風力發電機組的風沙危害及防風沙措施探討

陳亮亮，王 佳，楊麗薇，韓 源，高立剛

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

近年來，風能資源的開發利用已經受到世界各國的高度重視。風能作為一種無污染、可再生的優質資源，已經成為世界各國的戰略選擇。中國幅員遼闊，風能資源儲量巨大，今后必將成為能源結構中一個重要的組成部分。

目前，隨著風力發電工程的大面積鋪開，在全國各地的高原、山嶺、戈壁、荒漠、近海等處，都能見到風力發電機組的身影。這些復雜的地形地貌造成了不利的環境條件，包括：低溫、冰凍、風沙、雷擊、地震、腐蝕等，給風電機組的運行帶來了不小的影響。這些環境條件中以風沙的危害最為常見和突出，是陸上風電機組在設計時最為關切的因素。

1 風沙危害

1.1 風沙對機電設備的危害

眾所周知，風沙對機電設備的危害大致分為以下幾個方面：

(1) 沙塵堆積在電氣開關、電磁鐵芯等處，形成集塵效應，可能造成器開關誤動、電磁鐵動作不穩定，輕則影響設備的正常操作，重則造成二次回路短路引發事故。

(2) 沙塵進入傳動部件的潤滑脂中，會加劇旋轉機械的磨損，降低軸承的使用壽命，影響傳動部件的正常運動機能。

(3) 沙塵附著在冷卻系統的過濾裝置上，會極大地影響散熱效果，致使設備運行溫度過高，易發生火災或者設備高溫停機。

(4) 風沙中的砂石沖擊打磨設備外表面，損壞設備表面漆層，產生外漆面的打磨效應，損壞絕緣層的釉質，不但影響電氣設備的外觀，更主要影響電氣絕緣性能。

1.2 風沙對風電機組的影響

風電機組是一類特殊構造的機電設備，主要由葉片、輪轂、機艙、塔筒等組成。風電機組需要通過捕捉和吸收風能才能發電，所以更易受到風沙的影響。

根據工程經驗，風沙對風電機組的影響主要集中在以下幾個部位：

(1) 對葉片的影響

葉片是風電機組的關鍵部件，是保證機組發電量的重要因素。在挾沙風的作用下，葉片非常容易受到風沙的沖蝕，使其表面出現“沖蝕坑、裂紋及纖維布漏出”等現象，導致整套機組在運行時會出現雜音、阻力及噪聲。沖蝕坑在雨季的積水會增加葉片遭受雷擊的概率，極端情況下的雷擊會導致葉片的破裂或斷裂。以上影響不僅縮短了葉片的使用壽命，也增加了運營維護成本。

(2) 對輪轂的影響

輪轂是風電機組的重要部件，輪轂中的變槳系統通過控制葉片的角度來控制葉輪的轉速，進而控制機組的輸出功率。變槳系統的軸承一旦進入風沙，將會逐漸和潤滑油脂混合在一起，造成軸承滾道和滾子的損傷，加速軸承失效。

(3) 對機艙的影響

機艙是風電機組的核心部件，艙內設備主要包括齒輪箱或變流器、發電機、控制系統的電力電子元件等。機艙的罩殼作為艙內設備抵抗惡劣環境的保護殼，同時也為維護人員提供安全封閉的操作空間，其重要程度不言而喻。機艙如果被風沙滲透，將有可能造成齒輪箱的輪齒損傷和軸承損壞、發電機短路故障、變流器功率模塊的損壞、控制系統的失靈和告警。

(4) 對塔筒的影響

塔筒在風電機組中主要起支撐作用，同時能夠吸收機組的震動。大風裹挾著沙塵，高速沖擊打磨塔筒的外表面，給塔筒表面的防護涂料造成磨損和損傷，失去涂層保護的塔筒極易出現銹蝕，久而久之會造成塔筒的力學性能下降，極端情況下甚至會使局部喪失承載能力，為事故埋下隱患。

塔筒門的開閉機構及門鎖裝置，也有可能因為沙塵的侵蝕而出現阻塞、失效的現象，給維護人員帶來諸多不便。

(5) 流動沙丘的影響

流動沙丘是分布最廣的沙丘之一，流動沙丘的特征為地表植被稀少、沙丘形態典型，在風力的作用下，容易順風向移動。

風電機組的塔筒如果被流動沙丘淹沒，會阻礙運維人員的正常檢修，其過高的丘頂還會影響葉片的正常運轉，沙丘的移動也有可能造成基礎的不均勻沉降，破壞機組的運行穩定性。

箱式變電站如果被流動沙丘淹沒，變電站的整體散熱性能會極大下降，電氣設備的絕緣距離也會因不足而發生接地事故。

集電線路如果被流動沙丘淹沒，在沙丘達到一定高度后，滑動的沙土會對埋沒的桿塔產生一定的壓力(沖力)，當壓力(沖力)超過桿塔組件的設計承受荷載時，桿塔整體或組件會發生變形或破壞。

對于生產運營單位來說，每年都需要對受損的電氣設備和桿塔組件進行維修和更換，這些損失極大地增加了運營的成本。

2 防風沙措施

根據多年的設計經驗，結合風電機組制造廠的生產經驗和以往工程的運行經驗，風電機組的防風沙措施，必須從機組設計之初就予以考慮，這樣才能從根本上避免和克服風沙對機組的影響。

