉片的間距通常是設(shè)計(jì)葉片強(qiáng)度需要考慮的一個(gè)原因，主軸和軸承的尺寸也會(huì)對(duì)葉片的重量提出要求，如果這些參數(shù)考慮不周就會(huì)使葉片設(shè)計(jì)到達(dá)極限值。在葉片設(shè)計(jì)的任何一個(gè)階段中，實(shí)際運(yùn)行載荷和靜態(tài)載荷總是很難準(zhǔn)確預(yù)測，設(shè)計(jì)不當(dāng)就會(huì)降低運(yùn)行載荷的安全余量，這樣設(shè)計(jì)參數(shù)生產(chǎn)出來的產(chǎn)品因?yàn)榻档桶踩嗔亢苋菀讚p毀，如圖1所示。

（2）生產(chǎn)缺陷：使用不合格的材料，不嚴(yán)格的質(zhì)量控制，擅自修改生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)工藝過于復(fù)雜很難產(chǎn)生質(zhì)量一致的產(chǎn)品都會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)缺陷，如圖2所示。

（3）自然原因：如雷擊、冰、空氣中的顆粒、高速風(fēng)、剪切風(fēng)、惡劣氣候等，如圖3所示。

（4）運(yùn)行和維護(hù)不當(dāng)：如漏油、裂縫、污垢、前緣腐蝕、超額定功率運(yùn)行、失控等，如圖4所示。

4 葉片的維護(hù)

4.1 葉片裂紋維護(hù)

葉片表面的裂紋一般在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行2-3年后就會(huì)出現(xiàn)。裂紋是由低溫和機(jī)組自振所引起的。如果裂紋出現(xiàn)在距葉片根部的8-15米處，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的每次自振、停車都會(huì)是裂紋加深加長。裂紋在擴(kuò)張的同時(shí)，空氣中的污垢、風(fēng)沙乘虛而入，是的裂紋加深加寬。裂紋嚴(yán)重威脅著葉片的安全，可導(dǎo)致葉片的開裂，橫向的裂紋可導(dǎo)致葉片斷裂。

如果出現(xiàn)橫向裂紋，必須采用拉鎖加固復(fù)原法。拉鎖加固復(fù)原發(fā)是指，采用專用的拉筋粘合，修復(fù)回原有的葉片平面。

4.2 葉片砂眼形成與維護(hù)

風(fēng)機(jī)葉片出現(xiàn)砂眼是由于葉片沒有了保護(hù)層所引起的。葉片的膠衣層破損后，被風(fēng)沙抽磨的葉片首先出現(xiàn)的麻面其實(shí)是細(xì)小的砂眼，如果葉片有堅(jiān)硬的膠衣保護(hù)，沙粒吹打到葉面時(shí)可以抵擋也能轉(zhuǎn)移風(fēng)沙的沖擊力，就象風(fēng)沙分別打到鋼板和木版上，所出現(xiàn)砂眼的狀態(tài)肯定是截然不同。砂眼對(duì)風(fēng)機(jī)葉片最大的影響是運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)阻力增加轉(zhuǎn)速降低，砂眼生成后它的演變的速度是驚人的。1.5毫米直徑的砂眼二年后清洗已變成深度5毫米直徑達(dá)10-12毫米，如果此時(shí)是雨季，砂眼內(nèi)存水，麻面處濕度增加，風(fēng)機(jī)避雷指數(shù)就會(huì)降低。針對(duì)砂眼的修復(fù)，以往國內(nèi)采用的是抹壓法，此種方法對(duì)于小砂眼和麻面是有效的，但對(duì)于較深的砂眼，在抹壓的同時(shí)砂眼內(nèi)污垢和空氣氣泡無法排出，存在著治標(biāo)不治本的現(xiàn)象。采用注射法治理修復(fù)葉片砂眼，無論深度多少的砂眼都是從內(nèi)向外堵，使內(nèi)結(jié)面積增大飽和無氣隔。做到表里如一，堅(jiān)硬耐沖擊。

4.3 葉尖的維護(hù)

風(fēng)機(jī)的許多功能是靠葉尖的變換來完成的。葉尖是整體葉片的易損部位，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)葉尖的抽磨力大于其它部位，整體葉片中它又是最薄弱的部位。葉尖是由雙片合壓組成，葉尖的最邊緣是由膠衣樹脂粘合為一體，葉尖的最邊緣近4厘米的材質(zhì)是實(shí)心。目的是增加葉尖的耐磨度和兩片之間的親和力。由于葉尖內(nèi)空腔面積較小，風(fēng)沙吹打時(shí)沒有彈性，所以也是葉片中磨損最快的部位。通過施工標(biāo)記試驗(yàn)證明，葉尖每年都有0.5厘米左右的縮短磨損。葉片的易開裂周期是風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)四至五年后，原因就是葉片邊緣的固體材料磨損嚴(yán)重，雙片組合的葉尖保護(hù)能力、固合能力下降，使雙片粘合處縫隙暴露于風(fēng)沙中。解決風(fēng)機(jī)葉片開裂的問題，就是風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)幾年后做一次葉尖的加長、加厚保護(hù)。與原有葉片所磨損的重量基本吻合，不會(huì)對(duì)葉片的配重比產(chǎn)生任何影響，修復(fù)后的葉尖至少三年后磨回原有葉面，對(duì)阻止葉尖開裂現(xiàn)象的發(fā)生起到?jīng)Q定性作用。

5 結(jié)語

本文對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的故障分析及維護(hù)做了詳細(xì)的過程，風(fēng)輪葉片作為風(fēng)電機(jī)組的一個(gè)部件，與其它零件一樣需要關(guān)注。維持葉片情況良好的方式是檢查和觀察早期問題。如果定期修復(fù)這些問題，可以避免更大、高額費(fèi)用的修補(bǔ)。如果對(duì)小的問題不理不睬，就會(huì)發(fā)展成越來越大損毀。這不僅造成修補(bǔ)費(fèi)用更加昂貴，而且這種損壞通常在有風(fēng)季節(jié)出現(xiàn)，由此影響發(fā)電收入。