海洋潮流能发电机组安全系统的研究开发

贾法勇， 褚景春， 袁 凌， 王 婷

（国电联合动力技术有限公司 国家能源潮汐海洋能发电技术重点实验室， 北京 100039）

0 引言

海洋潮流能是海洋能的重要组成部分， 主要是指海底水道和海峡中较为稳定的海水流动，以及由于海洋潮汐导致的有规律的海水流动所具有的能量[1]。 据统计，全球可开发利用的海洋潮流能资源约为300 GW[2]，[3]。 中国沿岸130 个水道的理论平均功率约为14 GW， 浙江沿岸37 个水道的理论平均功率约为7.09 GW， 其中舟山市的潮流能资源最为丰富，理论总功率约为2.57 GW[3]，[4]。

海洋潮流能在能量密度、稳定性、可预测性和生态环境等方面具有诸多优势， 是国内外学者的研究热点[5]。 2003 年，英国MCT 公司研制的300 kW 海洋潮流能发电机组“SeaFlow”开始发电，之后， 世界海洋潮流能发电技术与装备得到了快速发展[6]，[7]。在“SeaFlow”基础上，1.2 MW 海洋潮流能发电机组“SeaGen”成功并网运行，为大规模开发利用海洋潮流能展现了美好的前景[6]，[8]。 目前，海洋潮流能发电装备已经处于样机测试和示范运行阶段，海洋潮流能发电技术基本成熟。英国、荷兰、法国和加拿大等国均实现了海洋潮流能发电机组的并网运行， 单台2 MW 漂浮式发电机组已经研制成功[9]。 我国于2010 年5 月设立的“国家海洋可再生能源专项资金” 有力地推动了海洋能利用水平的快速提升[10]。 国电联合动力技术有限公司依托专项资金的资助而研制的300 kW 海洋潮流能发电机组在舟山摘箬山岛进行了为期1 a 的实海况运行，机组运行状态良好。

由于海洋潮流能发电机组长期在海水中运转，加之海况条件复杂[5]，[11]，[12]，因此防止海水泄漏、 保证机组安全是最基本也是最重要的要求。在前期的海洋潮流能发电机组海上试验过程中，发生过海水泄漏的情况，致使机组不能连续运行发电，这也成为制约海洋潮流能发电装备产业化发展的一个重要因素。研究开发海洋潮流能发电机组安全系统， 阻止海水进入机组内部造成损坏，保证其长期安全运行是至关重要的。 本文为国电联合动力技术有限公司研制的300 kW 海洋潮流能发电机组设计了一套集密封、报警、视频与信号监控于一体的安全系统，为机组的长期运行提供了安全保障。

1 300 kW 海洋潮流能发电机组

国电联合动力技术有限公司研制的300 kW海洋潮流能发电机组采用“水平轴+双叶片+变速变桨控制+漂浮式基础”的总体技术路线。 机组在海平面以下12 m 处运行，叶片长度为7.25 m，机组总重为32 t。机组采用270°变桨技术，额定流速为2.0 m/s，切入流速为0.5 m/s。机组连续无故障实海况运行1 a 的时间，期间各项性能指标均优异。

300 kW 海洋潮流能发电机组如图1 所示。从图1 可以看出，该发电机组主要包括叶片、轮毂、主轴、齿轮箱、联轴器、发电机、变桨轴承等主要部件，机组没有外部封闭机舱，机组外表面直接与海水接触。 如果没有可靠的安全系统保障，发生海水泄漏时，海水会直接进入发电机组内部，对轮毂内部元器件、齿轮箱和发电机等重要部件造成危害。 因此，研究开发安全保护系统尤为重要。

图1 300 kW 海洋潮流能发电机组Fig.1 The 300 kW tidal current energy turbine

2 300 kW 海洋潮流能机组安全系统

300 kW 海洋潮流能发电机组的安全系统由密封保护子系统、泄漏报警子系统、视频影像子系统和信号监控子系统组成（图2）。

图2 300 kW 海洋潮流能发电机组的安全系统Fig.2 The safety system for 300 kW tidal current energy turbine

