7.12研讨会:分布式电站环境特点及材料要求

【简析】风机如何抵抗台风

知乎专栏 T中

  我国海上/岸风电建设正面临全面提速,然而我国位于太平洋西侧,是受台风影响最为严重的国家之一。频频袭扰的台风对海上风场来说实是一把双刃剑,强度较弱的台风可以给风场带来较多的“满发”小时数,增加发电量,提高风场经济效益;然而,强度较强的台风将给风场带来极大的破坏。为更好地开发利用我国近海区域的风能资源,如何降低台风对风场带来的灾害,将是海上/岸风电发展亟需考量的问题。

  一、风机抗台风技术的研究现状

  2004年,日本新能源和产业技术综合开发机构开始对风机抗台风设计技术进行了为期3年的研究。该研究成果后来成为指导日本风电发展的技术指南,内容涵盖了载荷测试、极端风图谱、极端风速数据库以及风电场场址评估和机组选型指南等内容。

  2005年,丹麦和菲律宾、越南等东盟国家合作开展了名为“EU-ASEANwindproject”的研究项目,研究在上述国家台风频发地区开发风电的技术可能性和对策。该项目初步研究了台风地区风机结构的安全性设计要求,对安全系数的提高导致的机组成本增加做了初步分析。

  2010年,美国船级社就飓风环境下的海上风电场和海上风电机组的设计技术开展了研究,推荐采用美国石油协会的标准模型作为飓风地区的海上风电机组设计载荷计算模型。

  我国在中欧能源与环境合作项目“台风对近海风电开发的影响研究”项目的基础上,吸收国内风电场的台风事故经验,就我国近海台风登陆情况、台风影响下的极端风速分布以及台风的破坏机理等做了系统性的分析和研究,并完成了《台风型风力发电机组》国家标准的编制工作。


  二、风机如何能抗得住台风

  可以从风机抗台风设计、风场运维管理等方面,提高风机的抗台风能力。

  2.1、风机抗台风设计

  (1)避免整体倾覆

  抗台风设计应避免整体倾覆这种颠覆性破坏。为有效规避颠覆性破坏,应进行结构抗台风设计,依据场地实测台风风速时程进行结构随机动力响应分析,获取较为准确的动力放大系数。如果不具备条件,则应考虑台风风速的强非平稳性,提出适合台风风速的动力放大系数确定方法。一般基础、塔筒、机舱、轮毂、叶片的安全系数依次降低。通过提高支撑结构(塔筒与基础)的安全系数,降低塔筒破坏、整体倾覆的概率,以避免倾覆性破坏带来的巨大损失。

  (2)应对瞬变风速

  风向的瞬时变化值对风机安全性有重要的影响。当台风经过时,通常会带来较大的风速,有利于海上风机的发电运行,但风向的大范围变化给海上风机的运行带来困难。因此,设计海上风机时,应结合风机的运行状态,考虑风向、湍流和变桨、偏航等控制参数,进行综合分析。这也是风机抗台风设计的关键内容之一。

  (3)叶片优化设计

  在各风场损坏的叶片当中,叶根折断较多,局部脱落亦不少。为减少台风对风机尤其是对叶片造成的损伤,可以采取以下措施:针对主梁与翼壳之间粘结强度不够问题,采取对叶片后翼连接加设铆固装置等;对叶片局部构造改进;在叶片生产过程中,应进一步加强叶片局部缺陷的检测力度,以增强叶片的抵御台风的能力;改进叶片用材,提高其抗极限强度和抗疲劳强度计数能力。

  (4)智能偏航装置

  开发智能偏航装置,即使机组停止运行,也能对机舱进行偏航控制来减少机组所承受的风力,从而使机组的设计可承受强台。风目前日本已设计出智能偏航控制装置,用以降低强风所增加的机组载荷。该装置的应用可使强风来临时叶片和塔架负载分别降低25%和30%,从而提高风力机的可靠性。

  2.2、风场建设运维管理

  (1)合理选址

  风场的合理选址应避免诸如小山陡峭处、障碍物多,严重不均匀地形等高湍流强度区。

  (2)风场建设

  在台风区域修建风场,建议使用地埋电缆,并安装备用柴油发电机,以便在台风来袭、电网掉电情况下,维持风机的偏航能力,通过维持风机基本的生存电源来降低风险。

  (3)迎风顺桨

  台风来临,保持风机处于停转顺桨,但可偏航的暂停状态是叶片防损的关键。台风来袭时风机能够主动偏航,正面迎风顺桨,则能够大大降低叶片受损的机率;保持风机的偏航功能,使其能始终对准台风风向,从而叶片处于受力最小的顺桨状态,是降低叶片受损风险的关键。

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