海洋潮流能發電機組安全系統的研究開發

賈法勇， 褚景春， 袁 凌， 王 婷

（國電聯合動力技術有限公司 國家能源潮汐海洋能發電技術重點實驗室， 北京 100039）

0 引言

海洋潮流能是海洋能的重要組成部分， 主要是指海底水道和海峽中較為穩定的海水流動，以及由于海洋潮汐導致的有規律的海水流動所具有的能量[1]。 據統計，全球可開發利用的海洋潮流能資源約為300 GW[2]，[3]。 中國沿岸130 個水道的理論平均功率約為14 GW， 浙江沿岸37 個水道的理論平均功率約為7.09 GW， 其中舟山市的潮流能資源最為豐富，理論總功率約為2.57 GW[3]，[4]。

海洋潮流能在能量密度、穩定性、可預測性和生態環境等方面具有諸多優勢， 是國內外學者的研究熱點[5]。 2003 年，英國MCT 公司研制的300 kW 海洋潮流能發電機組“SeaFlow”開始發電，之后， 世界海洋潮流能發電技術與裝備得到了快速發展[6]，[7]。在“SeaFlow”基礎上，1.2 MW 海洋潮流能發電機組“SeaGen”成功并網運行，為大規模開發利用海洋潮流能展現了美好的前景[6]，[8]。 目前，海洋潮流能發電裝備已經處于樣機測試和示范運行階段，海洋潮流能發電技術基本成熟。英國、荷蘭、法國和加拿大等國均實現了海洋潮流能發電機組的并網運行， 單臺2 MW 漂浮式發電機組已經研制成功[9]。 我國于2010 年5 月設立的“國家海洋可再生能源專項資金” 有力地推動了海洋能利用水平的快速提升[10]。 國電聯合動力技術有限公司依托專項資金的資助而研制的300 kW 海洋潮流能發電機組在舟山摘箬山島進行了為期1 a 的實海況運行，機組運行狀態良好。

由于海洋潮流能發電機組長期在海水中運轉，加之海況條件復雜[5]，[11]，[12]，因此防止海水泄漏、 保證機組安全是最基本也是最重要的要求。在前期的海洋潮流能發電機組海上試驗過程中，發生過海水泄漏的情況，致使機組不能連續運行發電，這也成為制約海洋潮流能發電裝備產業化發展的一個重要因素。研究開發海洋潮流能發電機組安全系統， 阻止海水進入機組內部造成損壞，保證其長期安全運行是至關重要的。 本文為國電聯合動力技術有限公司研制的300 kW 海洋潮流能發電機組設計了一套集密封、報警、視頻與信號監控于一體的安全系統，為機組的長期運行提供了安全保障。

1 300 kW 海洋潮流能發電機組

國電聯合動力技術有限公司研制的300 kW海洋潮流能發電機組采用“水平軸+雙葉片+變速變槳控制+漂浮式基礎”的總體技術路線。 機組在海平面以下12 m 處運行，葉片長度為7.25 m，機組總重為32 t。機組采用270°變槳技術，額定流速為2.0 m/s，切入流速為0.5 m/s。機組連續無故障實海況運行1 a 的時間，期間各項性能指標均優異。

300 kW 海洋潮流能發電機組如圖1 所示。從圖1 可以看出，該發電機組主要包括葉片、輪轂、主軸、齒輪箱、聯軸器、發電機、變槳軸承等主要部件，機組沒有外部封閉機艙，機組外表面直接與海水接觸。 如果沒有可靠的安全系統保障，發生海水泄漏時，海水會直接進入發電機組內部，對輪轂內部元器件、齒輪箱和發電機等重要部件造成危害。 因此，研究開發安全保護系統尤為重要。

圖1 300 kW 海洋潮流能發電機組Fig.1 The 300 kW tidal current energy turbine

2 300 kW 海洋潮流能機組安全系統

300 kW 海洋潮流能發電機組的安全系統由密封保護子系統、泄漏報警子系統、視頻影像子系統和信號監控子系統組成（圖2）。

圖2 300 kW 海洋潮流能發電機組的安全系統Fig.2 The safety system for 300 kW tidal current energy turbine

