風(fēng)機(jī)如何“抗凍”

　　2018年年初，低溫甚至暴雪在南方地區(qū)比較強(qiáng)烈，波及到湖南、貴州、江蘇、江西等南方省份。中央氣象臺(tái)的預(yù)報(bào)，1月29日至2月3日，受頻繁南下冷空氣影響，中國(guó)中東部地區(qū)自北向南氣溫還會(huì)有所下降。

　　低溫降雪導(dǎo)致南方多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)出現(xiàn)停機(jī)事故，公開(kāi)報(bào)道顯示貴州、江蘇、湖南的風(fēng)電機(jī)組甚至出現(xiàn)緊急停機(jī)。南方風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)規(guī)劃時(shí)，沒(méi)有像中國(guó)北方風(fēng)電項(xiàng)目考慮到風(fēng)機(jī)會(huì)面臨長(zhǎng)時(shí)間低溫甚至降雪，“抗凍”能力會(huì)差一大截。

　　低溫降雪會(huì)影響風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行工況、運(yùn)行性能以及使用壽命，情況嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)痫L(fēng)機(jī)倒塔等嚴(yán)重安全事故。對(duì)于“久不經(jīng)凍”的南方地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)，更是要面對(duì)的難題。雖然現(xiàn)有風(fēng)機(jī)技術(shù)可以保障風(fēng)機(jī)在-30℃到40℃的環(huán)境溫度下正常工作，但并不是所有風(fēng)機(jī)均滿足上述溫度區(qū)間，不同材質(zhì)的風(fēng)機(jī)葉片、潤(rùn)滑油和鋼材均有不同的最佳工作溫度。許多中國(guó)南方風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)之初沒(méi)有考慮在-10℃左右的環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作，風(fēng)機(jī)組件的“抗凍”能力遠(yuǎn)低于北方風(fēng)機(jī)。 

　　低溫、積冰、降雪究竟會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生哪些危害？ 在極端低溫、降雪情況下如何保護(hù)機(jī)組運(yùn)營(yíng)？無(wú)所不能梳理為你一一解答。

　　低溫和冰凍對(duì)風(fēng)機(jī)造成的危害

　　1.低溫

　　低溫對(duì)風(fēng)機(jī)的損害，集中在風(fēng)機(jī)組件物理特性因低溫受損，風(fēng)機(jī)內(nèi)部潤(rùn)滑系統(tǒng)因低溫導(dǎo)致潤(rùn)滑油黏性增加，設(shè)備加速磨損，具體來(lái)講就是以下四個(gè)方面：

　　1.損害不同材質(zhì)風(fēng)機(jī)組件的機(jī)械性能。

　　2.損害風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)、偏航驅(qū)動(dòng)電機(jī)、以及風(fēng)機(jī)變壓器。

　　3.風(fēng)機(jī)齒輪箱、液力耦合器與減震器長(zhǎng)時(shí)間暴露在寒冷天氣中，其內(nèi)部潤(rùn)滑油粘稠度增大使設(shè)備磨損情況加劇，影響風(fēng)機(jī)整體工作效率與使用壽命.

　　4.風(fēng)機(jī)內(nèi)部密封件，橡膠零件等受低溫影響，其材料延展性能大幅降低，設(shè)備更易開(kāi)裂，影響風(fēng)電機(jī)組運(yùn)營(yíng)效率

　　通常來(lái)看，風(fēng)機(jī)鋼結(jié)構(gòu)塔筒、鋼制風(fēng)機(jī)組件，以及復(fù)合材料纖維葉片的機(jī)械性能會(huì)受到低溫影響。

