风机叶片损坏分析及修复方法

２０１８年第７期２０１８Ｎｕｍｂｅｒ７
水电与新能源
ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲＡＮＤＮＥＷＥＮＥＲＧＹ第３２卷Ｖｏｌ.３２
ＤＯＩ:１０.１３６２２/ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｎ４２－１８００/ｔｖ.１６７１－３３５４.２０１８.０７.０１６
收稿日期:２０１８－０５－０４
作者简介:吴光军ꎬ男ꎬ高级工程师ꎬ主要从事风电㊁太阳能电站建设管理㊁生产运行及质量安全管理工作ꎮ风机叶片损坏分析及修复方法
吴光军１ꎬ吴鸣寰２ꎬ罗浩然１
(１.湖北能源集团新能源发展有限公司ꎬ湖北武汉㊀４３００７２ꎻ２.三峡大学电气与新能源学院ꎬ湖北宜昌㊀４４３００２)
摘要:针对风机叶片损坏的具体案例ꎬ分析叶片失效的原因ꎬ提出了修复处置方法ꎮ从叶片运行维护㊁控制策略优化环
节提出防范措施ꎬ以便有效预防并减少叶片失效的事件ꎮ
关键词:风电ꎻ叶片ꎻ失效ꎻ措施
中图分类号:ＴＭ３１５㊀㊀㊀文献标志码:Ｂ㊀㊀㊀文章编号:１６７１－３３５４(２０１８)０７－００７２－０４
ＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＴｒｅａｔｍｅｎｔｏｆＢｌａｄｅＤａｍａｇｅｏｆＷｉｎｄＴｕｒｂｉｎｅＵｎｉｔ
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(１.ＨｕｂｅｉＥｎｅｒｇｙＧｒｏｕｐＮｅｗＥｎｅｒｇｙＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＷｕｈａｎ４３００７２ꎬＣｈｉｎａꎻ
２.ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆ＮｅｗＥｎｅｒｇｙꎬＣｈｉｎａＴｈｒｅｅＧｏｒｇｅｓＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＹｉｃｈａｎｇ４４３００２ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｃａｓｅｓｏｆｂｌａｄｅｄａｍａｇｅｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｕｎｉｔꎬｐｏｓｓｉｂｌｅｒｅａｓｏｎｓｏｆｔｈｅｄａｍａｇｅａｒｅａｎ￣ａｌｙｚｅｄａｎｄｔｒｅａｔｍｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｓａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ.Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｓａｒｅａｌｓｏｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄｆｒｏｍｔｈｅａｓｐｅｃｔｓｏｆｏｐｅｒａｔｉｏｎ
ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎꎬｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｐｒｅｖｅｎｔａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｂｌａｄｅｆａｉｌｕｒｅｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｗｉｎｄｐｏｗｅｒꎻｂｌａｄｅꎻｆａｉｌｕｒｅꎻｍｅａｓｕｒｅｓ㊀㊀随着风电整机技术迭代进步ꎬ目前ꎬ风机单位ｋＷ的售价已下调至３５００元左右ꎬ风力发电是应用最广的新能源发电方式ꎬ到２０１７年底全国累计装机容量达到１.８８亿ｋＷꎮ
风力发电机组是由叶片㊁传动系统㊁发电机㊁齿轮箱㊁变流器以及电气控制系统㊁塔架等组成的发电装置[１]ꎬ详见图１ꎮ其中ꎬ叶片是保证风力发电机组有效捕获风能转化为机械能㊁并转化为电能的核心部件ꎬ直接影响风机的性能和发电量ꎮ风机叶片尺寸大ꎬ外形复杂ꎬ精度要求高ꎬ表面要求光洁ꎬ同时叶片材质需具备高强度和高刚度ꎬ质量工艺要求较高ꎬ因此叶片技术持续改进及智能化维护成为风力发电可持续发展的关注点ꎮ新形势下ꎬ叶片的减重㊁降载和降噪㊁大型化㊁轻量化和智能化是风电叶片发展的方向ꎮ
１㊀风机叶片失效的类型
１.１㊀叶片损坏的常见类型
风机叶片制造成本约占风机总成本
的
图１㊀双馈风机结构示意图
１５％~２０％ꎮ叶片整体裸露在野外ꎬ工作条件恶劣ꎬ在高空㊁全天候条件下ꎬ经常受到空气介质㊁大气射线㊁砂尘㊁雷电㊁暴雨㊁冻雨或冰雪的侵袭ꎬ盐腐蚀㊁台风等因
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吴光军ꎬ等:风机叶片损坏分析及修复方法２０１８年７月
素影响ꎬ导致叶片失效事件时有发生ꎬ每只叶片损坏后更换(含备件及吊车台班)费用近百万元ꎬ因此对叶片的状态监测预警㊁有效运维分析显得越来越重要ꎮ
常见的风电叶片投产运行中损坏有以下几类:普通损坏性㊁前缘腐蚀㊁前缘开裂㊁后缘损坏㊁叶根附近区域折断㊁叶尖开裂㊁表面裂纹㊁雷击损坏㊁覆冰运行断裂等ꎮ
同时ꎬ叶片断裂在机组制动之前ꎬ极有可能撞击相邻叶片㊁机舱和塔筒㊁底部的箱变或箱变基础ꎬ处置不当或偏航制动不及时ꎬ将造成事故损失扩大ꎬ发生叶片失效后的二次伤害ꎮ因此ꎬ运维人员及时排查叶片运行异常隐患㊁通过巡检㊁听叶片是否存在哨声ꎬ检查运
行参数是否突变等因素ꎬ是及时发现叶片失效隐患的措施ꎬ也是减少叶片失效事件的有效办法ꎮ１.２㊀叶片失效的检查方法(见表１)
通过发电企业的维护管理情况来看ꎬ对叶片主动维护的手段少㊁日常维护过程控制不严㊁维护投入相对不足的现象或多或少存在ꎮ所以ꎬ实际运行中的叶片失效事件不断增多ꎬ这直接影响到风电场经营效益ꎬ同时也不利于风电制造业健康发展ꎮ
当然ꎬ风电业主通常购买风机机损险及财产一切险ꎬ来转嫁部分直接损失ꎬ而风机停运的发电量损失就无法避免了ꎮ
表１㊀叶片失效的检查方法
分类人为检测
仪器检测检测方式
人工目测㊁敲击㊁单反相机远距拍照
超声无损检测红外热波无损检测特点
可发现缺陷:外部裂纹㊁脱漆㊁雷击损毁㊁外力损
伤㊁腐蚀㊁麻面砂眼等ꎮ简单ꎬ直接ꎬ易于操作ꎬ成本较低ꎮ叶片成型前缺陷及人不可及处缺陷无法检测ꎬ人为因素影响检验结果
在工厂针对断层和缺胶检查ꎬ目前无法实现风场实时检测
检测灵敏度高㊁检测速度快ꎬ检测缺陷范围广ꎬ实时成像ꎬ能够实现风场实时检测
２㊀风机叶片失效的原因分析
叶片损坏可分为设计缺陷㊁制造工艺缺陷㊁断裂失