密封保護子系統主要包括機組靜密封和旋轉動密封，是安全系統的第一道防線，起到隔離海水與發電機組內部結構的作用，防止海水在不同部件的接觸部位滲漏到機組內部。 泄漏報警子系統主要包括海水泄漏傳感檢測部件，可對密封報警子系統進行實時監測，如果海水滲漏到發電機組，就會觸發報警裝置發出報警信號。 視頻影像子系統設置在潮流能機組內部關鍵位置，對機組內部的運行狀態進行實時視頻觀測與成像處理，并能直觀觀測機組內部是否有海水滲入。 信號監控子系統是安全系統的樞紐， 可對泄漏報警子系統和視頻影像子系統的運行狀態進行實時監控， 對安全系統的信號、數據進行采集和分析。

3 機組安全系統

3.1 密封保護子系統

密封保護子系統主要包括靜密封和旋轉動密封。其中，靜密封主要是指設置在發電機組不發生相對運動的接觸部件之間的靜密封圈， 包括主軸與輪轂、齒輪箱與聯軸器艙、聯軸器艙與發電機、發電機與接線艙、接線艙與艙蓋、以及導流罩與輪轂、輪轂與變槳軸承、變槳軸承與葉片等連接部位的靜密封圈。 密封保護子系統的靜密封采用雙道密封圈， 在機組部件接觸面連接螺栓的內外圓周各設置一道密封圈，既提高了密封的可靠性，又起到對螺栓的保護作用。 旋轉動密封是指設置在發電機組有相對運動的接觸部件之間的動密封結構，包括齒輪箱與主軸之間以及變槳軸承內、外圈之間的旋轉動密封。相對于靜密封而言，旋轉動密封的設計難度更大。

3.1.1 齒輪箱與主軸之間的旋轉動密封

齒輪箱與主軸之間的旋轉動密封的作用相當重要，一方面防止海水泄漏到齒輪箱，另一方面防止齒輪箱潤滑油泄漏到海水里， 對齒輪箱造成損壞，進而影響發電機組的安全運行。 如圖3 所示，300 kW 海洋潮流能發電機組具有5 道密封。外側第1 道密封防止海洋中的雜質顆粒物， 第2 道與第5 道密封主要通過保壓和油脂回路進行密封。第2 道與第3 道密封之間形成油腔1， 第3 道與第4 道密封之間形成油腔2， 外部潤滑油進入油腔形成一定的壓力， 利用油腔的壓力有效阻止了海水的滲入。第4 道密封為反裝，在第4 道與第5道密封之間形成油腔3， 多余潤滑油在油腔3 匯聚并被吸出。第5 道密封防止齒輪箱泄漏潤滑油，并防止泄漏的海水進入齒輪箱。

圖3 齒輪箱與主軸之間的旋轉動密封Fig.3 The rotary sealing between gearbox and principal shaft

3.1.2 變槳軸承內、外圈之間的旋轉動密封

300 kW 海洋潮流能發電機組的葉片能夠通過270°變槳技術， 實現對雙向海流能的高效捕獲。葉片變槳動作是通過變槳軸承來實現的，變槳軸承外圈結構固定于輪轂上，內圈安裝葉片，內外兩部分能夠相對轉動。變槳軸承內、外圈之間的旋轉動密封的作用是阻止海水通過內、 外圈之間的縫隙進入輪轂，對輪轂內部元器件造成危害，進而影響發電機組的安全運行。如圖4 所示，變槳軸承內、外圈之間設計了3 道密封，以阻止海水進入輪轂。外側第1 道密封除了隔離海水外，還起到防止海水中雜質進入變槳軸承的作用。 第2 道密封起到加強防護的作用。第3 道密封反向安裝，防止變槳軸承潤滑油的滲漏。 在變槳軸承第1 道密封與第2 道密封之間，設計了壓力監測通道。

圖4 變槳軸承內、外圈之間的旋轉動密封Fig.4 The rotary sealing between internal and external parts of pitch bearing

3.2 泄漏報警子系統

由于機組主軸和葉片一直在不停地旋轉運動，旋轉動密封不可避免會發生磨損，長時間的磨損可能會導致密封作用失效。因此，在這兩處旋轉動密封中設計了泄漏報警傳感裝置來預警動密封作用的失效。其中，齒輪箱與主軸之間的旋轉動密封報警采用監測動密封潤滑油位的技術來實現。動密封潤滑油通過供油管路以一定的壓力注入油腔1 和油腔2， 多余的潤滑油在油腔3 通過回油管路吸收回油箱，形成循環回路（圖3）。 如果發生泄漏， 一方面海水可能通過回油管路進入潤滑油箱，使得潤滑油位增加；另一方面，潤滑油會泄漏到海水里，使得潤滑油位快速下降。通過監測潤滑油位的變化情況進行泄漏報警， 當油位達到設定的最高或最低限值， 泄漏報警傳感裝置就會發出報警信號。葉片變槳軸承內、外圈之間的旋轉動密封報警采用監測通道內壓力變化的技術來實現。如果旋轉動密封的密封作用失效， 海水突破第一道密封防線， 那么壓力監測通道內的壓力就會逐漸達到發電機組運行位置處的海水壓力； 如果壓力達到最高限值，就會發出報警信號，警示第一道密封的密封作用已經失效。

