新疆风力发电中的计量问题研究

任孝平，张 跃，王 健，蔡常青，薛志超

（1.中国计量科学研究院 力学与声学计量科学研究所，北京 100013；2.哥本哈根大学 生命科学学院，丹麦 哥本哈根 2100）

新疆是我国风力资源最丰富、风电产业最早起步的省区之一，也有国内大型的风电制造商“金风科技”.但随着我国风电事业“十一五”期间的快速发展，以及《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划之新能源》的出台，新疆风能的开发利用却因电网建设、经济发展、地域偏僻等条件的限制，渐渐落后于内蒙古、河北等省区，风电产业化进程也因此缓滞［1］.截止到2010年12月31日，我国有29个省、市、自治区（不含港、澳、台地区）有了自己的风电场.领跑我国风电发展的地区是内蒙古自治区，紧随其后的是甘肃、河北和辽宁.在排名前十位的省区中，2010年装机增速最快的是甘肃省，其次是山东、河北、宁夏、辽宁、内蒙古［2］.新疆风电事业已经历了很多年的发展，积累了丰富的专业经验；然而一线的科技人员还是提出各种各样的计量问题需要解决.

例如，风电场仍采用事后检修和有计划的预防检修的传统方式，不能全面及时地了解机组的运行状态及可靠性状况［3］；设备周期性的检定和校准属于计量监管部门的职责，然而停运风电机组拆卸设备进行送检不仅给风电场造成了损失，也给拆卸人员带来巨大的工作量和危险性；而检定人员到现场来进行检定也必须采用在线校准的方式.此外，所有与风电相关的测量结果必须溯源至国际单位制（SI）单位，对一些机组自身或者环境参数微小变化的长期监测要求测量准确度持续性地改善，以提供长期的、持续的、质量有保证的测量数据，保证风电的运行安全和效率.作为省级计量机构“新疆维吾尔自治区计量测试研究院”（简称：新疆院）已无法满足这种高规格、高准确度的计量服务.本着“计量科技服务国家经济社会和质检事业发展之路”的总体精神，中国计量科学研究院与“新疆院”于2012年8月深入新疆地区，在企业内部和作业现场进行了调研.与一线的风电设备生产、调试、安装等科技人员进行了面对面的交流，对企业在实际运作过程中的问题进行了总结，并结合我国其它地区风电事业发展的现状，形成了本文的风电现状调研报告，提出了部分力学领域的计量问题，期望能在未来风电事业发展过程中，提供一定的帮助.

1 风电事故引发的监管问题

风力发电在以“中国速度”大踏步发展的同时，风电事故却伴随着不断的发生［4］.2009年，我国一些风电公司在设备运行过程中发生重大风电事故，造成风电机组完全损毁，并危及到现场安装人员的生命安全.2010年，我国东北、西北等地已出现多起因风机制造和施工质量问题引起的倒塌事故.2011年1月至10月，同样因风电机组产品质量问题，在辽宁、内蒙古、甘肃、吉林等地风电场发生多起风电机组机仓着火、倒塌等事故.

表1 风电事故发生原因及后果统计Table 1 On the causation of accidents happened in wind power and the statistic of sequels

表1为近几年发生的较大的风电事故资料.据不完全统计，有宁夏天净神州风电场、华能通辽宝龙山风电场、辽宁凌河风电场、大唐山西左云风电场等在内的风电场发生倒塌、着火等事故［5］，其它还包括风机主轴断裂、轮毂断裂等质量事故.造成风机事故的原因，不仅仅是风机制造质量问题，还有施工质量及配套设备等多方面的问题.主要有以下几种：

（1）风力发电机价格竞争日益激烈，导致风机品质下降、质量难以保证；（2）风机制造企业虽然有一套质量控制体系，但执行起来常常形同虚设；（3）监管部门对质量缺乏有效监督，也造成了制造企业、施工单位对质量控制的忽视.

我国风电产业在发展过程中仍旧面临严峻的挑战：设备企业还没有完全掌握风机制造和风电厂控制的关键技术.在“十二五”规划中，国家把加强风电装备研发，增强大型风电机组整机和控制系统设计能力，提高发电机、齿轮箱、叶片以及轴承等关键零部件的开发能力放到重要位置.与此同时，国家风电装备标准、检测、认证体系也要尽快完善，风电设备制造材料采购、部件及整机制造、风场运营，将按照统一的技术标准来规范.这也逐步提高了风电设备企业的质量门槛，技术不过关的风电企业将难以生存.

2 风力发电系统中的计量技术

近年来不时发生的风电事故给计量监管部门的工作提出了新的挑战.通过分析这些事故，在表2中总结了我国风电设备主要的质量问题［5］.现代风力发电技术是一综合性高技术系统工程，它涉及空气动力、机械传动、电机、自动控制、力学、材料、气象等多门学科和技术.随着风力发电设备的精密程度、复杂程度及智能化程度的提高，对风力发电设备的可靠性、可用性、可维护性和安全性等提出了更加严格的要求［7］.

