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近年來,風(fēng)力發(fā)電成為福建省電力能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點(diǎn),截至2010年底,福建全省風(fēng)電總裝機(jī)容量55.77萬千瓦。風(fēng)力發(fā)電帶動(dòng)沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí),也時(shí)常飽受臺(tái)風(fēng)侵?jǐn)_之惑,給安全生產(chǎn)工作帶來影響。
本文以福建大唐漳州六鰲風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備事故為案例,從技術(shù)手段和管理措施兩個(gè)層面,詳細(xì)闡述沿海地區(qū)如何加強(qiáng)和提高風(fēng)電機(jī)組抗擊臺(tái)風(fēng)的能力。
臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響特征包括極端風(fēng)速、突變風(fēng)向和非常湍流等,這些因素單獨(dú)或共同作用往往使風(fēng)電機(jī)組不同程度受損,如葉片因扭轉(zhuǎn)剛度不夠出現(xiàn)通透性裂紋或被撕裂;風(fēng)向儀、尾翼被吹毀;偏航系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)受損等,以及嚴(yán)重的風(fēng)電機(jī)組倒塔。
六鰲風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備損壞事故分析
六鰲風(fēng)電場(chǎng)位于福建省漳浦縣六鰲半島東側(cè)的海岸線地帶,目前在役總裝機(jī)容量為101.6兆瓦,總計(jì)85臺(tái)風(fēng)機(jī)。工程分三期開發(fā),共用一個(gè)升壓站集中控制。
2010年10月23日12時(shí)55分,強(qiáng)臺(tái)風(fēng)鲇魚在福建漳浦縣六鰲鎮(zhèn)正面登陸,登陸時(shí)近中心大風(fēng)力13級(jí)(38米/秒),中心大氣壓為970百帕,是2010年強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。
強(qiáng)臺(tái)風(fēng)鲇魚的正面登陸造成六鰲風(fēng)電場(chǎng)三期Z13號(hào)風(fēng)機(jī)倒塔、Z10號(hào)風(fēng)機(jī)葉片折斷。造成一期兩臺(tái)箱變線圈短路燒損;二期兩臺(tái)風(fēng)機(jī)輪轂進(jìn)水,控制柜內(nèi)元器件損壞;三期Z2、Z13號(hào)兩臺(tái)箱變繞組短路燒損。
事故原因分析:1.臺(tái)風(fēng)造成的瞬時(shí)風(fēng)速、湍流強(qiáng)度和入流角超過受損風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn),是事故的直接原因。
依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn),Z72-2000型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可承受極端風(fēng)速(50年一遇3秒平均)為70米/秒,大湍流強(qiáng)度為0.16,大入流角為8。
根據(jù)福建省氣候中心的風(fēng)速計(jì)算報(bào)告結(jié)果,在Z13號(hào)風(fēng)機(jī)倒塔時(shí)段內(nèi)瞬時(shí)計(jì)算風(fēng)速(3秒鐘平均)達(dá)70.2米/秒,湍流強(qiáng)度達(dá)0.3以上,超出了風(fēng)機(jī)可承受的極端風(fēng)速及湍流極大值;在Z10號(hào)風(fēng)機(jī)葉片折斷時(shí)段內(nèi)湍流強(qiáng)度高達(dá)0.3以上,入流角20以上,湍流強(qiáng)度和入流角均大大超出風(fēng)機(jī)可承受的大湍流強(qiáng)度和大入流角。
2.臺(tái)風(fēng)造成箱變進(jìn)水短路,導(dǎo)致風(fēng)機(jī)失去電網(wǎng)電源,是事故擴(kuò)大的原因。
強(qiáng)臺(tái)風(fēng)將三期Z2、Z13號(hào)兩臺(tái)箱變頂蓋掀開,致使雨水進(jìn)入,箱變發(fā)生短路