密封保护子系统主要包括机组静密封和旋转动密封，是安全系统的第一道防线，起到隔离海水与发电机组内部结构的作用，防止海水在不同部件的接触部位渗漏到机组内部。 泄漏报警子系统主要包括海水泄漏传感检测部件，可对密封报警子系统进行实时监测，如果海水渗漏到发电机组，就会触发报警装置发出报警信号。 视频影像子系统设置在潮流能机组内部关键位置，对机组内部的运行状态进行实时视频观测与成像处理，并能直观观测机组内部是否有海水渗入。 信号监控子系统是安全系统的枢纽， 可对泄漏报警子系统和视频影像子系统的运行状态进行实时监控， 对安全系统的信号、数据进行采集和分析。

3 机组安全系统

3.1 密封保护子系统

密封保护子系统主要包括静密封和旋转动密封。其中，静密封主要是指设置在发电机组不发生相对运动的接触部件之间的静密封圈， 包括主轴与轮毂、齿轮箱与联轴器舱、联轴器舱与发电机、发电机与接线舱、接线舱与舱盖、以及导流罩与轮毂、轮毂与变桨轴承、变桨轴承与叶片等连接部位的静密封圈。 密封保护子系统的静密封采用双道密封圈， 在机组部件接触面连接螺栓的内外圆周各设置一道密封圈，既提高了密封的可靠性，又起到对螺栓的保护作用。 旋转动密封是指设置在发电机组有相对运动的接触部件之间的动密封结构，包括齿轮箱与主轴之间以及变桨轴承内、外圈之间的旋转动密封。相对于静密封而言，旋转动密封的设计难度更大。

3.1.1 齿轮箱与主轴之间的旋转动密封

齿轮箱与主轴之间的旋转动密封的作用相当重要，一方面防止海水泄漏到齿轮箱，另一方面防止齿轮箱润滑油泄漏到海水里， 对齿轮箱造成损坏，进而影响发电机组的安全运行。 如图3 所示，300 kW 海洋潮流能发电机组具有5 道密封。外侧第1 道密封防止海洋中的杂质颗粒物， 第2 道与第5 道密封主要通过保压和油脂回路进行密封。第2 道与第3 道密封之间形成油腔1， 第3 道与第4 道密封之间形成油腔2， 外部润滑油进入油腔形成一定的压力， 利用油腔的压力有效阻止了海水的渗入。第4 道密封为反装，在第4 道与第5道密封之间形成油腔3， 多余润滑油在油腔3 汇聚并被吸出。第5 道密封防止齿轮箱泄漏润滑油，并防止泄漏的海水进入齿轮箱。

图3 齿轮箱与主轴之间的旋转动密封Fig.3 The rotary sealing between gearbox and principal shaft

3.1.2 变桨轴承内、外圈之间的旋转动密封

300 kW 海洋潮流能发电机组的叶片能够通过270°变桨技术， 实现对双向海流能的高效捕获。叶片变桨动作是通过变桨轴承来实现的，变桨轴承外圈结构固定于轮毂上，内圈安装叶片，内外两部分能够相对转动。变桨轴承内、外圈之间的旋转动密封的作用是阻止海水通过内、 外圈之间的缝隙进入轮毂，对轮毂内部元器件造成危害，进而影响发电机组的安全运行。如图4 所示，变桨轴承内、外圈之间设计了3 道密封，以阻止海水进入轮毂。外侧第1 道密封除了隔离海水外，还起到防止海水中杂质进入变桨轴承的作用。 第2 道密封起到加强防护的作用。第3 道密封反向安装，防止变桨轴承润滑油的渗漏。 在变桨轴承第1 道密封与第2 道密封之间，设计了压力监测通道。

图4 变桨轴承内、外圈之间的旋转动密封Fig.4 The rotary sealing between internal and external parts of pitch bearing

3.2 泄漏报警子系统

由于机组主轴和叶片一直在不停地旋转运动，旋转动密封不可避免会发生磨损，长时间的磨损可能会导致密封作用失效。因此，在这两处旋转动密封中设计了泄漏报警传感装置来预警动密封作用的失效。其中，齿轮箱与主轴之间的旋转动密封报警采用监测动密封润滑油位的技术来实现。动密封润滑油通过供油管路以一定的压力注入油腔1 和油腔2， 多余的润滑油在油腔3 通过回油管路吸收回油箱，形成循环回路（图3）。 如果发生泄漏， 一方面海水可能通过回油管路进入润滑油箱，使得润滑油位增加；另一方面，润滑油会泄漏到海水里，使得润滑油位快速下降。通过监测润滑油位的变化情况进行泄漏报警， 当油位达到设定的最高或最低限值， 泄漏报警传感装置就会发出报警信号。叶片变桨轴承内、外圈之间的旋转动密封报警采用监测通道内压力变化的技术来实现。如果旋转动密封的密封作用失效， 海水突破第一道密封防线， 那么压力监测通道内的压力就会逐渐达到发电机组运行位置处的海水压力； 如果压力达到最高限值，就会发出报警信号，警示第一道密封的密封作用已经失效。