　　例如，鋼結(jié)構(gòu)的延展性在低溫環(huán)境下會(huì)大幅降低，鋼結(jié)構(gòu)受外力擠壓時(shí)更易產(chǎn)生微裂紋。這些微裂紋會(huì)降低鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與抗?jié)B性，直接影響風(fēng)機(jī)運(yùn)營(yíng)安全與風(fēng)機(jī)壽命。并且，當(dāng)風(fēng)機(jī)內(nèi)部電器長(zhǎng)時(shí)間處于低溫停機(jī)狀態(tài)時(shí)，突然恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)導(dǎo)致電器內(nèi)部組件受到熱沖擊效應(yīng)而損壞。據(jù)研究，風(fēng)機(jī)齒輪箱啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)的環(huán)境溫度應(yīng)高于自身潤(rùn)滑油傾點(diǎn)10度以上，否則風(fēng)機(jī)齒輪箱內(nèi)部潤(rùn)滑油粘度高于最佳工作粘度，導(dǎo)致齒輪箱內(nèi)部摩擦力加大，降低齒輪箱傳動(dòng)能力，影響齒輪箱使用壽命。目前許多中國(guó)南方風(fēng)電場(chǎng)使用的風(fēng)機(jī)潤(rùn)滑油傾點(diǎn)在-22℃左右，今年南方的寒流導(dǎo)致南方地區(qū)溫度降至-10℃（如圖1），局部地區(qū)在短時(shí)間內(nèi)甚至低于-10℃，在該溫度下風(fēng)機(jī)內(nèi)部潤(rùn)滑油工作狀態(tài)較差，南方的風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主要注意了。

　　2.積冰

　　積冰對(duì)風(fēng)機(jī)的危害遠(yuǎn)高于低溫和積雪，積冰會(huì)在以下幾方面影響風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)營(yíng)：

　　1.影響葉片氣動(dòng)外形，使葉片翼型的氣動(dòng)性能受損。極端情況下，積冰會(huì)導(dǎo)致翼型的最大升力系數(shù)和失速臨界攻角等特性發(fā)生較大變化，直接影響風(fēng)機(jī)運(yùn)營(yíng)安全。

　　2.干擾風(fēng)機(jī)測(cè)風(fēng)儀工作，導(dǎo)致測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)失真，影響機(jī)組正常工作

　　3.增加風(fēng)機(jī)靜載荷，降低機(jī)組發(fā)電效率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)被迫停機(jī)，甚至風(fēng)機(jī)倒塌

　　4.改變風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)平衡，使風(fēng)機(jī)的不平衡載荷加大，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)組件加速疲勞，降低使用壽命

　　5.風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，附著在葉片上的冰塊可能會(huì)被甩出，會(huì)對(duì)周?chē)丝谂c財(cái)產(chǎn)造成損害

　　6.風(fēng)機(jī)機(jī)箱、塔筒、爬梯結(jié)冰，加大了風(fēng)機(jī)的日常維護(hù)難度

　　遠(yuǎn)景《風(fēng)向標(biāo)》介紹，葉片結(jié)冰會(huì)最先發(fā)生在翼型敏感的前緣部位，這會(huì)明顯降低葉片升力系數(shù)，增加葉片阻力系數(shù)，導(dǎo)致發(fā)電量降低，圖1描述了葉片覆冰后的功率曲線異常波動(dòng)情形。更嚴(yán)重的是，進(jìn)一步的覆冰會(huì)導(dǎo)致翼型失速攻角提前，葉片進(jìn)入失速區(qū)域，氣動(dòng)特性發(fā)生劇烈波動(dòng)，從而引起風(fēng)機(jī)葉片顫振，甚至引起整機(jī)的共振。如圖2所示，葉片嚴(yán)重覆冰后，其上翼型的失速攻角提前至7.5°。當(dāng)該截面攻角大于失速攻角時(shí)，該截面升力系數(shù)急劇下降，會(huì)引起葉片額外的載荷波動(dòng)以及結(jié)構(gòu)振動(dòng)，損害葉片的疲勞壽命。

　　同時(shí)，覆冰所帶來(lái)的冰塊附加重量，以及升阻系數(shù)的巨大變化，會(huì)使得整機(jī)的靜載和動(dòng)載明顯增加，極有可能最終引發(fā)極限超載，導(dǎo)致葉片斷裂甚至機(jī)組傾覆的災(zāi)難后果。