在风电行业，一般的风电项目主要包括型式设计与评价（设计）、部件加工和整机组装（安装）、风电场运行（运行）等三个阶段.在这三个阶段中，都离不开相关的计量检定与认证环节，以判断它的质量好坏、计量是否准确.然而，目前我国仍缺乏系统完善的风电检测认证体系，行业内检测能力不强、检测水平不高，相应的测试手段以及大型的实验装置不足，难以准确判断设备的优劣，这是目前风电设备质量监督面临的重要制约因素.

风电产业涉及多学科和多个技术领域，每一个环节、每一个零件出现问题都有可能造成事故.只有从原材料到整机下线的每个环节都有相应的检定和认证，才能真正确保产品的安全和质量.从表2中也可以看出，计量检测技术在风力发电过程中都发挥着重要作用［8］：

第一，各种产品质量检验仪器设备都必须由计量检测机构定期进行检定和校准，以保证仪器设备的准确、可靠，这样才能保证风电产品质量检测工作的有效性.

第二，风力发电机叶片是风力发电的核心技术，对叶片的外形尺寸、精度、表面粗糙度、强度和刚度的要求很高，只有首先保证了加工设备和材料的准确与可靠，才能确保加工出高精度、高质量的叶片产品.因此用于产品加工制造的高精度数控机床、加工中心，也应进行周期性检定和校准.

表2 风机设计、制造与安装过程中的部分质量问题Table 2 Some quality problems in the designing，manufacture and installation of the wind power machine

第三，为了保证风力发电机的平稳运行，要求安装在风力发电机上各叶片的总重和力矩基本相同［9］.因此，就需要对生产出来风力发电机叶片进行平衡称重操作，即称量风力发电机叶片的总重和力矩.称重及配平衡设备是风力发电叶片制造过程中、出厂前使用的设备.该设备是大型衡器的一种，称量叶片是必须有足够精度且在称重电叶片时，有足够的安全性，不能影响风力发电叶片的外观质量.

第四，用于风电设备制造的材料，需由相关检测机构进行理化试验检测，以确保材料的性能符合环境的使用要求，如轴承的承重能力、螺栓的性能（力学性能、几何性能、安装力矩等）是否符合要求等.

第五，在安装风电机组和塔筒时，对安装设备（起重机）的要求也很高.这是因为风电机组本身很重，塔筒又很高，若没有对安装风电设备过程中的吊装设备的最大吊装能力进行检测，势必又会造成起重机吊臂根部断裂等重大事故.最后，风电机组运行过程中的各种传感器设备都需要进行检定，如测量风速、温度、湿度、振动、扭矩、压力、加速度，等等.这些不仅是对风电机组的安全性负责，在正常情况下，也影响这风电机组的发电效率问题.

可见，从原材料的筛选到组装，从工艺流程监控到产品的质量检验，都离不开计量.计量是保证风电产品质量的基础，计量检测技术是风电行业质量与安全的重要保障.

3 风力发电系统的在线计量检测

风电机组的分布比较分散，监控参数也比较多.如新疆地区风能资源丰富的地区都比较偏远，而且基础设施也不完善.此外，由于风力发电机组处于高空，若对发电机组进行现场维护非常困难；若需吊至地面做诊断、维修或更换，则要花费更大的人力和物力.所以不仅企业重视风电系统的在线监测，计量监管部门也很重视在线检测和校正的能力.因此，为了预防风力发电机组设备故障，完成风电设备的计量检测工作，必须要开展风力发电机组设备的在线状态监测工作.

风电场的在线监测一般都采用有线的方式，然而其成本较高，因此又提出了采用无线局域网的风电场监测的方式［17］，以便有效地降低维护成本.风力发电系统的在线监测主要是对机组在运行过程中相关参数进行监测，如：风电场中的温度、湿度［18］，大气压［19］，风况［20］（风速、风向［21］）；或者对机组的部位进行监测，如：风电机组齿轮箱［22］，低速轴和高速轴，发电机，叶片，风力发电机组的控制系统，变桨系统，偏航系统，加热系统，冷却系统等［23］.这些关键部位若发生故障将会造成风力发电机组停机甚至损坏.因此，另一类重要的应用便是风电系统的在线故障检测，即根据获取的参数（如风速、风向、桨距角、叶根摆振和挥舞振动弯矩、转子轴扭矩和弯矩、转子频率和相位、偏航位置、机舱加速度、主轴承振动、齿轮箱振动、塔架扭矩和弯矩、温度、电气参数等［24］），作为对机组发生故障后进行诊断分析的依据.

