陳亮亮，王 佳，楊麗薇，韓 源，高立剛

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

近年來，風能資源的開發(fā)利用已經(jīng)受到世界各國的高度重視。風能作為一種無污染、可再生的優(yōu)質(zhì)資源，已經(jīng)成為世界各國的戰(zhàn)略選擇。中國幅員遼闊，風能資源儲量巨大，今后必將成為能源結(jié)構(gòu)中一個重要的組成部分。

目前，隨著風力發(fā)電工程的大面積鋪開，在全國各地的高原、山嶺、戈壁、荒漠、近海等處，都能見到風力發(fā)電機組的身影。這些復(fù)雜的地形地貌造成了不利的環(huán)境條件，包括：低溫、冰凍、風沙、雷擊、地震、腐蝕等，給風電機組的運行帶來了不小的影響。這些環(huán)境條件中以風沙的危害最為常見和突出，是陸上風電機組在設(shè)計時最為關(guān)切的因素。

1 風沙危害

1.1 風沙對機電設(shè)備的危害

眾所周知，風沙對機電設(shè)備的危害大致分為以下幾個方面：

(1) 沙塵堆積在電氣開關(guān)、電磁鐵芯等處，形成集塵效應(yīng)，可能造成器開關(guān)誤動、電磁鐵動作不穩(wěn)定，輕則影響設(shè)備的正常操作，重則造成二次回路短路引發(fā)事故。

(2) 沙塵進入傳動部件的潤滑脂中，會加劇旋轉(zhuǎn)機械的磨損，降低軸承的使用壽命，影響傳動部件的正常運動機能。

(3) 沙塵附著在冷卻系統(tǒng)的過濾裝置上，會極大地影響散熱效果，致使設(shè)備運行溫度過高，易發(fā)生火災(zāi)或者設(shè)備高溫停機。

(4) 風沙中的砂石沖擊打磨設(shè)備外表面，損壞設(shè)備表面漆層，產(chǎn)生外漆面的打磨效應(yīng)，損壞絕緣層的釉質(zhì)，不但影響電氣設(shè)備的外觀，更主要影響電氣絕緣性能。

1.2 風沙對風電機組的影響

風電機組是一類特殊構(gòu)造的機電設(shè)備，主要由葉片、輪轂、機艙、塔筒等組成。風電機組需要通過捕捉和吸收風能才能發(fā)電，所以更易受到風沙的影響。

根據(jù)工程經(jīng)驗，風沙對風電機組的影響主要集中在以下幾個部位：

(1) 對葉片的影響

葉片是風電機組的關(guān)鍵部件，是保證機組發(fā)電量的重要因素。在挾沙風的作用下，葉片非常容易受到風沙的沖蝕，使其表面出現(xiàn)“沖蝕坑、裂紋及纖維布漏出”等現(xiàn)象，導(dǎo)致整套機組在運行時會出現(xiàn)雜音、阻力及噪聲。沖蝕坑在雨季的積水會增加葉片遭受雷擊的概率，極端情況下的雷擊會導(dǎo)致葉片的破裂或斷裂。以上影響不僅縮短了葉片的使用壽命，也增加了運營維護成本。

(2) 對輪轂的影響

輪轂是風電機組的重要部件，輪轂中的變槳系統(tǒng)通過控制葉片的角度來控制葉輪的轉(zhuǎn)速，進而控制機組的輸出功率。變槳系統(tǒng)的軸承一旦進入風沙，將會逐漸和潤滑油脂混合在一起，造成軸承滾道和滾子的損傷，加速軸承失效。

(3) 對機艙的影響

機艙是風電機組的核心部件，艙內(nèi)設(shè)備主要包括齒輪箱或變流器、發(fā)電機、控制系統(tǒng)的電力電子元件等。機艙的罩殼作為艙內(nèi)設(shè)備抵抗惡劣環(huán)境的保護殼，同時也為維護人員提供安全封閉的操作空間，其重要程度不言而喻。機艙如果被風沙滲透，將有可能造成齒輪箱的輪齒損傷和軸承損壞、發(fā)電機短路故障、變流器功率模塊的損壞、控制系統(tǒng)的失靈和告警。

