自然环境对风力发电机组安全运行的影响分析

相同参数的风机叶轮在相同风速下, 在高原地区只
能获得平原地区最大功率的 0181。由此可见, 在高
原地区空气密度对风轮机提取能量的影响已经十分
显著, 风力发电机在高原地区应用时必须考虑空气
密度随高度变化的影响。
113 应对措施 [ 1]
( 1) 修正空气密度。风力发电机的输出功率与
空气密度成正比, 在现场进行功率测量和计算时, 必
为气 压、t为 温度 、e 为水 汽压 。
由公式 ( 1)和 ( 2) 可知, 在温度相同的情况下,
空气密度与气压成正 比、与海拔高度成 反比; 在 空 气密度相 同的情 况下, 气 温和气 压成 反比。大 气
压力、温 度 和 空 气 密 度 随 海 拔 高 度 的 变 化 见
表 1[ 1] 。
第 6期
根据公式 ( 2)知, 当气温变化时, 空气密度会随 着变化, 一般当温度变化 ? 10e , 相应的空气密度变 化 4% [ 1 ] 。另一方面, 叶片表面结 晶大多形成在叶 片前缘和压力面上, 也有一些会形成在叶尖后缘上。 由于受大湿度低温环境的影响, 叶片表面 / 结晶 0粗 糙度增加, 特别是前缘向后 20% ~ 30% 弦长处的粗 糙度增加对翼型气动性能影响更为显著。粗糙度增 加使阻力增加, 而对升力影响不大, 一般在升阻力变 化最大的叶尖部分, 升力只降低约 40% , 而阻力会 增加约 350% , 从而 降低风轮的功率 [ 4 ] 。如图 1 所 示, 当叶片前缘附着冰凌较少时, 在相同风速下功率 都比正常情况有所下降, 但是如风速足够大也可达 到额定功率; 如果叶片前缘附着冰凌较多时, 如达到 20% 以上, 将严重影响风机的输出功率, 无法达到额 定功率, 而且当风速超过额定点以后, 风电机组会发 生无规律的瞬间振动现象, 影响叶片使用寿命和机 组正常发电 [ 4] 。
# 216#
中国安全生产科学技术
第 5卷
3 台风对风电机组的影响
图 1 叶片受冰凌影响功率曲线
213 应对措施 目前, 针对低温环境的技术标准在风电行业中
还是空白。大多数安装在低温地区的风力发电机组 是在其标准设计产品的基础上, 采取一些专项的技 术改进措施, 期望能保 证机组的正常 安全运行 [ 6 ] 。 现在国产低温型风力发电机组多是在国外常温风电 机组的基础上改进的, 尽管在控制系统中增加了对 低温情况的应对设计, 采取了一些加热保温措施, 但 是因大多数没有高寒地区风电场运行经验, 同时为 了降低成本、提高产量, 风电机的低 温配置相对简 单, 并没有从根本上解决低温适应性问题 [ 3] 。可以 采取以下方法来加以研究 [ 5~ 6] : ( 1) 局部加热装置。 电子电气器件功能受温度影响较大, 可以通过安装 局部加热系统 ( 如叶片、齿轮箱、发电机、控制柜等 加热系统 ), 保持局部环境温度, 实践表明这一方法 简单有效。 ( 2)承载部件的低温疲劳问题。焊缝是 影响低温疲劳强度的关键环节, 应针对焊缝采取必 要的防止低温脆断技术措施, 采取预热和焊后热处 理改善焊缝、热影响区、熔合线部位的性能, 避免未 焊透, 加强无损探伤检验, 定期检查等技术措施, 保 障设备的安全工作。 ( 3) 减小震动。增加系统的阻 尼是减小震动的主要措施, 在设计时通过增加叶片 结构阻尼、改变翼型的气动阻尼、叶片内部加装阻尼 器等措施来消耗振动产生的能量。 ( 4) 在尽可能靠 近叶片尖端部位安装先进的传感器来对叶片结冰情 况进行监测分析, 并采 取相应措施来 使冰融化等。 ( 5) 低温冻土问题。冻土中因有冰和未冻水存在, 故在长期载荷下有强烈的流变性。长期载荷作用下 的冻土极限抗压强度比瞬时载荷下的抗压强度要小 很多倍, 且与冻土的含冰量及温度有关, 这些情况应 在基础设计施工时进行考虑。
须安装大气压力和温度传感器, 对大气压力和温度
的 10m in平均值作连续记录。每个功率平均值均可
根据与大气压力、大气温度相关的空气密度状况来
修正, 也就是说, 为了比较, 要把所得到的功率曲线
换算为在标准条件下的功率曲线。测量点的空气密
度可以按公式 ( 2) 计算得到, 也可以采取下述简化 公式计算得到 [ 2] :
Q=
Q0
T0 T
#
Baidu Nhomakorabeap p0
( 4)
其中, Q0、T 0、p0 分别为标准条件下的空气密度、 气温和气压, T 为现场测得的大气温度, p 为现场轮
毂高度处测得的大气压力。
( 2)改进风轮设计: 从公式 ( 3)知, 空气密度与
风轮扫风面积 A 成反比, 也就是说, 空气密度与风 轮直径 D 的平方成反比, Q0 /Q= (D /D 0 ) 2, 因此, 当 从标准空气密度 Q0 变 化为 Q时, 为获得相 同的功
率, 在其条件相同的情况下, 用于高原地区风机 叶 轮直径要增大 ( Q0 /Q) 1 /2倍, 才能获得相同的功率。
( 3)适当增加风机叶片安装高度。对于同一区 域, 风速随着高度上升而上升, 由公式 ( 3) 知, 风速 比空气密度对功率的影响更显著, 呈 3次方变化, 所 以可以适当增加风轮机叶片的安装高度, 可以使风 轮机获得更多的风能, 从而提高发电功率。
条件的适应性。希望本文能对国内风电机组的设计制造、运行维护提供一定的参考和帮助。
关键词: 风电机组; 自然环境; 安全运行; 影响分析; 应 对措施
中图分类号: X 934
文献 标识码: A
A nalysis of impact on safety op eration of w ind gen erating set by natural environm en t
风轮的气动效率 Cp、空气密度 Q、风轮扫风面积 A 以 及风速 V 之间的关系可用下式表示:
W=
1 2
cp
QAV3
( 3)
当叶片选定后, A 就一定, Cp 而只与叶尖速比 有关。由公式 ( 3)可知, 当风速 V 一定时, 风力发电
机的输出 功 率 W 与 空气 密 度 Q成 正比。在 海拔