在调研过程中发现，风力发电机组高达上百米，重达数百吨.从结构工程的观点来看，风力发电机组是一个高耸结构，而且顶部质量很大，抗震性能要经受很大的考验［25］；具有分布质量和刚度的叶片相对较柔软，而且位于塔架顶部，地震作用时容易产生“鞭梢效应”［26］；风力发电机组在运行过程中因叶轮的转动以及风速变化的影响，不可避免会发生包含低频的振动产生动力效应，振动的过程会对机组机械结构带来影响，而且存在风力与地震力组合的问题，在受到风产生的扭矩、弯矩和轴向推力的作用时，其部件容易发生变形，产生附加的结构应力.风电轴承（偏航轴承、变桨轴承）的受力情况复杂，而且轴承承受的冲击和振动比较大，因此，要求轴承既能承受冲击，又能承受较大载荷，且在低温条件下必须能够承受大的冲击载荷.这些载荷作用在轴承上，极易产生各种故障隐患［27］.

因此，对风力发电机组振动的实时监测和控制极其重要，而振动分析是对于旋转机械状态监测中使最广泛的方法［24，28］.在风电机组中，振动监测法主要用于监测齿轮箱的齿轮和轴承、发电机的轴承、主轴承以及机舱的振动，也有少数用来监测叶片.进而可以对大部分机械设备进行准确的故障检测，如转子不平衡、转轴弯曲、轴承松动、轴系不对中、动静件摩擦、油膜振荡、旋转失速及喘振、转轴的横向裂纹、结构共振等.

我国风电场目前采用的塔架结构大多为钢筒式，机组在运行过程中，大部分风荷载作用在旋转的叶轮上，通过风电机组对圆筒式塔架施加压力；在遭遇强风的情况下，通过精确地调节叶片的桨距，可有效地减小作用在叶片上的风荷载，此时风荷载主要分布在轮毂、机舱及塔架上.在这种超强风荷载的作用下，叶轮与轮毂之间、风电机组与塔筒之间、塔筒与地基之间的法兰连接螺栓时刻经受着考验.若压力过大，塔筒壁由于受弯而受到的压应力也容易造成塔架的压屈，或者塔架基础被连根拔起.此时就需要对各个连接部位的应变力进行在线监测，它对于风力发电机组的设计验证、结构载荷、使用寿命、故障预警有很重要的意义.

新疆地区一方面有着丰富的风能资源，而另一方面其特定的地理和气候环境，使得其风力发电的情况与其它地区不同，如：温差变化大，空气干燥、海拔高等特点.风力发电机组的零部件在低温条件下的性能是不同的，且机舱底板和塔架等承受循环载荷的大型焊接构件，在高寒环境温度下存在低温疲劳问题［29］.随着海拔的增高，低气压现象会使风力发电的运行内耗增大，容易出现电晕现象.此外，急剧变化的温差使得霜冻、覆冰、水凝都会影响机组的运行和控制.此外，低空气密度对风电机组性能和年发电量也有很大的影响.因此，对风电场空气温度、湿度、大气压力以及空气密度实时的监测，对于风电场也同样有着重要的意义.

4 结 语

虽然我国的风电事业发展迅速，但是我国的风电服务业起步较晚，仍旧赶不上建设的速度.目前大多数都是从事风电场建设前期的工程咨询、调研、设计等内容，在风电场建设期间的管理咨询、风电场建成后的专业运行检修维护，各类认证、咨询、检定的却较少.针对初步显现的质量问题的成因，风电行业组织已经呼吁尽快采取措施，完善风电行业的质量标准，使风电产品的质量信息明确化、规范化.另一方面是要积极建立第三方检测认证评价制度，贯彻落实标准的执行.同时，还必须建立质量监管、报告、披露和预警体系，等等.力争从原材料、焊接、装配等环节消除风电设备表面及隐藏性缺陷，并避免供应商因技术水平、设备检定、质量保证体系等方面的薄弱而造成的缺陷漏检与误检，确保风电设备的质量和安全运行.

此外，建设智能电网将作为“十二五”能源规划的战略重点已被提上日程，其中最重要的一环便是“可测量性和传感技术的使用”.智能电网将融合和集成新的测量、通讯、控制和决策技术［30］，实现电力行业的技术变革.对机组关键设备进行在线检定和校准，及时全面准确地监测和评估风电机组的运行状态，可以有效地避免故障及连锁故障的发生，对于优化风电场的维修策略、检定方法，实现大规模风力发电安全高效的运行，提高监管部门和企业的工作效率，具有重要的现实意义.对于任意一个要使用的监测设备、传感器，甚至是机组自身的产品质量，都需要计量技术作为基础，因此在线的计量检测就像一对“隐形的翅膀”时刻为风电场的高效运保驾护航.

感谢新疆金风科技股份有限公司（乌鲁木齐）、特变电工股份有限公司（昌吉）、新疆质量技术监督局等相关人员在调研过程中给予的帮助；对新疆计量测试研究院吕中平副院长、徐志强副主任的陪同调研亦表谢意.

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