3.3 視頻影像子系統

由于潮流能發電機組長期在海水中運行，機組內部的運行狀態無法直接觀察到。 為此，300 kW 海洋潮流能發電機組配置了水下視頻影像系統， 對發電機組內部須要重點關注的部件， 實施24 h 不間斷視頻觀測。 圖5 為300 kW 海洋潮流能發電機組水下運行時， 機組內部運行的視頻影像。300 kW 海洋潮流能發電機組在輪轂內部變槳部位、 聯軸器連接部位和尾部接線艙高速軸部位均設置了水下視頻影像裝置， 能實時直觀地觀察到發電機組的運行情況。

圖5 機組內部水下視頻影像Fig.5 The undersea video image inside of turbine

3.4 信號監控子系統

信號監控子系統是對包括齒輪箱與主軸之間的旋轉動密封報警信號、變槳軸承內、外圈之間的旋轉動密封報警信號、 視頻影像信號以及其他為了發電機組安全運行而設計的安全系統報警信號實施不間斷監控的系統平臺。300 kW 海洋潮流能發電機組的信號監控子系統的主要作用包括以下方面。

①數據采集與儲存。 對密封泄漏報警信號、視頻影像信號以及其他安全報警信號的數據進行不間斷采集并儲存在系統平臺內，以便查詢、處理和分析。

②實時監控。 實現在海上平臺監控室對安全系統進行信號監測與狀態控制，具有及時性、連續性和不間斷性等優點。

③統計查詢。 能夠繪制實時數據曲線或指定時間段內的數據曲線，查詢、分析實時數據和歷史趨勢。

④遠程監控。 通過計算機網絡通訊，實現在中央監控中心對安全系統進行信號監測與狀態控制的功能。

4 整機密封性試驗

海洋潮流能發電機組在下海運行前必須進行整機密封性試驗，300 kW 海洋潮流能發電機組采用向機組內部充壓的方法進行試驗。 機組密封性試驗過程如圖6 所示。 在機組葉片根部法蘭和尾部接線艙法蘭各預留一個充氣孔，在機組的前后位置同時加壓，以保持機組內部各個部分壓力的均衡。

圖6 300 kW 海洋潮流能機組的密封性試驗Fig.6 The sealing test for 300 kW tidal current energy turbine

充壓介質為清潔空氣。 試驗過程分為充壓和泄壓兩個階段。 其中，充壓階段采取壓力分階段緩慢上升方法， 速率以每5 min 壓強升高不超過0.01 MPa 為宜。 每次升壓均為試驗壓力的10%，每次保持時間不少于30 min；如無異常，直至升至最高試驗壓力，保持時間不少于180 min。 每次保壓階段，檢查壓力是否變化，以及發電機組是否有其他異常。 保壓期間不得采用連續加壓的方式來維持試驗壓力不變。 在泄壓階段，首先將壓力下降至0.85 倍的試驗壓力， 保持時間不少于60 min；在泄壓時嚴禁使用快速排氣的方法，以免發生危險。 最高試驗壓力應該至少不低于潮流能發電機組長期運行位置海水壓力的1.5 倍。

300 kW 海洋潮流能發電機組的密封試驗過程中，機組的密封保護子系統沒有泄漏發生，泄漏報警子系統、 視頻影像子系統和信號監控子系統的監控信號均正常， 達到了機組實海況運行的安全要求。

5 結論

本文為300 kW 海洋潮流能發電機組開發了集密封、 報警、 視頻與信號監控于一體的安全系統。 機組實海況安全運行了1 a 的時間，期間各項性能指標均優異，機組的密封保護子系統、泄漏報警子系統、 視頻影像子系統和信號監控子系統均工作正常。 實海況運行表明，300 kW 海洋潮流能發電機組的安全系統是可靠的。 為300 kW 海洋潮流能發電機組開發的安全系統及相關技術，可以應用于其他海洋能發電機組的安全運行保護，為海洋能發電機組的長期、 穩定發電運行提供了技術支持。