效㊁开裂失效㊁雷击损伤㊁局部表面磨蚀㊁局部表面裂纹㊁运输吊装损伤和运行维护不当损伤等形式[２]ꎮ下面针对覆冰运行断裂和雷击损坏事件来进行阐述ꎮ２.１㊀叶片覆冰运行中断裂
２０１８－０１－２４日ꎬ某风机叶片覆冰运行断裂失
效ꎬ发生在叶片中部ꎬ呈折断形式ꎬ如图２所示
ꎮ
图２㊀风机覆冰断裂失效的叶片
叶片覆冰断裂的原因往往为运维控制策略缺少优化ꎬ风机覆冰没有及时停机ꎮ超载荷连续运转ꎬ导致
叶片损坏(见表２)ꎮ经现场勘查ꎬ叶片断裂位置为前缘Ｌ１４.３２ｍ㊁后缘Ｌ１２.４０ｍ㊁中心区域Ｌ１１.３０ｍꎮ断裂发生后ꎬ该叶片由ＳＳ面向ＰＳ面方向倒塌ꎬ并倒向机舱罩方向ꎮ
表２㊀故障叶片覆冰前后的重量和质量矩的变化项目覆冰前覆冰后变化量叶片重量/ｋｇ
８３１０.５
１０４５８.８
＋２１４８.３
叶片质量矩/ｋｇˑｍ１１９２０９.１４１５００２４.３５５＋３０８１５.２１５
㊀㊀断裂叶片在故障发生前经历较长时间的覆冰情况ꎮ覆冰状态下ꎬ静载和动载大幅增加ꎬ气动外形变化下带来的升力系数变化ꎬ也给叶片带来额外载荷ꎬ影响叶片的疲劳强度ꎮ风机运行记录显示ꎬ叶片故障发生前ꎬ风机在载荷大幅增加的情况下满功率状态运行ꎮ叶片断裂问题定性为叶片长时间覆冰情况下ꎬ叶片结构负载过大ꎬ直至不能承受上述载荷后发生的叶片弯曲断裂ꎮ该叶片早期已经产生结构上的形变现象ꎬ但未完全失效ꎻ随后叶片形变开裂情况持续ꎬ直至叶片完全折断失效ꎮ
鉴于高海拔风电项目冬季低温雨雪频繁ꎬ且存在叶片覆冰情况ꎬ建议项目现场根据天气情况开展相关检查ꎬ防范叶片严重的覆冰风险及时手动或自动停机ꎮ
３
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水电与新能源２０１８年第７期
２.２㊀叶片遭雷击的失效分析
２０１７－０９－０９日ꎬ某风电场运维人员在进行风电场风机叶片巡检时发现ꎬ３３号风机１１５ｍ叶轮直径的０２号叶片的叶尖出现裂纹ꎬ后经返厂解剖勘察ꎬ叶尖部位Ｒ５２.９ｍ处发现明显的玻璃钢碳化现象ꎬ叶片开裂损坏ꎬ如图３所示ꎮ
雷击造成叶片损坏原因一般为防雷系统工作不正常或者损坏会导致叶片遭受雷击ꎮ雷击造成叶片损坏的机理主要有两个方面:一是雷电释放巨大能量ꎬ使叶片结构温度急剧升高ꎬ分解气体高温膨胀ꎬ压力上升造成爆裂破坏ꎻ二是雷击造成的巨大声波ꎬ对叶片结构造成冲击破坏ꎮ
１)雷电瞬间电流强度超过导雷线缆通过电流值ꎬ造成叶片雷击损坏ꎻ雷电流通过导雷线缆时ꎬ瞬间高温ꎬ造成接闪器高温熔化ꎬ由于壳体内是有空隙的ꎬ空隙间的空气ꎬ瞬间高温ꎬ体积急剧膨胀ꎬ造成壳体炸裂(雷电计数器显示雷电电流有１２９ｋＡ)ꎮ
２)防范措施为在叶尖安装接闪器能有效地拦截直击雷ꎬ在叶片表面安装３对圆盘状接闪器通常能有效将雷电流导入地网ꎮ
２.３㊀叶片表面局部损伤
叶片表面磨蚀主要发生在叶尖区域迎风面㊁中部迎风面㊁叶片前缘㊁叶片后缘等部位ꎬ如图４所示
ꎮ
图３㊀
荆门某风电场雷击失效的叶片解剖图
图４㊀局部表面磨蚀的叶片
㊀㊀导致叶片表面局部磨蚀的原因如下ꎮ
１)风砂㊁暴雨冲刷及紫外线等磨蚀ꎮ
２)叶片巡查时应注意噪声ꎮ风机运行时出现阻
力㊁杂音㊁哨声等ꎬ疲劳累计等均属叶片失效诱因ꎮ暴
雨㊁大雪㊁冰雹㊁雷电等恶劣天气同样可能造成叶片损
坏ꎮ从统计资料来看ꎬ表面局部损伤的分布无明显的
规律性ꎬ全叶片均有发生ꎬ迎风面分布相对集中ꎮ
综合上述风电叶片故障或失效ꎬ须全面排查是否
