甘肅風(fēng)電開發(fā)氣象災(zāi)害因素研究

趙 斌，陳紅寶，王嘉媛

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

甘肅省風(fēng)能資源豐富，風(fēng)能總儲量居全國前列。截止2018年，已建風(fēng)電場總裝機(jī)規(guī)模1281.28萬kW，全省14個市(州)中有8個已建設(shè)風(fēng)電場。而甘肅省地形復(fù)雜多樣，大致以黃河為界，分為河西、河?xùn)|兩部分。河西地區(qū)亦稱河西走廊，主要是戈壁、沙漠，為溫帶大陸性干旱氣候；河?xùn)|地區(qū)，由甘南高原、隴南山地、中部黃土高原與丘陵組成，為亞熱帶季風(fēng)氣候、溫帶季風(fēng)氣候和高原山地氣候。

經(jīng)多年研究[1- 2]，影響風(fēng)電場安全運(yùn)行的氣象災(zāi)害因素主要有沙塵暴、極端低溫、雷電、積冰等。由于甘肅前期風(fēng)電開發(fā)主要集中在河西地區(qū)，地形、氣候情況單一，氣象災(zāi)害較少發(fā)生，對災(zāi)害性天氣的影響研究不多。隨著風(fēng)電開發(fā)延伸到河?xùn)|地區(qū)，地形、氣候情況變得多樣，因此有必要對氣象災(zāi)害因素進(jìn)行特征分析，并結(jié)合實例對影響程度進(jìn)行分析評估，總結(jié)經(jīng)驗及對策，為后續(xù)風(fēng)電開發(fā)提供參考。

1 災(zāi)害性天氣特征

1.1 沙塵暴

沙塵暴是甘肅最常見的一種災(zāi)害性天氣，據(jù)多年長系列資料統(tǒng)計[3]，甘肅的沙塵天氣主要出現(xiàn)在河西地區(qū)和蘭州、白銀等市，其中酒泉與武威是兩個頻發(fā)中心，省內(nèi)其余地方發(fā)生較少。敦煌出現(xiàn)沙塵日最多，年平均46.5d，其次為武威44.6d、高臺32.7d。最少的是甘南、隴南等地，年平均不足1d。

沙塵暴可能會對風(fēng)機(jī)葉片造成磨損，影響風(fēng)機(jī)出力或造成風(fēng)機(jī)停機(jī)等。在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計時對防風(fēng)沙有充分考慮：機(jī)艙有可靠的密封結(jié)構(gòu)，阻止沙子進(jìn)入；葉片表面設(shè)有耐磨層，防止風(fēng)沙磨損。1997年玉門最早建成的4臺風(fēng)電機(jī)組，已正常運(yùn)行23年。周邊新疆、內(nèi)蒙等地建設(shè)更早的風(fēng)電場，也都經(jīng)受了風(fēng)沙的考驗，未見因為沙塵暴影響風(fēng)電機(jī)組安全的報道。

1.2 極端低溫

一般情況下[4]，風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行溫度為-10℃～+40℃，生存溫度為-20℃～+50℃。甘肅大部分地區(qū)為寒冷地區(qū)，根據(jù)氣象站長系列觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，河西地區(qū)極端低溫均低于-20℃，大部分在-30℃左右，最低的是馬鬃山為-37.1℃，最高的是肅北為-25.5℃；河?xùn)|地區(qū)的隴南、天水大部分區(qū)域極端最低溫度高于-20℃，其余市州極端最低溫度基本在-25℃左右，最低的是康樂為-32.2℃，次之是定西為-29.7℃。

甘肅境內(nèi)風(fēng)電場基本都存在極端低溫低于正常要求的情況。極端低溫對電氣設(shè)備、結(jié)構(gòu)材料性能影響較大，低溫使油體粘度增大，進(jìn)而影響軸承、液壓系統(tǒng)等。針對極端低溫情況，行業(yè)內(nèi)已建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[5]，設(shè)計低溫型風(fēng)機(jī)，將運(yùn)行極端溫度降低到-30℃，生存溫度降低至-40℃，并在設(shè)備、材料選擇上采用適合低溫的材料。

1.3 雷暴

甘肅為全國雷暴日數(shù)出現(xiàn)較少的區(qū)域，河西大部分地區(qū)雷暴日數(shù)小于10d，雷暴天數(shù)超過40d的只有甘南州的合作、碌曲、瑪曲、卓尼、臨潭以及定西岷縣6個測站，最長的是合作為54.6d，其次為瑪曲為51.8d。一方面，這些地方尚不具備風(fēng)電場建設(shè)的資源條件；另一方面，目前已有完善的防雷接地措施，故雷暴對甘肅風(fēng)電場安全運(yùn)行影響不大。

