大葉輪直徑弱風(fēng)速〞風(fēng)電機組帶來的思考

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目前，中國風(fēng)電行業(yè)整機生產(chǎn)廠家眾多，競爭猛烈。生產(chǎn)廠家為了迎合業(yè)主、滿足低風(fēng)速地區(qū)的風(fēng)電開發(fā)需求，不斷推出長葉片機型，有的生產(chǎn)廠家為了增加銷量和滿足風(fēng)電企業(yè)的機組利用小時數(shù)需求，還推出了加長葉片的老機型改造。但如不顧及風(fēng)電場風(fēng)況條件、機組及部件壽命、故障率和遠(yuǎn)期維護(hù)成本等因素，而片面地增加葉片長度，必將事與愿違，影響企業(yè)的長期收益，甚至危及行業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展。我國風(fēng)電機組的風(fēng)輪直徑不斷增大

根據(jù)中國風(fēng)能協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2023年以前，風(fēng)輪直徑在70m以下的1.5MW型機組的裝機量一直處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。在2023年、2023年安裝和投運的機組中，風(fēng)輪直徑在93m及以上的1.5MW機組已經(jīng)占絕大多數(shù)；風(fēng)輪直徑82m以下的2MW風(fēng)電機組在2023年以前的新增裝機容量一直保持高速增長，而在2023年、2023年、2023年風(fēng)輪直徑為100m、105m、108m、110m、114m、115m、116m、118m、120m、121m的2MW機組不斷問世，并相繼成為主流機型。

1.5MW和2MW機組風(fēng)輪直徑的不斷增加以及風(fēng)電市場對其的反應(yīng)，主要源自于我國對低風(fēng)速風(fēng)區(qū)開發(fā)的重視程度有所增加。大風(fēng)輪直徑的機組往往被廠商定義為“低風(fēng)速型〞、“弱風(fēng)速型〞風(fēng)電機組。我國風(fēng)電招投標(biāo)體制，由于一般以千瓦功率為單位進(jìn)行價格的對比，在短期內(nèi)使葉片長度更長、風(fēng)輪直徑更大的產(chǎn)品受到市場青睞。而一些國際一流廠家則是在葉輪直徑不變的狀況下，不惜降低單位千瓦的掃風(fēng)面積，千方百計地提高機組容量。例如：Vestas的V164從最初的7MW提高到了8MW；Siemens直驅(qū)SWT154則從最初的6MW提高到了7MW，在相像的運營成本條件下，SWT-7.0-154機組發(fā)電量比其前代產(chǎn)品SWT-6.0-154提高了10%。

從我國1.5MW和2MW機組風(fēng)輪直徑不斷增加趨勢可以很明顯地看出，葉輪直徑的增加，與機組的生產(chǎn)年份、我國的國情及消費者的偏好有著直接的關(guān)系；從趨勢中解讀出來與機組所處風(fēng)況條件的關(guān)系來看，我國在2023年以后，所建的風(fēng)電場絕大多數(shù)都應(yīng)屬于“弱風(fēng)速型〞風(fēng)電場，事實果真是這樣的嗎？是否有在本屬于Ⅱ、Ⅱ類風(fēng)區(qū)的機位或風(fēng)電場安裝“弱風(fēng)速型〞機組的問題？因此，葉輪直徑增加可能帶來的隱患和弊端值得引起同行們的重視與思考。風(fēng)電機組的設(shè)計

一、風(fēng)電機組的設(shè)計流程與設(shè)計周期

風(fēng)電機組的設(shè)計流程大致需經(jīng)過：概念設(shè)計、初步設(shè)計、載荷計算、部件分析、詳細(xì)設(shè)計、廠內(nèi)試驗及現(xiàn)場測試。實際整個設(shè)計階段是一個不斷的循環(huán)過程，尋常需要三到五次循環(huán)。在詳細(xì)設(shè)計完成后，需要將機組更為確鑿的參數(shù)用于載荷計算和控制器的設(shè)計，在新的載荷出來后又需要對初步設(shè)計的部件進(jìn)行更新，可能原來設(shè)計不能滿足要求，就需要對初步設(shè)計進(jìn)行調(diào)整，再進(jìn)行載荷計算和控制器的設(shè)計，以進(jìn)入下一流程。因此，在機組進(jìn)行批量生產(chǎn)之前，往往需要較長時間的樣機試驗，然后才批量投入市場。