。 Z13號(hào)風(fēng)機(jī)葉片由于超強(qiáng)風(fēng)速和高湍流帶來的瞬時(shí)極大變槳扭矩超出變槳伺服電機(jī)尾部剎車所能承受的極限,被迫向工作位置(0)變槳。當(dāng)葉片向工作位置旋轉(zhuǎn)后,風(fēng)機(jī)變漿系統(tǒng)又自動(dòng)動(dòng)作對(duì)葉片進(jìn)行收槳操作。由于Z13號(hào)箱變短路,Z13號(hào)風(fēng)機(jī)失去電網(wǎng)電源,葉片收漿只能靠蓄電池提供控制動(dòng)力。因持續(xù)大風(fēng)及高湍流,葉片多次被吹至工作位置并反復(fù)收槳。葉片反復(fù)收漿,導(dǎo)致蓄電池電量耗盡,終葉片無法收漿。由于此時(shí)風(fēng)機(jī)處于空載狀態(tài),葉輪不斷加速直至飛車,輪轂轉(zhuǎn)速急劇上升造成風(fēng)機(jī)其它部分(葉片及塔筒)載荷也隨之急劇增大,葉片及塔筒螺栓承受載荷超出其設(shè)計(jì)載荷,后導(dǎo)致風(fēng)機(jī)倒塔、葉片斷裂。
事故暴露的問題1.沿海地區(qū)的風(fēng)電機(jī)組不具備抗強(qiáng)臺(tái)風(fēng)能力。
本次事故的Z72-2000型風(fēng)機(jī)變槳制動(dòng)力矩在設(shè)計(jì)時(shí)考慮50年一遇3秒鐘平均70米/秒的極端風(fēng)速情況和0.16的湍流強(qiáng)度,相對(duì)于強(qiáng)臺(tái)風(fēng)鲇魚正面登陸帶來的極端風(fēng)速伴隨的高湍流和大入流角,變槳制動(dòng)力矩不足,制動(dòng)策略不能滿足抗強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的要求。風(fēng)電機(jī)組箱變頂蓋與箱體的聯(lián)接強(qiáng)度不夠,抗臺(tái)風(fēng)能力不足,致使箱變頂蓋被強(qiáng)臺(tái)風(fēng)掀開,雨水進(jìn)入變壓器及盤柜的電氣元件,造成短路。
2.風(fēng)電機(jī)組微觀選址工作中部分計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況偏差較大。
六鰲三期風(fēng)電機(jī)組微觀選址時(shí)對(duì)局部區(qū)域的湍流強(qiáng)度分析計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在較大差別。根據(jù)湘電公司提供的六鰲三期風(fēng)機(jī)安全性復(fù)核報(bào)告,微觀選址的13個(gè)機(jī)位根據(jù)12個(gè)月的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)計(jì)算出的平均湍流強(qiáng)度0.109,大湍流強(qiáng)度為0.128,遠(yuǎn)小于此次臺(tái)風(fēng)登陸后實(shí)際的湍流強(qiáng)度(0.3以上),軟件計(jì)算結(jié)果與實(shí)際不符。
3.設(shè)備制造未滿足合同要求。
Z10、Z13號(hào)風(fēng)機(jī)失控表明,風(fēng)機(jī)制造沒有滿足設(shè)備技術(shù)規(guī)范書風(fēng)電機(jī)組必須至少配有兩套獨(dú)立的制動(dòng)系統(tǒng),由此保證風(fēng)電機(jī)組能在任何條件下(包括電網(wǎng)故障甩負(fù)荷)和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速達(dá)到大轉(zhuǎn)速條件下停機(jī)的要求。 從技術(shù)手段與管理制度入手提升風(fēng)機(jī)抗臺(tái)風(fēng)能力
如何加強(qiáng)沿海地區(qū)風(fēng)電機(jī)組抗臺(tái)風(fēng)能力,下面主要從技術(shù)手段和管理制度兩個(gè)層面加以分析和提出對(duì)策。 1.加強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的微觀選址風(fēng)電機(jī)組的微觀選址應(yīng)當(dāng)綜合考慮風(fēng)電機(jī)組的安全性和發(fā)電效益。微觀選址方面,因臺(tái)風(fēng)強(qiáng)氣流突然改變帶來的非常湍流是造成風(fēng)機(jī)破壞性損害的主要原因,避免在環(huán)境湍流大的區(qū)域安裝風(fēng)電機(jī)組就是有效的預(yù)防措施。風(fēng)電場(chǎng)在場(chǎng)址選擇時(shí),應(yīng)避開臺(tái)風(fēng)經(jīng)常登陸的地方,避開強(qiáng)風(fēng)區(qū)。風(fēng)機(jī)基座在微觀選址時(shí),應(yīng)緊密結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際資料,準(zhǔn)確分析風(fēng)電場(chǎng)的平均湍流強(qiáng)度、大湍流強(qiáng)度、大瞬時(shí)風(fēng)速、入流角等風(fēng)能特征參數(shù)指標(biāo),選取合理的風(fēng)機(jī)基座位置。如果微觀選址不合理,就會(huì)造成風(fēng)機(jī)被破壞。