1.4 積冰

積冰也稱覆冰，是雨凇、霧凇或雪凇(也稱濕雪)凍結(jié)在物體上形成的[6]。甘肅有8個氣象站長時間觀測積冰，積冰情況統(tǒng)計見表1。其中華家?guī)X積冰最嚴(yán)重，烏鞘嶺次之，再之為西峰，河西地區(qū)積冰出現(xiàn)幾率很低。

表1 甘肅8個長期測站近30年電線積冰情況統(tǒng)計表

注：*未達(dá)到觀測要求。

積冰會對風(fēng)電場安全運(yùn)行帶來危害，也會影響發(fā)電效益。甘肅風(fēng)電開發(fā)前期主要在河西地區(qū)，積冰災(zāi)害并不嚴(yán)重。但隨著河?xùn)|地區(qū)風(fēng)電的開發(fā)，積冰問題逐漸顯現(xiàn)，并且影響較大。下面結(jié)合工程實例，對其成因、影響及對策進(jìn)行詳細(xì)分析。

2 風(fēng)電場積冰因素分析

甘肅某風(fēng)電場位于烏鞘嶺余脈的山區(qū)，場址地貌類型為侵蝕剝蝕低中山，地形起伏較大，沖溝發(fā)育，地面海拔高程2600～3050m之間，相對高差達(dá)400m。工程包括風(fēng)電機(jī)組、架空集電線路、110kV升壓站變電站等，2016年9月全部建成投產(chǎn)。

2.1 積冰情況

風(fēng)電場自建成以來，每年入冬和倒春寒時均會發(fā)生較嚴(yán)重的積冰情況，具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2。

其中2017年4月初發(fā)生的一次積冰持續(xù)時間最長，也最為嚴(yán)重，架空集電線路冰凍嚴(yán)重。通訊光纜、導(dǎo)線積冰過厚導(dǎo)致墜地、斷裂。鐵塔絕緣子覆冰嚴(yán)重導(dǎo)致短路跳閘，塔身覆冰嚴(yán)重危害鐵塔安全。鐵塔上積冰最厚處超過200mm。導(dǎo)線積冰可測量處最大直徑約120mm(含導(dǎo)線直徑17mm)，積冰里側(cè)近似毛玻璃，無空隙，較堅硬，厚度約11mm，為雨凇；外側(cè)白色不透明，空隙較多，較松軟，厚度約40mm，為雪凇。

表2 甘肅某風(fēng)電場積冰日數(shù)統(tǒng)計表 單位：d

注：6—9月未發(fā)生積冰。

2.2 氣象因素分析

2.2.1現(xiàn)場氣象觀測情況

2017年4月7日，風(fēng)電場區(qū)域陰小雨，溫度-7℃～5℃，風(fēng)機(jī)處平均風(fēng)速3.7m/s。8—10日雨夾雪，溫度-8℃～4℃，風(fēng)機(jī)處平均風(fēng)速3.4m/s(9日晚風(fēng)速儀凍結(jié))，現(xiàn)場實測濕度大于92%。

2.2.2氣象站觀測情況

由于現(xiàn)場氣象要素觀測不完善，將風(fēng)電場附近的烏鞘嶺氣象站觀測資料作為重要參考，統(tǒng)計了2017年4月7日—10日的氣象參數(shù)，見表3。

表3 烏鞘嶺氣象站氣象參數(shù)表

2017年4月7日下午17時開始至4月10日，相對濕度均為100%，氣溫大部分在零度以下，風(fēng)速在4.5m/s左右，并且有降水。

2.2.3氣象因素與積冰

積冰的形成與氣溫、相對濕度和風(fēng)速關(guān)系密切[7- 9]。一般認(rèn)為北方地區(qū)氣溫在-10℃～0℃，相對濕度70%以上，平均風(fēng)速≤6m/s最有利于冰凍的產(chǎn)生。在入冬和倒春寒，氣溫下降時遇大霧或小雨加雪，首先在導(dǎo)線上形成雨凇，若降水持續(xù)，氣溫繼續(xù)下降，大概率形成濕雪，在粘結(jié)強(qiáng)度很高的雨凇冰面上迅速增長，積冰情況嚴(yán)重加劇。現(xiàn)場情況及氣象站的資料也是驗證了這一點。

2.3 地形因素分析

地形條件也會影響積冰[10]。相對高差較大的山地、風(fēng)口和迎風(fēng)坡，線路走向與風(fēng)向大角度相交，都是影響積冰加劇的因素。本項目是山地風(fēng)電場，風(fēng)機(jī)都布置在山脊或山頂上，通過架空集電線路將風(fēng)機(jī)串接連到山腳處的升壓站。現(xiàn)場情況看，埡口、東西向山脊上(主風(fēng)向為北風(fēng))的架空線路積冰明顯比迎風(fēng)坡處嚴(yán)重，背風(fēng)坡及山腳處積冰最輕。