圖1：覆冰后的功率曲線異常波動(dòng)

圖2：翼型結(jié)冰前后升力系數(shù)

　　國(guó)能日新技術(shù)人員對(duì)無(wú)所不能分析，目前我國(guó)南方風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，應(yīng)對(duì)積冰的防護(hù)措施較不完備，大多風(fēng)場(chǎng)沒(méi)有除冰、除霜的應(yīng)急預(yù)案，當(dāng)出現(xiàn)大規(guī)模降雪與積冰寒潮時(shí)，僅能通過(guò)停機(jī)的方法保護(hù)風(fēng)機(jī)設(shè)備不受損害。

　　3.降雪

　　理論上降雪對(duì)風(fēng)機(jī)的危害要小于積冰，因?yàn)榻笛?duì)風(fēng)機(jī)葉片氣動(dòng)外形的影響較小，同時(shí)雪的重量較輕，不會(huì)影響到風(fēng)機(jī)的靜態(tài)載荷，但風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主們還是要在以下兩方面警惕降雪對(duì)風(fēng)機(jī)的危害：

　　1.降雪滲透到?jīng)]有密封措施的風(fēng)機(jī)設(shè)備中，阻礙發(fā)電設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　2.降雪阻礙風(fēng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)部空氣循環(huán)系統(tǒng)工作，導(dǎo)致機(jī)艙散熱受阻，影響設(shè)備使用壽命。

　　由于風(fēng)機(jī)內(nèi)部發(fā)電機(jī)艙的散熱需求，許多風(fēng)機(jī)齒輪箱與發(fā)電機(jī)箱均不是密封組件。降雪在風(fēng)的影響下，可以輕易飄進(jìn)風(fēng)機(jī)內(nèi)部，附著在機(jī)艙與設(shè)備散熱孔處，阻礙風(fēng)機(jī)內(nèi)部組件的空氣循環(huán)系統(tǒng)與散熱系統(tǒng)。當(dāng)機(jī)艙散熱長(zhǎng)時(shí)間受阻時(shí)，內(nèi)部設(shè)備的運(yùn)營(yíng)效率與使用壽命均會(huì)大幅降低，情況嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐蓹C(jī)艙內(nèi)部過(guò)熱，導(dǎo)致部分組件起火。

　　低溫降雪冰凍，怎樣保護(hù)風(fēng)機(jī)？

　　中國(guó)南方風(fēng)電項(xiàng)目在初期建設(shè)規(guī)劃時(shí)，沒(méi)有像中國(guó)北方風(fēng)電項(xiàng)目考慮到風(fēng)機(jī)會(huì)面臨長(zhǎng)時(shí)間低溫降雪寒潮，因此許多南方風(fēng)機(jī)組件沒(méi)有安裝保暖與除冰設(shè)備。同時(shí)，南方風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維人員也大多沒(méi)有應(yīng)對(duì)低溫降雪的經(jīng)驗(yàn)，許多運(yùn)維人員并不了解風(fēng)機(jī)可以在多大降雪量中維持運(yùn)轉(zhuǎn)，在多大降雪量中必須關(guān)停，導(dǎo)致降雪來(lái)臨時(shí)，出于安全考慮，許多風(fēng)電場(chǎng)不得不關(guān)停所有風(fēng)機(jī)。

　　那么如何在低溫降雪天中保護(hù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行呢？下面是目前國(guó)內(nèi)主流風(fēng)機(jī)制造廠和北方風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主們應(yīng)對(duì)低溫降雪的一些經(jīng)驗(yàn)與建議，供南方風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主們參考。

　　物理加熱風(fēng)機(jī)組件和使用抗寒氮化\氟硅氧烷風(fēng)機(jī)組件代替?zhèn)鹘y(tǒng)橡膠組件，是目前解決低溫環(huán)境對(duì)風(fēng)機(jī)造成潛在危害的兩類(lèi)主要方法，具體來(lái)講：