對風(fēng)電機組來說，一種新的機型，在短期內(nèi)投運良好，還不能證明其開發(fā)成功、性能優(yōu)異，可以大批量地投入生產(chǎn)。由于自然條件下風(fēng)的變化性，風(fēng)電機組的受力狀況具有很強的交變性，實際運行工況極其繁雜、多變，僅依靠軟件模擬和廠內(nèi)試驗是難以確鑿、全面地對機組性能進(jìn)行確鑿評估。再者，在廠內(nèi)試驗不能安裝葉片，大量因變槳和葉片而產(chǎn)生的問題，廠內(nèi)試驗是根本沒方法發(fā)現(xiàn)的。因此，需要通過在風(fēng)電場的實際樣機試運行，在實際的風(fēng)電場運行過程中，對其運行狀況進(jìn)行細(xì)心分析，及時發(fā)現(xiàn)問題，不斷地改進(jìn)和完善，經(jīng)過各種風(fēng)況和充分的風(fēng)電場驗證，等待產(chǎn)品成熟后，再投入批量生產(chǎn)。也只有這樣，才能向市場推出合格、經(jīng)得起長期風(fēng)電場檢驗的機型。依據(jù)國外風(fēng)電機組的研發(fā)經(jīng)驗，從概念設(shè)計到投入批量生產(chǎn)所需要的時間大約為7年。

然而，從我國風(fēng)電行業(yè)1.5MW和2MW的“低風(fēng)速型〞、“弱風(fēng)速型〞機組的研發(fā)到批量生產(chǎn)的時間來看，其設(shè)計周期普遍偏短，有的機型在沒有經(jīng)過樣機投運的狀況下，就投入了大批量生產(chǎn)。這樣，機組的重要部件可能經(jīng)不起長期風(fēng)電場實踐的檢驗，由此帶來的風(fēng)險很大。

二、風(fēng)電機組與其他發(fā)電設(shè)備在研發(fā)與運行上的區(qū)別

風(fēng)電機組簡單受到疲乏載荷的嚴(yán)重影響。在600kW機組中，風(fēng)輪在20年的壽命期內(nèi)會旋轉(zhuǎn)2×108次。每旋轉(zhuǎn)一周，在低速軸上的受力與作用在葉片上的重力均會出現(xiàn)周期性變化。同時，在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面上，會因風(fēng)剪切力、偏航誤差、軸傾斜、塔架陰影和湍流等效應(yīng)產(chǎn)生循環(huán)變化的載荷。因此，大量風(fēng)電機組部件的設(shè)計都取決于疲乏載荷而不是極限載荷。

火電、核電等電力設(shè)備，其工況條件受人為控制，且變化范圍不大，其部件設(shè)計主要取決于極限載荷。例如，火電機組中的汽輪機、燃?xì)廨啓C，在正常狀況下，機組容量越大，初參數(shù)越高，機組的效率就越高。在設(shè)計技術(shù)和制造工藝允許的狀況下，開發(fā)大容量機組，無疑有利于機組經(jīng)濟(jì)性的提高。在其他條件一致的狀況下，只要能研發(fā)出更長的末級葉片，就能使機組的發(fā)電功率、效率增加，且葉片所受的重力可以忽略不計，對于冷卻水溫度較為恒定的水冷機組，自然環(huán)境對機組的影響也基本可以忽略不計。在提高機組效率上，葉片的生產(chǎn)成本與所能得到的收益相比，基本可以忽略不計。為了提高機組效率，我們曾經(jīng)在火電汽輪機上實施過葉片加長及通流改造，實踐證明不僅可行而且是有成效的，只要機組能順利通過168小時滿負(fù)荷、連續(xù)無故障試運行就基本可以證明新機型的研發(fā)、或改造的成功?；痣娖啓C、燃?xì)廨啓C等近似于單件生產(chǎn)，如有個別缺陷可在機組的試運行、運行過程不斷完善，不會帶來批量[生問題，因此可以不經(jīng)過樣機試驗，就可以投入商業(yè)生產(chǎn)。

風(fēng)電機組與其他大型發(fā)電設(shè)備相比，有明顯的不同：

第一，工況條件不受人為控制，運行條件繁雜、多變，且影響因數(shù)眾多。

其次，在增大葉輪直徑、實施葉片加長改造時，葉片成本是考慮的重要因素，而且，葉輪直徑的增加不僅要受到葉片制造技術(shù)的制約，更重要的是還要受到機組的風(fēng)況，及其他機組部件的技術(shù)、強度、壽命等條件的制約，因此，綜合考慮各種因素，在尋常狀況下，實施加大葉輪直徑改造帶來的社會資源的浪費大于所能得到的社會收益。因種種原因，有的風(fēng)電場實施了Mita控制器的主控改造，不少風(fēng)電場在改造之前，主控（WP3100）、變頻器（ALstom）、通訊控制器（IC500）以及與變槳控制器（L&B）之間的硬件接口完全一致，并且主控、變頻器與通訊控制器之間的通訊協(xié)議也一致，主控程序完善、使用便利。在改造之后，造成了機組部件之間的軟硬件不兼容，維修與使用不便，不利風(fēng)電場的集中監(jiān)控，區(qū)域維修，因此，從機組維護(hù)與維修的角度來看，這不僅造成了主控使用的極大不便，維護(hù)、維修成本增加，同時也是社會資源的一大浪費，所以，加大葉輪直徑及機組改造時應(yīng)全面評估。