3 風(fēng)電場積冰影響

3.1 對架空集電線路的影響

線路覆冰直接危害就是導(dǎo)線、金具和桿塔負(fù)載。在相同情況下，隨著覆冰厚度的增大，桿塔所受的荷載也成比例增加[11]，甚至更高。

嚴(yán)重的覆冰會導(dǎo)致導(dǎo)線、電纜斷裂，桿塔倒塌和金具損壞。在設(shè)計時需要加大導(dǎo)線截面，提高安全系數(shù)，減小桿塔檔距，這將加大項目的投資。

桿塔絕緣子在覆冰后，容易被冰凌橋接引起絕緣子閃絡(luò)。導(dǎo)線在覆冰后也容易弧垂增大，對地間距減小，兩根導(dǎo)線或?qū)Ь€與地之間可能相碰，會造成短路跳閘等事故，造成線路不能正常運(yùn)行而損失發(fā)電量。

3.2 對風(fēng)電機(jī)組的影響

風(fēng)機(jī)覆冰影響主要是對葉片，輕微的覆冰會增大葉片的重量，降低風(fēng)電機(jī)組出力水平。嚴(yán)重的覆冰會使葉片上的冰載不盡相同，機(jī)組的不平衡載荷增大，為安全起見，一般只能選擇停機(jī)。因此，風(fēng)機(jī)覆冰會嚴(yán)重影響到風(fēng)電場發(fā)電量。

3.3 積冰影響發(fā)電量統(tǒng)計

風(fēng)電場受積冰影響損失發(fā)電量統(tǒng)計見表4，嚴(yán)重的積冰會對風(fēng)電場收益產(chǎn)生較大影響。

表4 某風(fēng)電場受冰凍損失發(fā)電量統(tǒng)計

4 風(fēng)電場積冰對策思考

目前，甘肅乃至全國氣象站對積冰的觀測分布不均，不能滿足風(fēng)電場開發(fā)對積冰災(zāi)害性分析的需求。而積冰在很大程度上受到“微地形、微氣候”的影響，氣象站的觀測資料有時并不能完全反映風(fēng)電場的情況，統(tǒng)計烏鞘嶺氣象站2017、2018年積冰觀測數(shù)據(jù)見表5，發(fā)現(xiàn)風(fēng)電場發(fā)生冰凍的嚴(yán)重程度及日期與氣象站的觀測數(shù)據(jù)并不完全吻合。

表5 烏鞘嶺氣象站2017、2018年積冰觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

甘肅河?xùn)|地區(qū)是風(fēng)能資源富集區(qū)，更多的是由地形因素形成的，如華家?guī)X地區(qū)、烏鞘嶺地區(qū)和環(huán)縣北部地區(qū)，這些地區(qū)與周圍相對高差較高，氣流經(jīng)過時爬坡加速，使得風(fēng)速增大。而這種地形正好也是易積冰的因素，因此在風(fēng)電場開發(fā)時更需要重視微地形的影響。

在項目前期不但要充分收集氣象站的冰凍資料，還應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場踏勘，看是否存在易冰凍的微地形，也可選擇入冬或倒春寒的時間去現(xiàn)場調(diào)研。在天水西秦嶺山區(qū)的風(fēng)電場踏勘時，就曾發(fā)現(xiàn)山頂有冰掛的情況，而附近的氣象資料中并沒有積冰的記錄。

在架空線路設(shè)計時，可加強(qiáng)導(dǎo)線及桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計，或者采用電纜直埋的方式，保證安全運(yùn)行，但這也會增加項目的投資。葉片除冰，目前尚無有效的技術(shù)，只能通過風(fēng)電場的運(yùn)行去應(yīng)對，輕微時降功率運(yùn)行，嚴(yán)重時停機(jī)以保證風(fēng)機(jī)安全。在建設(shè)前期發(fā)電量計算時要充分考慮這方面的折減，做好項目的經(jīng)濟(jì)可行性評價。

5 結(jié)語

甘肅常見的災(zāi)害性天氣主要有沙塵暴、極端低溫、雷電、積冰。在河西地區(qū)，沙塵暴、極端低溫較為嚴(yán)重，在河?xùn)|地區(qū)雷電、積冰情況較為嚴(yán)重。針對沙塵暴、極端低溫和雷電影響，在風(fēng)機(jī)制造、風(fēng)場設(shè)計時已有成熟方案，在風(fēng)電場建設(shè)時嚴(yán)格按氣象參數(shù)選型，其危害性將得到有效控制。但積冰的影響，目前尚無有效的措施消除，項目建設(shè)時應(yīng)充分考慮其危害性，避免出現(xiàn)安全運(yùn)行事故或投資決策失誤。