2.機(jī)組選型按照國(guó)標(biāo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全等級(jí)的要求,風(fēng)電機(jī)組應(yīng)設(shè)計(jì)成能安全承受由其等級(jí)決定的風(fēng)況。風(fēng)電機(jī)組適用的風(fēng)速,一般不允許超過參數(shù)的限值,以免產(chǎn)生安全隱患。設(shè)備在選型時(shí)要重視控制系統(tǒng)電源防風(fēng)、防雨能力。在風(fēng)機(jī)關(guān)鍵部位,尤其是箱變部位,應(yīng)選取風(fēng)電機(jī)組箱變頂蓋與箱體的聯(lián)接強(qiáng)度高,抗臺(tái)風(fēng)能力好的風(fēng)機(jī),從而避免使箱變頂蓋被強(qiáng)臺(tái)風(fēng)掀開,致使雨水進(jìn)入變壓器及盤柜的電氣元件,造成短路;重視風(fēng)機(jī)變槳制動(dòng)系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)本體自動(dòng)控制系統(tǒng),確保風(fēng)機(jī)在失去電網(wǎng)電源的情況下,有其他的安全策略使風(fēng)機(jī)本體不會(huì)因蓄電池電量耗盡而失去控制。
3.管理措施層面風(fēng)電場(chǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行涉及多個(gè)部門,包括風(fēng)電機(jī)組制造商、風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主及運(yùn)行單位等相關(guān)部門。有效地提高風(fēng)電抗臺(tái)風(fēng)能力,只有以上單位通力協(xié)作,才能充分保障風(fēng)電的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
4.風(fēng)電機(jī)組制造商設(shè)備制造單位為沿海地區(qū)及海上風(fēng)電場(chǎng)生產(chǎn)供應(yīng)風(fēng)機(jī)設(shè)備時(shí),應(yīng)充分考慮臺(tái)風(fēng)的影響,針對(duì)不同的風(fēng)場(chǎng),不同的機(jī)位采取差異化設(shè)計(jì)制造。同時(shí),對(duì)易遭受臺(tái)風(fēng)襲擊的沿海地區(qū)及海上風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)設(shè)備應(yīng)優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組的制動(dòng)策略,增強(qiáng)風(fēng)機(jī)變槳制動(dòng)力矩,提高控制系統(tǒng)電源防風(fēng)、防雨能力,確保在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)時(shí)能保證風(fēng)機(jī)設(shè)備安全。
5.風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主及運(yùn)行單位臺(tái)風(fēng)易發(fā)、頻發(fā)地區(qū),應(yīng)當(dāng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)機(jī)的湍流強(qiáng)度重新進(jìn)行校核計(jì)算,并按計(jì)算結(jié)果采取相應(yīng)的防范措施。風(fēng)機(jī)直接遭受過強(qiáng)臺(tái)風(fēng)影響的,應(yīng)對(duì)風(fēng)機(jī)塔筒聯(lián)接螺栓等設(shè)備、零配件進(jìn)行外觀檢查及金相抽檢,受損部件應(yīng)及時(shí)更換并做好記錄,保證風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全。應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)風(fēng)機(jī)設(shè)備的監(jiān)造和驗(yàn)收,確保設(shè)備制造滿足合同要求。在風(fēng)電場(chǎng)裝設(shè)視頻監(jiān)控設(shè)備,將視頻信號(hào)實(shí)時(shí)傳送到風(fēng)電場(chǎng)中控室,以便實(shí)時(shí)了解掌握風(fēng)電設(shè)備運(yùn)行情況。
