关于海上风力发电技术及风力发电机组可靠性问题的探析

关于海上风力发电技术及风力发电机组可靠性问题的探析

发表时间：2018-06-12T13:28:37.837Z 来源：《建筑学研究前沿》2018年第4期作者：李钢幕[导读] 我们应当积极借鉴并利用世界上已有的先进工程实例，充分挖掘我国沿海风力资源，推进海上风电场建设，为我国节能减排工作的顺利进行做出贡献。

中国电建集团核电工程有限公司摘要：本文作者结合多年工作经验，主要就海上风力发电技术及风力发电机组可靠性问题进行了相关研究，希望对加快我国海上风力发电发展有所帮助。

关键词：海上风力发电；风电场；能源海上风力发电是节能减排工作中的一项重要内容，具备诸多优势，海上风况明显优于陆地，湍流较小，空间大，环境污染和噪音污染较小便于开发，但海上风力发电也存在一定不足，其初期投资较大，并且在风电机组基础结构选型与实施、风电机组运输以及后期维护等方面的技术难度较大。此种情况下，加大力度探讨海上风力发电技术对于海上风能资源的开发和利用具有重要意义。

1 当前海上风力发电主要技术

1.1海上风场选址

海上风力发电场需要选择一个适合的地方进行，这将是一个繁琐复杂的工作。如果选址不正确的话很可能会导致项目建设的失败。那么，电场选址应该考虑的因素主要包括以下几方面：（1）关于项目建设的审批是否经过相关部门的许可。（2）建设之前一定要注意是否获得海域的使用权。（3）建设的时候要对环境进行相关的了解，包括水深度、海域的范围、风能资源的多少以及地质条件是否有优势。（4）要考虑环境制约的因素，相关人员要考虑到风力发电场的坚实是否会对当地的生态环境造成破坏。

1.2海上风力发电机的结构支撑

目前海上风力发电机的建造结构形式主要有四种，分别是：单桩、混凝土重力式陈翔、多桩、吸力式：（1）单桩：单桩的结构通常是在海床下十米到二十米深处，深度应该要按照海床的类型变化。通常桩径大约是两到四米左右，单桩的结构制造比较简单，缺点是施工安装费用都比较高。（2）混凝土沉箱。它的优势是造价比较低，不太受海床的影响，但是在进行建造的过程当中必须要海底准备，此外，它的尺寸和重量比较大，施工的时候也比较复杂。（3）多桩基础，它的特点是桩径比较小，但适用于深海的建造，由于多桩的建造经验较少，因而较少实际应用到工作方面。（4）吸力式基础，吸力式基础主要分为单柱和多柱沉箱基础。吸力式沉箱基础适用于软粘土，吸力式沉箱基础的安装费用比较高。

1.3海上风机机组

海上风电机组的安装主要包括两种方式：分体安装和整体安装。分体安装是指在目标海域按照基础→塔筒→机舱→叶片的顺序依次将机组的各主要部件装配成一个整体，这种施工方法与陆上风电场类似，适用于潮间带及近海区域，目前运行的多数风电场均按该方法建造；而整体安装则是在岸边将机组各部件装配成一个整体，竖直放置于运输船运送并安放至目标地点，以减少海况对装配精度的影响，作业费用较低，这种施工方法是近年发展起来的，也已有成功案例。

2海上风电机组运行可靠性问题研究

2.1 塔架基础的可靠性

目前海上风电机组基础主要分为两大类：悬浮式和底部固定式。悬浮式主要利用海水的浮力，及绳缆的固定作用，将风电机组“固定”在海里；底部固定式即利用单桩或多桩，直接把塔架与海底基础连接起来。目前浅海区域多采用单桩或三桩结构，而深海区域则多采用悬浮式基础。

悬浮式：悬浮式基础适用于深海区域，在保证风电机组正常运行的情况下，悬浮式基础可以大大降低基础的建设成本，从而降低海上风电的生产成本，但是在强风等恶劣环境下，其可靠性远远不及底部固定式，所以在其基础缆绳以及底部配重的设计上要求留有较大余量。

底部固定式：相对于悬浮式，稳定性更加优越，不会受海水波浪冲击效应的影响。由于其底部与海底直接刚性连接，所以不会有较大幅度的摆动，这很好的保证了塔顶发电机组的平稳运行，同时对于主轴而言，载荷的波动较小，这有力的延长了主轴的使用寿命，降低了风电机组的使用成本。

