风力发电机组的风沙危害及防风沙措施探讨

陈亮亮，王 佳，杨丽薇，韩 源，高立刚

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

近年来，风能资源的开发利用已经受到世界各国的高度重视。风能作为一种无污染、可再生的优质资源，已经成为世界各国的战略选择。中国幅员辽阔，风能资源储量巨大，今后必将成为能源结构中一个重要的组成部分。

目前，随着风力发电工程的大面积铺开，在全国各地的高原、山岭、戈壁、荒漠、近海等处，都能见到风力发电机组的身影。这些复杂的地形地貌造成了不利的环境条件，包括：低温、冰冻、风沙、雷击、地震、腐蚀等，给风电机组的运行带来了不小的影响。这些环境条件中以风沙的危害最为常见和突出，是陆上风电机组在设计时最为关切的因素。

1 风沙危害

1.1 风沙对机电设备的危害

众所周知，风沙对机电设备的危害大致分为以下几个方面：

(1) 沙尘堆积在电气开关、电磁铁芯等处，形成集尘效应，可能造成器开关误动、电磁铁动作不稳定，轻则影响设备的正常操作，重则造成二次回路短路引发事故。

(2) 沙尘进入传动部件的润滑脂中，会加剧旋转机械的磨损，降低轴承的使用寿命，影响传动部件的正常运动机能。

(3) 沙尘附着在冷却系统的过滤装置上，会极大地影响散热效果，致使设备运行温度过高，易发生火灾或者设备高温停机。

(4) 风沙中的砂石冲击打磨设备外表面，损坏设备表面漆层，产生外漆面的打磨效应，损坏绝缘层的釉质，不但影响电气设备的外观，更主要影响电气绝缘性能。

1.2 风沙对风电机组的影响

风电机组是一类特殊构造的机电设备，主要由叶片、轮毂、机舱、塔筒等组成。风电机组需要通过捕捉和吸收风能才能发电，所以更易受到风沙的影响。

根据工程经验，风沙对风电机组的影响主要集中在以下几个部位：

(1) 对叶片的影响

叶片是风电机组的关键部件，是保证机组发电量的重要因素。在挟沙风的作用下，叶片非常容易受到风沙的冲蚀，使其表面出现“冲蚀坑、裂纹及纤维布漏出”等现象，导致整套机组在运行时会出现杂音、阻力及噪声。冲蚀坑在雨季的积水会增加叶片遭受雷击的概率，极端情况下的雷击会导致叶片的破裂或断裂。以上影响不仅缩短了叶片的使用寿命，也增加了运营维护成本。

(2) 对轮毂的影响

轮毂是风电机组的重要部件，轮毂中的变桨系统通过控制叶片的角度来控制叶轮的转速，进而控制机组的输出功率。变桨系统的轴承一旦进入风沙，将会逐渐和润滑油脂混合在一起，造成轴承滚道和滚子的损伤，加速轴承失效。

(3) 对机舱的影响

机舱是风电机组的核心部件，舱内设备主要包括齿轮箱或变流器、发电机、控制系统的电力电子元件等。机舱的罩壳作为舱内设备抵抗恶劣环境的保护壳，同时也为维护人员提供安全封闭的操作空间，其重要程度不言而喻。机舱如果被风沙渗透，将有可能造成齿轮箱的轮齿损伤和轴承损坏、发电机短路故障、变流器功率模块的损坏、控制系统的失灵和告警。

(4) 对塔筒的影响

塔筒在风电机组中主要起支撑作用，同时能够吸收机组的震动。大风裹挟着沙尘，高速冲击打磨塔筒的外表面，给塔筒表面的防护涂料造成磨损和损伤，失去涂层保护的塔筒极易出现锈蚀，久而久之会造成塔筒的力学性能下降，极端情况下甚至会使局部丧失承载能力，为事故埋下隐患。

塔筒门的开闭机构及门锁装置，也有可能因为沙尘的侵蚀而出现阻塞、失效的现象，给维护人员带来诸多不便。

(5) 流动沙丘的影响

流动沙丘是分布最广的沙丘之一，流动沙丘的特征为地表植被稀少、沙丘形态典型，在风力的作用下，容易顺风向移动。

风电机组的塔筒如果被流动沙丘淹没，会阻碍运维人员的正常检修，其过高的丘顶还会影响叶片的正常运转，沙丘的移动也有可能造成基础的不均匀沉降，破坏机组的运行稳定性。

箱式变电站如果被流动沙丘淹没，变电站的整体散热性能会极大下降，电气设备的绝缘距离也会因不足而发生接地事故。

集电线路如果被流动沙丘淹没，在沙丘达到一定高度后，滑动的沙土会对埋没的杆塔产生一定的压力(冲力)，当压力(冲力)超过杆塔组件的设计承受荷载时，杆塔整体或组件会发生变形或破坏。

对于生产运营单位来说，每年都需要对受损的电气设备和杆塔组件进行维修和更换，这些损失极大地增加了运营的成本。

2 防风沙措施

根据多年的设计经验，结合风电机组制造厂的生产经验和以往工程的运行经验，风电机组的防风沙措施，必须从机组设计之初就予以考虑，这样才能从根本上避免和克服风沙对机组的影响。