6.災(zāi)害預(yù)警風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)根據(jù)氣象部門發(fā)布的臺(tái)風(fēng)災(zāi)害預(yù)警信息,跟蹤臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)路徑及風(fēng)雨強(qiáng)度變化,及時(shí)做好應(yīng)對(duì)策略,大程度上減少臺(tái)風(fēng)災(zāi)害對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的破壞,并充分利用臺(tái)風(fēng),提高發(fā)電效益。同時(shí)還應(yīng)依據(jù)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)發(fā)布的風(fēng)速、風(fēng)向預(yù)測(cè)信息,做好風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電計(jì)劃,合理安排風(fēng)機(jī)運(yùn)行。
7.事故處置臺(tái)風(fēng)是強(qiáng)烈的熱帶氣旋,臺(tái)風(fēng)蘊(yùn)涵的巨大自然能量將對(duì)風(fēng)機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)施加靜載荷和動(dòng)載荷疊加效應(yīng),形成周期性激蕩,如周期恰與風(fēng)電機(jī)組固有振動(dòng)周期相近時(shí)(或整數(shù)倍時(shí)),應(yīng)使葉輪處于避風(fēng)自由狀態(tài),避免臺(tái)風(fēng)與風(fēng)機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)產(chǎn)生橫向共振,使之葉片出現(xiàn)裂紋、撕裂、折斷,偏航和變漿系統(tǒng)受損,甚至倒塔,終導(dǎo)致機(jī)組損壞。
因此防范臺(tái)風(fēng)時(shí)要求對(duì)電力變漿風(fēng)機(jī)緊急備用電源正常,確保停機(jī)時(shí)風(fēng)機(jī)葉片能夠執(zhí)行順漿避風(fēng)的安全指令,使葉輪處于自由避風(fēng)狀態(tài),避免設(shè)備與臺(tái)風(fēng)湍流頻率形成共振。液壓變漿風(fēng)機(jī)(如V80、G52風(fēng)機(jī))應(yīng)保證液壓控制系統(tǒng)正常,可隨風(fēng)力大小自動(dòng)調(diào)整葉片轉(zhuǎn)角,當(dāng)停機(jī)時(shí)液壓釋放葉片自動(dòng)順漿以確保風(fēng)機(jī)安全。 當(dāng)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)來臨時(shí),對(duì)定漿距風(fēng)機(jī)可預(yù)先全場(chǎng)停機(jī),根據(jù)臺(tái)風(fēng)風(fēng)向,將風(fēng)機(jī)葉輪偏航至順風(fēng)向,以確保風(fēng)機(jī)安全。同時(shí),確保通信信號(hào)數(shù)據(jù)暢通,實(shí)時(shí)監(jiān)控臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)。(作者單位:福建電監(jiān)辦) 近年來受臺(tái)風(fēng)影響東南沿海風(fēng)機(jī)運(yùn)行事故 2003年第13號(hào)臺(tái)風(fēng)杜鵑嚴(yán)重影響我國(guó)南部地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)的正常工作,據(jù)事故資料顯示:廣東汕尾紅海灣風(fēng)電場(chǎng)25臺(tái)機(jī)組中13臺(tái)受損,損壞率達(dá)52;2006年桑美臺(tái)風(fēng)對(duì)浙江蒼南風(fēng)電場(chǎng)造成了毀滅性重創(chuàng),全場(chǎng)26臺(tái)機(jī)組中有5臺(tái)倒塔,32支葉片嚴(yán)重?fù)p壞,11臺(tái)開啟式機(jī)艙罩的風(fēng)電機(jī)組除倒塔損毀外,所有機(jī)艙蓋全部吹掉;2008年薔薇臺(tái)風(fēng)造成臺(tái)灣2兆瓦風(fēng)電機(jī)組倒塔;2010年鲇魚臺(tái)風(fēng)造成福建省六鰲風(fēng)電場(chǎng)1臺(tái)2兆瓦風(fēng)電機(jī)組倒塔,1臺(tái)風(fēng)機(jī)葉片折斷,2臺(tái)風(fēng)機(jī)輪轂進(jìn)水,4臺(tái)箱變線圈短路燒損。