对于底部固定式基础，由于浸泡在海水中，长期受海浪、洋流的冲刷作用以及海水的腐蚀作用，基础易发生松动，严重时甚至会导致风电机组倾覆，这个问题必须引起重视。建议要在风电机组上安装基础实时监视装置，然后通过无线发射器将检测信号传输至主控室，以便安全检修人员及时发现和排除风电机组基础的安全隐患。

2.2机组的防腐蚀与防潮湿

风力机内部有很多的电气控制部分，其运行时不允许湿度过大，所以在海上高湿度的环境中，防潮防湿显得尤为重要。防湿的手段有很多，现在普遍采用的是密闭舱式，即把风电机组的机舱做成密闭形式，然后利用空调系统对风电机组内部构件散热和保温。这样能达到较好的防潮效果，但对空调系统运行的可靠性要求相对很高。除了防潮，防腐蚀也相当关键。由于海上的空气湿度大，并且海水中各种溶盐离子较多，致使风电机组结构很容易发生电化学腐蚀。一般风电机组的设计使用寿命都在二十年以上，所以还上的风电机组一定要有较强的抗腐蚀能力。现在比较常用的手段是在风电机组易腐蚀的部位适用抗腐蚀材料、在风电机组外表面涂刷防腐蚀涂料、使用不会被腐蚀的高强度复合材料等。这对风电机组有效的起到了防腐蚀作用。

2.3 极端恶劣天气的影响

我国南方沿海地区，在夏季和秋季经常会遭受台风和强热带风暴的影响，而在北方沿海地区，冬季经常会出现严寒低温、海面结冰情况，因此海上风电机组必须要考虑台风、海啸、冰冻、海冰等极端恶劣天气的影响。首先，风电场的选址要尽量选择风速稳定、台风路径较少经过的区域。对于北方可能出现海冰的区域，要根据往年气象资料，研究海冰厚度及对风电机组的影响，然后进行实验模拟，最后科学选址。其次，在风电机组设计时，要考虑破坏性天气发生时对风电机组的损坏，以及制定相应的安全防范措施。比如风电机组的叶片强度可以根据塔架及机舱的强度而设计，使其强度低于塔架的强度，这样在遇到破坏性强风的时候，叶片可以先行断裂脱落，从而最大程度的保护主机舱，把损失减小到最小。

2.4 共振等物理机械问题

风力发电机组各主要部件的设计，一定要考虑到共振的影响。共振会加剧风电机组在运行时的震动幅度，甚至超过机组许可的震动幅度，损坏风力发电机组的构件甚至造成机组解体等严重事故。与陆地相比，海上风电机组不仅要远离风的固有频率，还要远离海浪、水流的频率。风电机组的整体固有频率与上述频率的范围差距越大越有利于风电机组的安全。这样风电机组部件的可用频率范围就相对减小很多，设计和制造难度加大。制造时要严格控制机组各个部分的频率范围，使其符合特定地区对风电机组共振频率的要求。

2.5海上风电机组的防火预案

陆上已经并网发电的风电场在运行期间，已经发生多起风电机组失火事故，这在一方面说明风电机组在运行时电气部件的可靠性和耐用性尚且不足，经受不住风电场严酷工作环境的考验；这在另一方面，也说明了目前风力发电机组在设计阶段对防范火灾的考虑不够，对于发生火灾时没有设计一套完善的应对预案。机组的防火关键在机舱部分。所以在设计机舱结构时，尽量减少机舱中电力电缆的接头数（电缆接头一般是引发电缆燃烧的罪魁祸首），并且把不可避免的电缆接头用防火材料包裹；对于机舱中的塑料电气原件，要尽量放置到铁皮柜子当中，即使这些塑料部件发生燃烧也仅仅在铁柜内燃烧，而不会把火灾蔓延到别处；在机舱中，设计专门的自动灭火系统，可以在机舱顶部安装多组火灾感应器和灭火剂喷头，一旦发生火灾，即可触发火灾报警器，然后启动自动灭火系统，迅速喷洒灭火剂灭火，这样可以把火灾损失减小到最少。

3 结束语

综上所述，海上风力发电仍处于初级阶段仍有待进一步研究。在未来发展中，我们应当积极借鉴并利用世界上已有的先进工程实例，充分挖掘我国沿海风力资源，推进海上风电场建设，为我国节能减排工作的顺利进行做出贡献。

参考文献

[1]牟磊.海上风力发电技术研究[J].城市建设理论研究：电子版，2013（10）.

[2]陆忠民.上海东海大桥海上风电场规划建设关键技术研究[J]，.中国工程科学.2010.（11）：19-24