(4) 對塔筒的影響

塔筒在風電機組中主要起支撐作用，同時能夠吸收機組的震動。大風裹挾著沙塵，高速沖擊打磨塔筒的外表面，給塔筒表面的防護涂料造成磨損和損傷，失去涂層保護的塔筒極易出現(xiàn)銹蝕，久而久之會造成塔筒的力學性能下降，極端情況下甚至會使局部喪失承載能力，為事故埋下隱患。

塔筒門的開閉機構(gòu)及門鎖裝置，也有可能因為沙塵的侵蝕而出現(xiàn)阻塞、失效的現(xiàn)象，給維護人員帶來諸多不便。

(5) 流動沙丘的影響

流動沙丘是分布最廣的沙丘之一，流動沙丘的特征為地表植被稀少、沙丘形態(tài)典型，在風力的作用下，容易順風向移動。

風電機組的塔筒如果被流動沙丘淹沒，會阻礙運維人員的正常檢修，其過高的丘頂還會影響葉片的正常運轉(zhuǎn)，沙丘的移動也有可能造成基礎(chǔ)的不均勻沉降，破壞機組的運行穩(wěn)定性。

箱式變電站如果被流動沙丘淹沒，變電站的整體散熱性能會極大下降，電氣設(shè)備的絕緣距離也會因不足而發(fā)生接地事故。

集電線路如果被流動沙丘淹沒，在沙丘達到一定高度后，滑動的沙土會對埋沒的桿塔產(chǎn)生一定的壓力(沖力)，當壓力(沖力)超過桿塔組件的設(shè)計承受荷載時，桿塔整體或組件會發(fā)生變形或破壞。

對于生產(chǎn)運營單位來說，每年都需要對受損的電氣設(shè)備和桿塔組件進行維修和更換，這些損失極大地增加了運營的成本。

2 防風沙措施

根據(jù)多年的設(shè)計經(jīng)驗，結(jié)合風電機組制造廠的生產(chǎn)經(jīng)驗和以往工程的運行經(jīng)驗，風電機組的防風沙措施，必須從機組設(shè)計之初就予以考慮，這樣才能從根本上避免和克服風沙對機組的影響。

針對風電機組不同部位的防治措施，應(yīng)從密封工藝、涂裝工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計和“四新”應(yīng)用4個方面來考慮，具體內(nèi)容劃分如表1所示。

表1 不同部位沙塵防治的基本措施表

2.1 葉片的防風沙措施

葉片應(yīng)采用耐候性能和力學性能優(yōu)良的面漆，如聚氨酯材料，在柔韌兼顧的同時，具有抗紫外線輻射、耐酸、耐堿、耐鹽霧等特性，使葉片不易受到污染物和沙塵的沖蝕。

葉片的前緣更易受到風沙的侵蝕，可以采用高性能保護漆或增大涂料厚度，以保證葉片前緣免受風沙的沖蝕。

2.2 輪轂的防風沙措施

輪轂的罩殼應(yīng)采用流線型設(shè)計，阻力較小，一定程度上可以減弱砂石的磨損。

輪轂中的變槳軸承應(yīng)采用可靠的密封工藝，如雙唇口密封，以防止沙塵或雜質(zhì)的入侵。

輪轂的罩殼與其他部件的連接和旋轉(zhuǎn)部位可以增加尼龍毛刷或翻邊雨眉，以阻擋風沙的入侵，不但成本低廉，而且安裝簡單、效果明顯。

2.3 機艙的防風沙措施

機艙的罩殼也應(yīng)秉承流線型設(shè)計原則，以減弱砂石的磨損。

機艙內(nèi)的散熱通道應(yīng)采用專門設(shè)計，不應(yīng)形成空氣對流，對于沒有齒輪油冷卻系統(tǒng)的機組來說，可以采用全密封設(shè)計，以保持艙內(nèi)清潔。

機艙內(nèi)的發(fā)電機應(yīng)選用不低于IP54的防護等級，發(fā)電機過渡連接部位應(yīng)設(shè)置接觸式密封板。

機艙內(nèi)的液壓系統(tǒng)應(yīng)采用專門設(shè)計，如閉式結(jié)構(gòu)，以保證系統(tǒng)內(nèi)部與外界沙塵的隔絕，長時間保持油液的清潔度，保證了其使用壽命。