針對風電機組不同部位的防治措施，應從密封工藝、涂裝工藝、結構設計和“四新”應用4個方面來考慮，具體內容劃分如表1所示。

表1 不同部位沙塵防治的基本措施表

2.1 葉片的防風沙措施

葉片應采用耐候性能和力學性能優良的面漆，如聚氨酯材料，在柔韌兼顧的同時，具有抗紫外線輻射、耐酸、耐堿、耐鹽霧等特性，使葉片不易受到污染物和沙塵的沖蝕。

葉片的前緣更易受到風沙的侵蝕，可以采用高性能保護漆或增大涂料厚度，以保證葉片前緣免受風沙的沖蝕。

2.2 輪轂的防風沙措施

輪轂的罩殼應采用流線型設計，阻力較小，一定程度上可以減弱砂石的磨損。

輪轂中的變槳軸承應采用可靠的密封工藝，如雙唇口密封，以防止沙塵或雜質的入侵。

輪轂的罩殼與其他部件的連接和旋轉部位可以增加尼龍毛刷或翻邊雨眉，以阻擋風沙的入侵，不但成本低廉，而且安裝簡單、效果明顯。

2.3 機艙的防風沙措施

機艙的罩殼也應秉承流線型設計原則，以減弱砂石的磨損。

機艙內的散熱通道應采用專門設計，不應形成空氣對流，對于沒有齒輪油冷卻系統的機組來說，可以采用全密封設計，以保持艙內清潔。

機艙內的發電機應選用不低于IP54的防護等級，發電機過渡連接部位應設置接觸式密封板。

機艙內的液壓系統應采用專門設計，如閉式結構，以保證系統內部與外界沙塵的隔絕，長時間保持油液的清潔度，保證了其使用壽命。

機艙內的齒輪箱通氣部位應加裝可靠的防塵裝置，防止沙塵因空氣流通混入箱體內部。

機艙內的控制系統各元器件均應安裝在密封箱或者密封性能良好的盤柜內。

2.4 塔筒的防風沙措施

塔筒的防護涂料應選用韌性較好的涂料，如環氧漆，配合聚脲彈性體，能夠吸收沙塵對塔筒表面的沖擊，有效防護沙塵對塔筒的沖蝕。

塔筒門及通風孔應采用專門設計，安裝防塵罩或采用防塵材料，以實現多級過濾，有效降低沙塵從機組底部侵入的可能性。

2.5 流動沙丘的專項措施

對于處于流動沙丘活動范圍內的風電機組，首先應采取抬高基礎的方法保護機組，其次根據當地環保政策，可在典型移動沙丘的緩坡面種植灌木、陡坡面種植高桿植物，以減小沙丘的移動。

3 典型案例

項目地點：內蒙古錫林郭勒盟。

項目環境：項目所在地風沙較大，空氣中沙塵含量高，沙塵暴較頻繁。

解決方案：葉片防護材料采用高質量面漆；輪轂采用雙唇口密封的方式；機艙罩接縫、塔筒各段間的接縫均采用舌形密封膠條；傳動與靜止部件縫隙采用針對性密封解決方案，滿足沙塵環境下機組穩定運行；低轉速外轉子永磁同步發電機+氟硅橡膠全防護定子，避免微小沙塵對發電機的影響；通風散熱系統采用折疊式過濾網，通風面面積大，風阻小，有效阻隔沙塵。

運行效果：機組可利用率達98%以上，可利用小時數達到設計結論(排除限電因素)。

項目經驗：該項目機組在大風沙極端氣候條件下能夠正常發電，沒有發生由于沙塵原因停機的現象，保證了機組的正常運行，保障了業主的發電量。

4 新技術的應用及相關措施

隨著密封工藝和涂裝工藝的發展，一些新技術也在防風沙領域中嘗試應用，如高彈性涂料、全密封軸承技術和微正壓密封技術等。

(1) 高彈性涂料：槳葉和塔筒的外壁可采用丙烯酸樹脂或聚脲涂料等作為面漆，雖然增加了一定的成本，但具有優異的理化性能，如抗拉強度、伸長率、柔韌性、耐磨性等。

(2)全密封軸承技術：輪轂和機艙的軸承可采用密封防護罩，靜止部件采用密封膠封堵，最大限度地保證運動部件的潤滑和清潔。

(3)微正壓密封技術：機艙和塔筒可增設微正壓裝置，使機艙和塔筒內的空氣壓力始終保持在略微大于外界環境壓力的狀態，致使沙塵不得侵入。

除以上幾點，各個風電機組廠家還在大力研發更加安全、更加可靠的其他防風沙新技術。

5 結 語

綜上所述，采用了防風沙措施的風電機組相較未做防護的風電機組，具有更高的發電量和更低的故障率，使得機組在大風揚沙、移動沙丘乃至沙塵暴等不利條件下都能有相對良好的運行表現。

需要注意的是，進行風電場整體布置時，應當盡量避免選擇沙漠或者流動沙丘地帶；電氣設備外殼防護等級的選擇應與環境條件相適應，不可一味追求高標準；同時呼吁國家或行業盡快出臺風電場的防風沙設計規范及標準，為今后大型風電場或風電基地的設計提供更加權威、可靠的依據。