　　1.在機(jī)艙外殼、葉片、及部分電氣和控制設(shè)備處安裝加熱設(shè)備 

　　2.使用低溫環(huán)境下延展性較好的特殊氮化橡膠或氟硅氧烷材料，替代傳統(tǒng)橡膠密封件，保障風(fēng)電機(jī)組密封部件在低溫環(huán)境下的密封性能

　　在機(jī)艙、變槳及偏航電機(jī)、各控制箱和滑環(huán)等處安裝壁裝或頂裝式防腐加熱設(shè)備，當(dāng)寒潮來(lái)襲時(shí)，加熱設(shè)備可以保障風(fēng)機(jī)在無(wú)風(fēng)休眠狀態(tài)與工作狀態(tài)中均處于安全生產(chǎn)溫度。

　　同時(shí)部分風(fēng)機(jī)葉片在設(shè)計(jì)之初已考慮葉片會(huì)在嚴(yán)寒環(huán)境下工作，葉片的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)為安裝加熱電阻提前預(yù)留出了空間，當(dāng)進(jìn)入冬季時(shí)，運(yùn)維人員可以為葉片安裝加熱電阻絲，保護(hù)葉片不會(huì)在低溫環(huán)境下發(fā)生脆裂，以延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)葉片的使用壽命。

　　積冰與積雪的防護(hù)措施較為廣泛，包括了物理防護(hù)、化學(xué)防護(hù)、和智能系統(tǒng)防護(hù)等多種不同防護(hù)措施，例如：

　　1.在風(fēng)機(jī)葉片上涂抹如聚四氟乙烯抗結(jié)冰涂層，降低風(fēng)機(jī)葉片結(jié)冰概率（化學(xué)防護(hù)）。

　　2.優(yōu)化葉片設(shè)計(jì)方案，利用荷葉理論降低凝露附著度（物理防護(hù)）。

　　3.安裝電阻絲加熱風(fēng)機(jī)與葉片，降低積雪附著時(shí)間，防止積雪融化結(jié)冰（物理防護(hù)）。

　　4.在風(fēng)機(jī)處于中度結(jié)冰的狀況下，維持一定發(fā)電量，保障風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而限制結(jié)冰向葉片前緣蔓延（智能系統(tǒng)防護(hù)）。

　　5.在風(fēng)機(jī)內(nèi)部安裝積冰、積雪監(jiān)控傳感器，當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片或主機(jī)積冰、積雪超過(guò)額定安全極限時(shí)，強(qiáng)制關(guān)停風(fēng)機(jī)，保護(hù)風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)營(yíng)安全（智能系統(tǒng)防護(hù)）

　　目前歐美高寒地區(qū)的風(fēng)機(jī)積冰積雪防護(hù)措施已十分完備，英國(guó)北海/挪威北部地區(qū)的許多風(fēng)電場(chǎng)已做到了在無(wú)人值守下的風(fēng)機(jī)主動(dòng)嚴(yán)寒冰雪防護(hù)，通過(guò)人工智能與風(fēng)機(jī)組件的特殊材料處理，歐美風(fēng)機(jī)可以在冰雪天氣下維持一定發(fā)電量，并可根據(jù)溫度變化與降雪量大小及時(shí)調(diào)整風(fēng)機(jī)運(yùn)營(yíng)功率，并在極端氣候環(huán)境下，自動(dòng)關(guān)機(jī)，保護(hù)風(fēng)機(jī)使用壽命。

　　目前許多中國(guó)風(fēng)機(jī)制造廠如遠(yuǎn)景能源、重慶海裝等，均已開(kāi)發(fā)出了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的風(fēng)機(jī)冰雪防護(hù)系統(tǒng)，與人工智能控制系統(tǒng)。小編希望各位南方風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主通過(guò)風(fēng)機(jī)技術(shù)升級(jí)與電場(chǎng)運(yùn)維培訓(xùn)，在冬天來(lái)臨時(shí)可以更從容面對(duì)低溫寒流，保障風(fēng)機(jī)安全運(yùn)營(yíng)。（【無(wú)所不能 文丨徐雨萌】）