高寒地区低温型风力机设计研究

李 萌

(淮北职业技术学院，安徽 淮北 235000)

中国风能开发利用较为成熟的区域主要分布在低海拔或者低纬度地区[1]。在属于高寒地区的黑龙江省北部、青藏高原、云贵高原部分地区,由于大气压力小、气候寒冷干燥、地质条件不佳,使得这些地区的风电场建设尚处在起步和试验阶段。国内高寒地区地域广阔、能源缺口大,风能资源有很大的开发利用潜力,迫切需要推导出科学有效的低温型风力机设计方法和规范。

1 高寒环境对风力机影响

1.1 低温条件对风力机影响

高寒地区的特点是冬季气温比较低,甚至全年气温都偏低,例如青藏高原的年平均气温一般都在10℃以下[2]。温度随着海拔高度增加而降低是大气对流的主要特征之一,海拔每升高1000m,温度约下降5℃,其关系如表1所列。风力机的可靠性和维护性都受到这种高寒低温工况的极大影响,可能导致风电机组的运行超出设计许用范围,甚至引发严重的安全事故。外部环境温度低,润滑剂和液压油粘度增加,润滑性能降低可能引起齿轮箱、电机、轴承等部件因载荷变化而导致磨损加剧[3]。低温型风力机需选用耐低温性能较佳的专用润滑油,并在必要时通过加热使油温维持在正常水平。

表1 气温、空气密度与海拔高度的关系

变速箱、传动轴等风力机传动部件均为金属材质,其强度和刚度会受到环境温度的一定影响。应重点防止金属材料低温时可能出现的脆性断裂现象,提高风力机结构部件低温下的生存能力和抗冲击能力。风力机塔架、机舱底座等承载部件一般由Q345钢板焊接而成,其疲劳极限会随着温度的下降而降低,焊缝的焊接质量也直接影响其安全性能。采用耐低温的Q345D甚至Q345E钢材,焊接时避免焊缝应力集中,采用预热和热处理等工艺措施,是破解低温型风力机制造难题的有效手段。风力机叶片一般采用耐低温性能更佳的玻璃纤维复合材料制成,但在环境温度低于-20℃、风速超过16m/s-18 m/s的极端风况下,定桨距失速型风力机叶片可能出现无规律的失速振动现象[4]。这种现象发生会影响风电机组的发电性能,严重时还会导致叶片根部结构失效,叶片产生裂纹甚至折断破坏。高寒地区地质环境复杂,部分地区有多年冻土存在。这种地质条件下的基础设计和施工,要充分考虑冻土层因反复冻融作用而具有流变性带来的影响。在风电场运维时,注意实时监测塔架倾斜、基础沉降等情况,以防止出现风力机倾覆的严重事故。

1.2 覆冰问题对风力机影响

高寒地区气候变化多样,部分地区一年当中可能出现很长时间的凝冻天气。空气湿度大、环境温度低,低温设备和金属零件可能出现凝露甚至结冰现象。例如贵州盘县四格风电场,一年有差不多近一个月的凝冻天气,覆冰问题严重,发电损失大。叶片结冰现象会改变叶片的气动外形,影响风轮质量的动平衡,甚至会造成其疲劳损坏。覆冰在叶片旋转时可能因为离心力或者融化等原因被抛出,对附近的人畜或建筑物安全造成潜在的威胁[5]。机舱覆冰和塔筒外壳结冰还将影响风力机正常运行和偏航控制,破坏风力机表面的防腐防锈能力。环境温度低、昼夜温差大,容易使电器设备产生凝露,加速元件腐蚀、降低表面电阻,使绝缘性能降低、安全系数下降。

2 低温型风力机设计改进

2.1 风力机结构设计改进

低温型风力机运行温度一般为-30℃～+40℃，生存温度为-40℃～+50℃。如果风电场所在地区平均每年气温低于-20℃的天数大于9天，就需要考虑安装低温型风力机。例如内蒙古赤峰市克什克腾旗的塞罕坝地区，年无霜期只有3个月，最低气温可达-42℃，属于高原高寒气候。大唐赤峰公司从2004年开始在该地区建设风电场，并首次采用适用于低温环境的改进型风电机组。2019年6.45MW低温型风电机组在辽宁大连庄河海域投入运行，这是我国北方低温地区的首个海上风电项目。

