如何延长风力涡轮机使用寿命

风力涡轮机设计使用寿命一般为20年，但事实上，通过小型和低成本维修，许多风力涡轮机使用寿命可超过最初设计值。本文介绍了德国风力涡轮机安全评价方法和结果。

由德国风能协会创建的一个工作组制定了风力涡轮机寿命延长评估基本原则，以确保风能可持续利用。这个工作组由制造商、技术专家、运行人员、法律专家和有关当局代表组成，其任务是详细说明设计寿命结束后风力涡轮机安全运行所需的技术要求。

寿命延长评估原则

为评估涡轮机当前状态，寿命延长评估通常在运行许可有效期最后一年进行。如果正在考虑分拆涡轮机、或在中期预算规划，则宜在较早阶段进行。通常，初步结果，如是否可继续运行、何时更换特定部件等不需物理检查就能得到，并可在以后某个时间点纳入寿命延长评估。

确定风力涡轮机是否可超过其设计寿命的评估包括两部分，这两部分并行进行。分析和实际评估方面专家在整个过程中相互帮助与配合，在分析评估和现场检查后，起草一份状态报告，详细说明延长使用寿命所需要求，如修理或预防性更换转子叶片螺栓通常是必要的，因它们是达到其设计负荷极限的第一要素。因此，通过状态报告可准确计算出延长寿命所涉及的潜在费用。评估结果为衡量继续运营的机会提供了宝贵资料，对帮助风电场运营商进行决策具有重要的意义。

涡轮机结构的稳定性

安全评估过程中一个关键因素是确定风力涡轮机结构的稳定性。验证结构稳定性所需的测试主要集中在从转子叶片到基础的承重部件、安全装置、制动系统和涡轮控制系统；需计算涡轮机在其使用寿命期间的实际负荷，并将其与设计负荷进行比较。稳定性信息通过计算机模拟完成，模拟反映了型式试验后的设计情况及环境运行情况。此外，还应对涡轮机进行现场检查。

环境运行情况包括风电场地特有的风况。为计算运行期间负荷，应利用过去20年运行数据和机舱风速计数据对20年的平均风速、湍流强度和极端风事件数据进行量化。如这些数据已丢失，则使用其他数据集(如，再分析数据集)进行长期推断。对其它增加了各种容量的风电场，在设计寿命期内要分别计算每个风机及每个风电场布局的湍流。

环境条件和所需文件

在分析评估中，根据涡轮机技术文件和环境运行数据计算可继续运行的潜在时间段。风电场运营方负责安排评估时间并提交相关文件。文件包括涡轮机制造和调试有关信息、涡轮机运行许可证，维修、检查和保养报告、运行和生产数据、接线和液压图。此外，还需一份记录最后一年转子叶片的技术报告。

技术文档不完整情况经常出现。缺少的证书和技术文件，如制造和调试阶段文件可从制造商处获得。若制造商已不存在，则采用与其他涡轮机进行比较及基于以往经验的评估来填补知识的空白。

涡轮机的物理检查

寿命延长评估的实际环节是现场检查涡轮机物理状态。在测试和检查前，分析已有信息和数据，检查技术文件、报告、天气和性能数据，以便对涡轮机的测试检查集中在已有问题和缺陷方面。

物理评估的目的是记录涡轮机部件和设备的任何损坏或异常磨损。承重和与安全有关的部件要详细检查：审核维护记录，并将涡轮机状态与技术文档进行比较；要特别检查变速箱、其他齿轮或轴承配件是否有腐蚀、明显裂纹和可疑噪音迹象；此外，对一些特定类型的涡轮机还要进行详细调查，如某个生产期内质量管理方面已知的问题、某些部件或设计缺陷导致过早的损坏等。

对涡轮机主要部件，如转子叶片、支承结构和基础状态进行仔细评估，建议在损坏严重情况下立即关停涡轮机，以免危及继续运行的安全。然而，大多数检查结果发现损伤较小，且是由腐蚀、风化和材料疲劳引起，如转子叶片或电缆需经常维护、风电场周围环境变化需密切关注、计算湍流时须考虑邻近位置的膨胀等。

分析评估

在寿命延长计算时，除将工作负荷与设计负荷进行比较外，还要考虑物理检查的结果。疲劳负荷用模型软件进行模拟，该模型考虑了场地特定风力条件和设计条件。对所有有助于涡轮结构稳定的承重部件进行检查：包括塔楼和基础、螺钉和螺栓、传动链承重部件、轮毂、轴、转子叶片、制动系统和安全装置。评估报告给出了到达设计负荷前的剩余时间。此外，根据计算结果，编制一份说明，强调继续运行所需的立即措施及在规定时间内须采取的措施，如更换零件或个别检查等。

只要风电场在其设计寿命内运行，且不超过设计条件，就能使材料疲劳损伤保持在规定的安全水平内。TUV SUD经验表明，许多涡轮机仍可在设计寿命外运行，且不超过这个安全水平。在许多情况下，现场风况使负荷比原计划要低，因此，涡轮机支承结构往往没有明显损坏，通常只需较小和经济的必要维修。寿命延长评估决定涡轮机是否可继续运行，并协助管理人员和经营者规划其资产的未来。

寿命延长评估也可用于计划维修和预测涡轮机剩余寿命期可能发生的成本。通常在涡轮机设计寿命结束后，在申请延长保单时，服务提供商也会要求进行该评估。