3.3 视频影像子系统

由于潮流能发电机组长期在海水中运行，机组内部的运行状态无法直接观察到。 为此，300 kW 海洋潮流能发电机组配置了水下视频影像系统， 对发电机组内部须要重点关注的部件， 实施24 h 不间断视频观测。 图5 为300 kW 海洋潮流能发电机组水下运行时， 机组内部运行的视频影像。300 kW 海洋潮流能发电机组在轮毂内部变桨部位、 联轴器连接部位和尾部接线舱高速轴部位均设置了水下视频影像装置， 能实时直观地观察到发电机组的运行情况。

图5 机组内部水下视频影像Fig.5 The undersea video image inside of turbine

3.4 信号监控子系统

信号监控子系统是对包括齿轮箱与主轴之间的旋转动密封报警信号、变桨轴承内、外圈之间的旋转动密封报警信号、 视频影像信号以及其他为了发电机组安全运行而设计的安全系统报警信号实施不间断监控的系统平台。300 kW 海洋潮流能发电机组的信号监控子系统的主要作用包括以下方面。

①数据采集与储存。 对密封泄漏报警信号、视频影像信号以及其他安全报警信号的数据进行不间断采集并储存在系统平台内，以便查询、处理和分析。

②实时监控。 实现在海上平台监控室对安全系统进行信号监测与状态控制，具有及时性、连续性和不间断性等优点。

③统计查询。 能够绘制实时数据曲线或指定时间段内的数据曲线，查询、分析实时数据和历史趋势。

④远程监控。 通过计算机网络通讯，实现在中央监控中心对安全系统进行信号监测与状态控制的功能。

4 整机密封性试验

海洋潮流能发电机组在下海运行前必须进行整机密封性试验，300 kW 海洋潮流能发电机组采用向机组内部充压的方法进行试验。 机组密封性试验过程如图6 所示。 在机组叶片根部法兰和尾部接线舱法兰各预留一个充气孔，在机组的前后位置同时加压，以保持机组内部各个部分压力的均衡。

图6 300 kW 海洋潮流能机组的密封性试验Fig.6 The sealing test for 300 kW tidal current energy turbine

充压介质为清洁空气。 试验过程分为充压和泄压两个阶段。 其中，充压阶段采取压力分阶段缓慢上升方法， 速率以每5 min 压强升高不超过0.01 MPa 为宜。 每次升压均为试验压力的10%，每次保持时间不少于30 min；如无异常，直至升至最高试验压力，保持时间不少于180 min。 每次保压阶段，检查压力是否变化，以及发电机组是否有其他异常。 保压期间不得采用连续加压的方式来维持试验压力不变。 在泄压阶段，首先将压力下降至0.85 倍的试验压力， 保持时间不少于60 min；在泄压时严禁使用快速排气的方法，以免发生危险。 最高试验压力应该至少不低于潮流能发电机组长期运行位置海水压力的1.5 倍。

300 kW 海洋潮流能发电机组的密封试验过程中，机组的密封保护子系统没有泄漏发生，泄漏报警子系统、 视频影像子系统和信号监控子系统的监控信号均正常， 达到了机组实海况运行的安全要求。

5 结论

本文为300 kW 海洋潮流能发电机组开发了集密封、 报警、 视频与信号监控于一体的安全系统。 机组实海况安全运行了1 a 的时间，期间各项性能指标均优异，机组的密封保护子系统、泄漏报警子系统、 视频影像子系统和信号监控子系统均工作正常。 实海况运行表明，300 kW 海洋潮流能发电机组的安全系统是可靠的。 为300 kW 海洋潮流能发电机组开发的安全系统及相关技术，可以应用于其他海洋能发电机组的安全运行保护，为海洋能发电机组的长期、 稳定发电运行提供了技术支持。