高寒地区的风力机结构设计,应考虑空气密度、温差变化、低温低压、日照辐射等因素引起外部载荷和结构承载能力变化的特殊情况。金属材料的弹性模量、泊松比、热膨胀系数等特性,复合材料、密封元件、弹性元件的刚度、弹性系数、阻尼等特性在这些因素作用下均将发生改变,可能造成风力机结构的机械性能差异。同时机械传动链的阻尼、机械刹车性能也可能与普通型风力机有较大不同,需要在载荷计算时对上述因素影响加以重点分析。因此,低温型风力机的金属部件要选取具有抗冲击性能和抗疲劳性能的耐低温材料,焊接结构和高强度螺栓需满足最低生存温度下的断裂韧性要求,同时考虑低温环境预应力和装配间隙发生变化对结构设计的影响。低温型风电机组的润滑脂、润滑油、冷却液及散热系统应能满足极限低温条件下的安全要求。

国内的大多数高寒地区,海拔高气压低,相对空气密度较小。在标准空气密度条件下,风力机叶轮直径D0的计算公式为:

D0=[8P/(Cpρ0V3πη1η2)]1/2

(1)

其中,P为风力机叶轮从风源获取的功率(W),ρ0为标准空气密度(kg/m3),V为风轮中心高度处的设计风速(m/s),η1为发电机效率,η2为传动系统效率,CP为风能利用系数。

当空气密度由ρ0变化为ρ1时,假设其他条件不变,则风力机叶轮直径D1的计算公式为:

D1=[8P/(Cpρ1V3πη1η2)]1/2

(2)

上述两式相比,得到低温型风力机叶片直径的修正公式:

D1=(ρ0/ρ)1/2D0

(3)

如果以海拔4000m时相对空气密度ρ/ρ0=0.65带入,则得到D1=1.24D0。这意味着在其他条件不变的情况下,高寒地区的风力机叶轮直径设计至少要比普通地区增大20%以上时,才能获得相同的风力机输出功率[6]。由于风速会随着高度的提升而增大,可适当提高风力机叶轮安装高度以捕获更多风能。高寒地区地形复杂,运输难度大,安装条件差,不利因素往往限制风力机叶片的加长。可考虑重新设计叶片翼型、加大叶片最大宽度、优化叶片气动外形,适当降低风力机承受载荷和切入风速,以增强风电机组发电能力。

加大对玻璃纤维复合材料叶片的耐低温防护,提前进行碳纤维复合材料叶片的研发工作和高寒试验。为解决风力机叶片低温、覆冰等问题,通常在叶片表面覆涂疏水性涂料以形成防冰涂层,通过降低叶片表面附着力防止结冰。必要时可在叶片根部设计加装鼓风设备,通过风管往叶片空腔吹入加热后的热空气,然后经过热循环对叶片进行除冰作业。加热装置可以采用更为安全的陶瓷发热体,尽可能减少火灾发生隐患。

2.2 风力机电气设计改进

高寒环境的风力机电气设计,需要通过试验修正风力机功率曲线,优化风力机控制策略,实现风力机监测和保护智能化。为提升高寒环境下风力机的可靠性,需要选用耐湿度性能好的绝缘材料,并为发电机和电器柜等部件配备必要的加热装置,以保障风力机正常稳定运行。

高寒地区海拔升高空气密度降低,单位空气的比热容减小,风力机散热效率下降,风电机组设备温升需进行修正。高压电器设备温升按照式(4)进行修正[7]。

(4)

其中，Kt为温升的海拔修正系数,H为风电场海拔高度，m；TH为高海拔地区设备允许温升，K；T2000为2000m海拔高度设备标准许用温升。

高寒地区所处的低温环境可以补偿一部分低压设备的温升,可用下式对风电机组低压设备极限温升进行修正。

T=To+ΔT

(5)

其中,T为各海拔高度的温升极限值,To常规条件下标准温升极限值，K,ΔT为温升极限值的海拔修正值，K,取值如表2所列。

表2 温升极限的海拔修正系数

当海拔超过2000m时,由于空气密度降低,低压开关电器的性能会受到影响。除专门为高海拔地区设计的产品外,其他产品应进行降容处理。普通的变压器和变流器应用在低温型风力机时也应降容使用,一般海拔每升高1000m,降容10%,降容后应能保证风电机组实际功率曲线满足设计要求[8]。

3 结束语

在高寒地区,中国已经开展了利用风电技术获取清洁能源的不断探索和有益尝试。在兼顾安全性和经济性要求的前提条件下,研究通过增大叶片长度、提高轮毂高度、采用防覆冰措施、修正电气设备温升等一系列措施,对风力机的结构和电气部分进行针对性设计和改进。研究成果将为低温型风力机设计制造提供技术指导,为解决高寒地区能源短缺问题提供宝贵经验。