第三，風(fēng)電機組絕大部分的部件設(shè)計主要取決于所承受的疲乏載荷，然而，疲乏損壞往往需要長時間的運行才會出現(xiàn)，因此，機組順利通過了風(fēng)電場試運行及滿負(fù)荷試驗并不能證明機組設(shè)計完善、運行可靠，也不能說明將來機組的故障幾率一定很低。

第四，風(fēng)電機組的設(shè)計理念是在無人監(jiān)管下的全自動運行，而對于大型風(fēng)電機組來說，其控制和保護(hù)措施更是不計其數(shù)，此外，在短時間之內(nèi)，也很難證明機組就一定沒有重大設(shè)計缺陷與安全隱患，因此在研發(fā)時需要樣機運行的檢驗，在風(fēng)電場運行時還需要專家們的遠(yuǎn)程指導(dǎo)與故障診斷，以避免風(fēng)電機組重大事故的再次發(fā)生。

第五，在尋常狀況下，風(fēng)電機組的生產(chǎn)屬于批量生產(chǎn)，為了盡可能地減少設(shè)計缺陷，避免在新機型開發(fā)時埋下隱患，因此，需要通過樣機的長時間風(fēng)電場運行進(jìn)行完善。

由于當(dāng)今中國的整機廠商眾多，市場競爭猛烈，且社會普遍存在著煩躁、冒進(jìn)的心態(tài)，不少風(fēng)電整機廠商在新機型研發(fā)時，其“弱風(fēng)速型〞的機組設(shè)計驗證，尋常僅是通過數(shù)字計算、仿真及廠內(nèi)試驗得到，沒有經(jīng)過樣機的風(fēng)電場試驗，就投入了大批量生產(chǎn)。

我國“弱風(fēng)速〞風(fēng)電場的現(xiàn)狀和問題

在風(fēng)電機組風(fēng)況及氣象環(huán)境條件不變的狀況下，隨著機組的風(fēng)輪直徑增大，葉片重量大大增加，要求其葉片螺栓強度、變槳軸承、變槳系統(tǒng)、主軸軸承、主齒輪箱、偏航電機、偏航液壓剎車器等重要零部件的功率、質(zhì)量相應(yīng)提高，或強度、疲乏壽命增加，另外，塔筒、澆筑基礎(chǔ)的強度也需要相應(yīng)提高。因此，在尋常狀況下，生產(chǎn)和安裝大葉輪直徑機組將會使成本大大增加。

然而，目前我國不少的整機生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)大葉輪直徑機組時，除加大風(fēng)輪直徑外，機組其他部件的質(zhì)量和強度并未提高，或者說他們生產(chǎn)的“弱風(fēng)速型〞機組與其生產(chǎn)的他機組相比，僅是葉片長度不同而已，因此，生產(chǎn)大葉輪直徑機組的成本可以大大降低；且不經(jīng)過樣機試驗就大批量地投入生產(chǎn)，其“弱風(fēng)速型〞機組的開發(fā)時間也就大大縮短，但是，由此帶來的機組和部件壽命大大縮短，可能隱蔽的眾多設(shè)計缺陷和安全隱患等問題，則不容忽視。

我國的絕大多數(shù)“弱風(fēng)速型〞風(fēng)電場地處山地，其風(fēng)況和地形條件繁雜，不同機位之間的風(fēng)況區(qū)別很大。如今興建的不少風(fēng)電場，雖然年平均風(fēng)速很低，但是，其極端風(fēng)速和大風(fēng)期的最高風(fēng)速卻很高，有不少風(fēng)電場的這兩項指標(biāo)并不低于Ⅰ、Ⅱ類風(fēng)區(qū)的極端風(fēng)速和lO分鐘最大平均風(fēng)速，由于業(yè)內(nèi)普遍對風(fēng)電場微觀選址的重要意義認(rèn)識不足，沒能引起投資商的足夠重視。例如，因風(fēng)電場地處山地，不同機位之間的風(fēng)況區(qū)別很大，遠(yuǎn)超過一種機型的承受能力，本應(yīng)依照各機位的風(fēng)況條件選擇多種機型與之相對應(yīng)，然而，在實際機組安裝時，不少地方整個一期，甚至幾期機組均選用同種機型，對風(fēng)電場微觀選址不夠重視或流于形式。

一般地，風(fēng)電場選址需要兩年時間，使用測風(fēng)塔和評估軟件等對選址內(nèi)的風(fēng)資源分布狀況進(jìn)行詳細(xì)勘察。國內(nèi)外的經(jīng)驗教訓(xùn)說明，風(fēng)電場選址的失誤造成發(fā)電量損失和增加維修費用等將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對場址進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查的費用。因此，風(fēng)電場選址對于風(fēng)電場的建設(shè)是至關(guān)重要的。

在微觀選址時，僅有氣象資料提供的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)是不夠的，一般要在裝機地點附近有代表性的位置用（一個或多個）測風(fēng)塔進(jìn)行一年以上的現(xiàn)場測風(fēng)，測量風(fēng)向、風(fēng)速、溫度和湍流強度等。然后根據(jù)這些測量數(shù)據(jù)，利用軟件評估整個