機艙內(nèi)的齒輪箱通氣部位應(yīng)加裝可靠的防塵裝置，防止沙塵因空氣流通混入箱體內(nèi)部。

機艙內(nèi)的控制系統(tǒng)各元器件均應(yīng)安裝在密封箱或者密封性能良好的盤柜內(nèi)。

2.4 塔筒的防風沙措施

塔筒的防護涂料應(yīng)選用韌性較好的涂料，如環(huán)氧漆，配合聚脲彈性體，能夠吸收沙塵對塔筒表面的沖擊，有效防護沙塵對塔筒的沖蝕。

塔筒門及通風孔應(yīng)采用專門設(shè)計，安裝防塵罩或采用防塵材料，以實現(xiàn)多級過濾，有效降低沙塵從機組底部侵入的可能性。

2.5 流動沙丘的專項措施

對于處于流動沙丘活動范圍內(nèi)的風電機組，首先應(yīng)采取抬高基礎(chǔ)的方法保護機組，其次根據(jù)當?shù)丨h(huán)保政策，可在典型移動沙丘的緩坡面種植灌木、陡坡面種植高桿植物，以減小沙丘的移動。

3 典型案例

項目地點：內(nèi)蒙古錫林郭勒盟。

項目環(huán)境：項目所在地風沙較大，空氣中沙塵含量高，沙塵暴較頻繁。

解決方案：葉片防護材料采用高質(zhì)量面漆；輪轂采用雙唇口密封的方式；機艙罩接縫、塔筒各段間的接縫均采用舌形密封膠條；傳動與靜止部件縫隙采用針對性密封解決方案，滿足沙塵環(huán)境下機組穩(wěn)定運行；低轉(zhuǎn)速外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機+氟硅橡膠全防護定子，避免微小沙塵對發(fā)電機的影響；通風散熱系統(tǒng)采用折疊式過濾網(wǎng)，通風面面積大，風阻小，有效阻隔沙塵。

運行效果：機組可利用率達98%以上，可利用小時數(shù)達到設(shè)計結(jié)論(排除限電因素)。

項目經(jīng)驗：該項目機組在大風沙極端氣候條件下能夠正常發(fā)電，沒有發(fā)生由于沙塵原因停機的現(xiàn)象，保證了機組的正常運行，保障了業(yè)主的發(fā)電量。

4 新技術(shù)的應(yīng)用及相關(guān)措施

隨著密封工藝和涂裝工藝的發(fā)展，一些新技術(shù)也在防風沙領(lǐng)域中嘗試應(yīng)用，如高彈性涂料、全密封軸承技術(shù)和微正壓密封技術(shù)等。

(1) 高彈性涂料：槳葉和塔筒的外壁可采用丙烯酸樹脂或聚脲涂料等作為面漆，雖然增加了一定的成本，但具有優(yōu)異的理化性能，如抗拉強度、伸長率、柔韌性、耐磨性等。

(2)全密封軸承技術(shù)：輪轂和機艙的軸承可采用密封防護罩，靜止部件采用密封膠封堵，最大限度地保證運動部件的潤滑和清潔。

(3)微正壓密封技術(shù)：機艙和塔筒可增設(shè)微正壓裝置，使機艙和塔筒內(nèi)的空氣壓力始終保持在略微大于外界環(huán)境壓力的狀態(tài)，致使沙塵不得侵入。

除以上幾點，各個風電機組廠家還在大力研發(fā)更加安全、更加可靠的其他防風沙新技術(shù)。

5 結(jié) 語

綜上所述，采用了防風沙措施的風電機組相較未做防護的風電機組，具有更高的發(fā)電量和更低的故障率，使得機組在大風揚沙、移動沙丘乃至沙塵暴等不利條件下都能有相對良好的運行表現(xiàn)。

需要注意的是，進行風電場整體布置時，應(yīng)當盡量避免選擇沙漠或者流動沙丘地帶；電氣設(shè)備外殼防護等級的選擇應(yīng)與環(huán)境條件相適應(yīng)，不可一味追求高標準；同時呼吁國家或行業(yè)盡快出臺風電場的防風沙設(shè)計規(guī)范及標準，為今后大型風電場或風電基地的設(shè)計提供更加權(quán)威、可靠的依據(jù)。