3000m 以上的地区, 相对空气 密度只有 0181( 常温 标准大气压力下, 空气密度值为 11225kg /m3, ), 即
中国安全生产科学技术
# 215#
表 1 空气密度、气温与海拔高度的关系
海拔高度 ( m )
0 1000 3000 4000 5000
空气密度 ( kg /m3 ) 1. 225 1. 168 01943 01 844 01753
平均气温 ( e )
25
20
15
10
5
112 影响机理分析
我们知道, 风力发电机组风轮的输出功率 W 与
第 5卷 第 6期 2009年 12月
中国安全生产科学技术 Journal of Sa fety Science and T echno logy
文章编号: 1673- 193X ( 2009) - 06- 0214- 05
V o.l 5 No. 6 Dec. 2009
自然环境对风力发电机组安全运行的影响分析
2 北方大湿度低温环境对风电机组的影响
211 影响状况分析 我国东北、华北、西北地区风能资源丰富, 十分
有利于风力发电。但这些地域广阔, 纬度跨度大, 温 度和湿度的变化巨大。在低温天气下, 空气密度增 大, 风电机在同风速下的输出功率增大, 控制系统如 处理不当, 容易出现超发甚至超负荷的情况 [ 3] 。另 外一个不容忽视的因素是冬季雾多、雪多、空气湿度 大, 再加上温度降低, 饱和气温在 - 20e 以下时, 容 易出现所谓 / 雾凇 0现象, 叶片表面会 / 结晶 0, 有时 甚至在叶片表面会附着不规则冰凌, 使叶片表面粗 糙度增加, 或导致叶片翼型改变, 降低翼型的气动性 能, 从而降低风轮功率 [ 4 ] 。 212 影响机理分析
随着我国风力发电机组的快速发展, 提高和改 善风电系统可靠性是我们面临的一项紧迫任务。本 文对影响风电机组安全运行的主要环境因素进行了 初步探讨和分析, 期望能对国内风电机组的设计制 造、运行维护提供一定的参考和帮助。
1 高原地区低气压环境对风电机组的影响
111 影响状况分析 众所周知, 海拔越高, 气压越低。在高原上空气
WANG Shuai
( Ch ina Longyuan Powe r G roup Corpo ra tion L im ited, Be ijing 100034, Ch ina)
Abstract: T he characterist ic that operating outdoors of w ind generating set determ ines that the natural env ironm enta l conditions have a sign ificant impact on its operat iona l sta tus. In th is paper, the im pact status o f natura l env ironm ental conditions, such as a tm ospheric pressure, atm ospheric tem perature, typhoon, lightning strike, sal-t fog, etc. , w as summ arized, and the effecting m echan ism w as analyzed. The counterm easures o f design and operation for w ind generat ing set in various natural env ironm entsw ere put fo rw ard in order to im prove the adaptability o f w ind generat ing set to na tura l env ironm en.t It m ay prov ide som e re ference and help to the design, m anufacture, opera tion and m a intenance of w ind generating set in China. K ey w ord s: w ind generating se;t natural environm en;t safety operation; im pact analysis; counterm easure
密度一般只有平原地区的 60% ~ 90% 。
收稿日期: 2009-10-12
空气密度与海拔高度的关系为 [ 1] :
Q= 11225( 1 - AH /273)4126
( 1)
空气密度与气压、气温的关系:
Q=
1
+
11 276 01 0036 6t
@
p - 01378e 1000
( 2)
式中 Q为海拔高度为 H 时的空气密度; H 为海 拔高度 ( m ); A为空气温度梯度, 约为 010065K /m, p
311 影响状况分析 在我国东南沿海, 风力资源丰富, 但每年夏、秋
季热带气旋频发。根据我国目前采用的标准, 热带 气旋划分为热带低压 ( < 1712m / s) 、热带风暴 ( 1712 ~ 2414m / s) 、强热 带风暴 ( 2415 ~ 3216m / s)、台风 ( > 3216m / s)等几个等级 ( 如表 2所示 ) [ 7] 。热带气 旋对风电场的影响利弊兼有, 强度不太强 ( 如风暴 量级 ) 的热 带气旋以及其外围环流影响的区域, 可 以给风电场带来较长的 / 满发 0时段; 但是强度较强 的热带气旋, 如台风, 会对风电机组的安全稳定运行 带来极大 的危害 [ 8] 。袭击我 国的是在靠近 赤道的
王帅
(龙源电力集团股份有限 公司, 北京 100034)
摘 要: 风力发电机组野外运行的 特点决定 了自然 环境条 件对其 运行状 况有着重 要的影 响, 本文
综述了气压、气温、台风、雷击、盐雾等自然条件对风力发电机组 的影响状 况, 并对 其产生的 机理进
行了分析, 给出在各种自然环境下 的风电机 组设计 和运行 应对措 施, 以 提高风 电机组 对自然 环境