针对风电机组不同部位的防治措施，应从密封工艺、涂装工艺、结构设计和“四新”应用4个方面来考虑，具体内容划分如表1所示。

表1 不同部位沙尘防治的基本措施表

2.1 叶片的防风沙措施

叶片应采用耐候性能和力学性能优良的面漆，如聚氨酯材料，在柔韧兼顾的同时，具有抗紫外线辐射、耐酸、耐碱、耐盐雾等特性，使叶片不易受到污染物和沙尘的冲蚀。

叶片的前缘更易受到风沙的侵蚀，可以采用高性能保护漆或增大涂料厚度，以保证叶片前缘免受风沙的冲蚀。

2.2 轮毂的防风沙措施

轮毂的罩壳应采用流线型设计，阻力较小，一定程度上可以减弱砂石的磨损。

轮毂中的变桨轴承应采用可靠的密封工艺，如双唇口密封，以防止沙尘或杂质的入侵。

轮毂的罩壳与其他部件的连接和旋转部位可以增加尼龙毛刷或翻边雨眉，以阻挡风沙的入侵，不但成本低廉，而且安装简单、效果明显。

2.3 机舱的防风沙措施

机舱的罩壳也应秉承流线型设计原则，以减弱砂石的磨损。

机舱内的散热通道应采用专门设计，不应形成空气对流，对于没有齿轮油冷却系统的机组来说，可以采用全密封设计，以保持舱内清洁。

机舱内的发电机应选用不低于IP54的防护等级，发电机过渡连接部位应设置接触式密封板。

机舱内的液压系统应采用专门设计，如闭式结构，以保证系统内部与外界沙尘的隔绝，长时间保持油液的清洁度，保证了其使用寿命。

机舱内的齿轮箱通气部位应加装可靠的防尘装置，防止沙尘因空气流通混入箱体内部。

机舱内的控制系统各元器件均应安装在密封箱或者密封性能良好的盘柜内。

2.4 塔筒的防风沙措施

塔筒的防护涂料应选用韧性较好的涂料，如环氧漆，配合聚脲弹性体，能够吸收沙尘对塔筒表面的冲击，有效防护沙尘对塔筒的冲蚀。

塔筒门及通风孔应采用专门设计，安装防尘罩或采用防尘材料，以实现多级过滤，有效降低沙尘从机组底部侵入的可能性。

2.5 流动沙丘的专项措施

对于处于流动沙丘活动范围内的风电机组，首先应采取抬高基础的方法保护机组，其次根据当地环保政策，可在典型移动沙丘的缓坡面种植灌木、陡坡面种植高杆植物，以减小沙丘的移动。

3 典型案例

项目地点：内蒙古锡林郭勒盟。

项目环境：项目所在地风沙较大，空气中沙尘含量高，沙尘暴较频繁。

解决方案：叶片防护材料采用高质量面漆；轮毂采用双唇口密封的方式；机舱罩接缝、塔筒各段间的接缝均采用舌形密封胶条；传动与静止部件缝隙采用针对性密封解决方案，满足沙尘环境下机组稳定运行；低转速外转子永磁同步发电机+氟硅橡胶全防护定子，避免微小沙尘对发电机的影响；通风散热系统采用折叠式过滤网，通风面面积大，风阻小，有效阻隔沙尘。

运行效果：机组可利用率达98%以上，可利用小时数达到设计结论(排除限电因素)。

项目经验：该项目机组在大风沙极端气候条件下能够正常发电，没有发生由于沙尘原因停机的现象，保证了机组的正常运行，保障了业主的发电量。

4 新技术的应用及相关措施

随着密封工艺和涂装工艺的发展，一些新技术也在防风沙领域中尝试应用，如高弹性涂料、全密封轴承技术和微正压密封技术等。

(1) 高弹性涂料：桨叶和塔筒的外壁可采用丙烯酸树脂或聚脲涂料等作为面漆，虽然增加了一定的成本，但具有优异的理化性能，如抗拉强度、伸长率、柔韧性、耐磨性等。

(2)全密封轴承技术：轮毂和机舱的轴承可采用密封防护罩，静止部件采用密封胶封堵，最大限度地保证运动部件的润滑和清洁。

(3)微正压密封技术：机舱和塔筒可增设微正压装置，使机舱和塔筒内的空气压力始终保持在略微大于外界环境压力的状态，致使沙尘不得侵入。

除以上几点，各个风电机组厂家还在大力研发更加安全、更加可靠的其他防风沙新技术。

5 结 语

综上所述，采用了防风沙措施的风电机组相较未做防护的风电机组，具有更高的发电量和更低的故障率，使得机组在大风扬沙、移动沙丘乃至沙尘暴等不利条件下都能有相对良好的运行表现。

需要注意的是，进行风电场整体布置时，应当尽量避免选择沙漠或者流动沙丘地带；电气设备外壳防护等级的选择应与环境条件相适应，不可一味追求高标准；同时呼吁国家或行业尽快出台风电场的防风沙设计规范及标准，为今后大型风电场或风电基地的设计提供更加权威、可靠的依据。