如何延長風力渦輪機使用壽命

風力渦輪機設計使用壽命一般為20年，但事實上，通過小型和低成本維修，許多風力渦輪機使用壽命可超過最初設計值。本文介紹了德國風力渦輪機安全評價方法和結果。

由德國風能協會創建的一個工作組制定了風力渦輪機壽命延長評估基本原則，以確保風能可持續利用。這個工作組由制造商、技術專家、運行人員、法律專家和有關當局代表組成，其任務是詳細說明設計壽命結束后風力渦輪機安全運行所需的技術要求。

壽命延長評估原則

為評估渦輪機當前狀態，壽命延長評估通常在運行許可有效期最后一年進行。如果正在考慮分拆渦輪機、或在中期預算規劃，則宜在較早階段進行。通常，初步結果，如是否可繼續運行、何時更換特定部件等不需物理檢查就能得到，并可在以后某個時間點納入壽命延長評估。

確定風力渦輪機是否可超過其設計壽命的評估包括兩部分，這兩部分并行進行。分析和實際評估方面專家在整個過程中相互幫助與配合，在分析評估和現場檢查后，起草一份狀態報告，詳細說明延長使用壽命所需要求，如修理或預防性更換轉子葉片螺栓通常是必要的，因它們是達到其設計負荷極限的第一要素。因此，通過狀態報告可準確計算出延長壽命所涉及的潛在費用。評估結果為衡量繼續運營的機會提供了寶貴資料，對幫助風電場運營商進行決策具有重要的意義。

渦輪機結構的穩定性

安全評估過程中一個關鍵因素是確定風力渦輪機結構的穩定性。驗證結構穩定性所需的測試主要集中在從轉子葉片到基礎的承重部件、安全裝置、制動系統和渦輪控制系統；需計算渦輪機在其使用壽命期間的實際負荷，并將其與設計負荷進行比較。穩定性信息通過計算機模擬完成，模擬反映了型式試驗后的設計情況及環境運行情況。此外，還應對渦輪機進行現場檢查。

環境運行情況包括風電場地特有的風況。為計算運行期間負荷，應利用過去20年運行數據和機艙風速計數據對20年的平均風速、湍流強度和極端風事件數據進行量化。如這些數據已丟失，則使用其他數據集(如，再分析數據集)進行長期推斷。對其它增加了各種容量的風電場，在設計壽命期內要分別計算每個風機及每個風電場布局的湍流。

環境條件和所需文件

在分析評估中，根據渦輪機技術文件和環境運行數據計算可繼續運行的潛在時間段。風電場運營方負責安排評估時間并提交相關文件。文件包括渦輪機制造和調試有關信息、渦輪機運行許可證，維修、檢查和保養報告、運行和生產數據、接線和液壓圖。此外，還需一份記錄最后一年轉子葉片的技術報告。

技術文檔不完整情況經常出現。缺少的證書和技術文件，如制造和調試階段文件可從制造商處獲得。若制造商已不存在，則采用與其他渦輪機進行比較及基于以往經驗的評估來填補知識的空白。

渦輪機的物理檢查

壽命延長評估的實際環節是現場檢查渦輪機物理狀態。在測試和檢查前，分析已有信息和數據，檢查技術文件、報告、天氣和性能數據，以便對渦輪機的測試檢查集中在已有問題和缺陷方面。

物理評估的目的是記錄渦輪機部件和設備的任何損壞或異常磨損。承重和與安全有關的部件要詳細檢查：審核維護記錄，并將渦輪機狀態與技術文檔進行比較；要特別檢查變速箱、其他齒輪或軸承配件是否有腐蝕、明顯裂紋和可疑噪音跡象；此外，對一些特定類型的渦輪機還要進行詳細調查，如某個生產期內質量管理方面已知的問題、某些部件或設計缺陷導致過早的損壞等。

對渦輪機主要部件，如轉子葉片、支承結構和基礎狀態進行仔細評估，建議在損壞嚴重情況下立即關停渦輪機，以免危及繼續運行的安全。然而，大多數檢查結果發現損傷較小，且是由腐蝕、風化和材料疲勞引起，如轉子葉片或電纜需經常維護、風電場周圍環境變化需密切關注、計算湍流時須考慮鄰近位置的膨脹等。

分析評估

在壽命延長計算時，除將工作負荷與設計負荷進行比較外，還要考慮物理檢查的結果。疲勞負荷用模型軟件進行模擬，該模型考慮了場地特定風力條件和設計條件。對所有有助于渦輪結構穩定的承重部件進行檢查：包括塔樓和基礎、螺釘和螺栓、傳動鏈承重部件、輪轂、軸、轉子葉片、制動系統和安全裝置。評估報告給出了到達設計負荷前的剩余時間。此外，根據計算結果，編制一份說明，強調繼續運行所需的立即措施及在規定時間內須采取的措施，如更換零件或個別檢查等。

只要風電場在其設計壽命內運行，且不超過設計條件，就能使材料疲勞損傷保持在規定的安全水平內。TUV SUD經驗表明，許多渦輪機仍可在設計壽命外運行，且不超過這個安全水平。在許多情況下，現場風況使負荷比原計劃要低，因此，渦輪機支承結構往往沒有明顯損壞，通常只需較小和經濟的必要維修。壽命延長評估決定渦輪機是否可繼續運行，并協助管理人員和經營者規劃其資產的未來。

壽命延長評估也可用于計劃維修和預測渦輪機剩余壽命期可能發生的成本。通常在渦輪機設計壽命結束后，在申請延長保單時，服務提供商也會要求進行該評估。