存在批次性质量问题ꎬ排查风机质量批次隐患ꎬ叶片检
查的批次质量问题检查路径及分析报告４可如图５流
程执行ꎮ
３㊀风机叶片局部损坏的修复方法
叶片局部损坏后ꎬ首先应修复成型壳体ꎬ然后铺贴
ＰＶＣ芯材及外层玻纤加强ꎬ最后表面涂刷防紫外线面
漆与配重ꎬ叶片质量分析与质量问题报告见图５ꎮ具
体修复方法如下ꎮ
１)叶片表面打磨ꎮ打磨叶片破损处ꎬ要求打磨破
损处玻纤光滑平整ꎬ去掉所有分层的破损玻纤ꎬ分层
ＰＶＣ芯材ꎬ要求打磨时从破损处向完好壳体延伸超过
３ｃｍꎬ以便搭接成型衬板ꎮ
２)粘结衬板ꎬ成型(成型缺失壳体)ꎮ清洁需要粘
结衬板的区域ꎬ用剪刀裁好合适的衬板ꎬ打磨所裁衬４７
吴光军ꎬ等:风机叶片损坏分析及修复方法２０１８年７
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图５㊀叶片质量分析与质量问题报告
板ꎬ清洁后ꎬ可在需要粘结处ꎬ涂布快速粘结胶粘结到破损处ꎮ注意粘结开裂底层玻纤ꎬ要求尺寸尽可能要小ꎬ使底部玻纤加强时ꎬ以使整个玻纤层成为一个整体ꎮ
３)叶片破损壳体强固(湿铺玻纤层)ꎮ待粘结胶固化ꎬ打磨多余溢出的粘结胶并予以清洁ꎮ裁好需要湿铺的玻璃纤维ꎬ一层两项玻纤ꎬ一层三项玻纤ꎬ底层破损处ꎬ铺贴三项玻纤ꎬ尺寸超过破损处５ｃｍꎬ上面覆盖一层亮相纤维ꎬ尺寸为超过三项纤维边缘４ｃｍ即可ꎮ
４)叶片表面固化后ꎬ打磨ꎬ涂布保护胶衣ꎮ玻璃纤维充分固化后ꎬ打磨整个玻璃纤维表面ꎮ打磨时ꎬ为刮涂胶衣ꎬ新旧胶衣要有搭结尺寸ꎬ要求打磨超过涂布区域边缘５ｃｍꎮ使用材料为环氧胶衣(品牌与型号:Ｇｕｒｉｔꎻ７３３７)ꎮ
５)外层胶衣的表面抛光处理ꎮ待外层胶衣自然固化后(禁止强制加热)ꎬ打磨整个涂布表面ꎬ至表面光滑平整ꎮ
６)涂布防紫外线面漆ꎮ打磨叶片涂布胶衣处ꎬ要求打磨破损处玻纤光滑平整ꎬ涂布防紫外线聚氨酯面漆ꎬ使用材料为防紫外线面漆(品牌与型号:ＰＰＧꎻＬＴ２５３－５６３３)ꎮ
７)叶片开裂壳体粘结ꎮ对于一面壳体遭撞击ꎬ开裂及壳体玻纤分层的处理要求ꎮ将已经补好壳体的开裂壳体打磨洁净ꎬ然后清洁上下壳体粘结处ꎬ涂布粘结胶ꎬ用快速夹夹紧上下开裂壳体ꎬ加热固化后ꎬ去掉快速夹ꎬ打磨壳体至表面平整光洁ꎬ并进行配重校核㊁贴补前缘保护膜ꎮ
４㊀结㊀语
风机叶片作为风力发电机组的动力源泉ꎬ叶片状态直接关系整机的运行性能ꎮ定期㊁不定期地对叶片进行检查ꎬ识别叶片状态ꎬ对缺陷隐患及时排查治理ꎬ将叶片失效事件消灭在萌芽状态ꎬ是避免事故㊁减少突发事件风险㊁稳定风电企业收益的有效途径ꎮ
检测叶片防雷系统正常可靠ꎬ防雷回路接地电阻应小于４Ωꎮ确保雷电流安全地从雷击点传导到接地轮毂ꎬ避免叶片内部雷电电弧的形成ꎮ
探索适应风电机组的安全生产管理模式ꎬ健全风电机组管理制度及相关技术监督标准ꎬ进一步加强对叶片巡检㊁微损伤维护㊁检修流程精益管理ꎻ并根据状态检查和诊断技术提供的叶片状态信息安排维修ꎬ实施一机一控的诊断运行策略ꎬ可减少风机叶片失效导致的停机时间ꎬ有效提高风电机组全生命周期内的可利用率及发电量ꎬ从而促进风电产业可持续高质量发展ꎮ
参考文献:
[１]宋海辉ꎬ吴光军.风力发电技术与工程[Ｍə.北京:中国水利水电出版社ꎬ２０１４
[２]李良君.风电机组叶片常见损坏及处理[Ｊ].科学中国人ꎬ２０１６(１８):６－７
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