台风专题 | 台风对沿海风电机组的危害及对策
2015年07月14日
本文以作者本单位所属两个风电场（红海湾风电场和甲东风电场）2013年9月22日受超强台风“天兔”袭击时造成的损坏情况为例，对台风的危害性进行分析，进一步总结风电场的防台抗台经验。
台风的危害性
红海湾风电场位于广东省汕尾市红海湾开发区施公寮半岛，安装有25台660kW的风电机组,于2003年5月投产。
甲东风电场位于广东省陆丰市甲东镇洋美村沿海，安装有24台850kW的风电机组，于2007年1 月投产；5台2MW的风电机组于2012年1 月投产。两个风电场每年平均受到台风的袭击有3次－6次。
一、超强台风登陆情况
台 风预报信息： 中央气象台2013年9月21日06时发布台风红色预警：今年第19号超强台风“天兔”的中心附近最大风力有16级（55m/s)，中心最低气压为925 百帕，七级风圈半径380公里，十级风圈半径150公里。 预计，“天兔”将以每小时20公里左右的速度向西偏北方向移动，逐渐向广东沿海靠近，并将于22日下午到23日早晨在广东中东部沿海登陆,如图1所示。
台 风登录信息：2013年9月22日19时40分，2013年第19号台风“天兔”在广东省汕尾市红海湾开发区施公寮和遮浪之间登陆（红海湾风电场位于台风 直接登陆点内）。台风登陆前17时54分，红海湾风电场实测最大风速达62.9m/s，已超过17级。台风中心登陆时因电网失电，风电场监控机无法测得当 时最大风速，如图2所示。
二、风电场受灾情况
台风“天兔”过境，红海湾风电场和甲东风电场都受到不同程度的损坏，其中：红海湾风电场因位于台风登陆点，受损严重；甲东风电场由于离台风登陆点相对较远，受损情况相对较轻。具体损坏明细如表1所示，损坏情况如如图3至图6所示。
图1 台风预测信息图
图2 台风实际路径图
图3 风电机组塔筒倒塌图
表1 台风“天兔”对风电场造成损坏情况统计表
防御台风应对措施
一、启动防台风应急预案
2013 年9月18日，当地气象台发布“天兔”超强台风预报信息，本单位开始着手台风防御各项工作，落实各项检查、隐患防范及物资储备工作。21日10时，提前宣 布启动台风应急预案，对防台工作进一步部署，全体人员按照职责分工分别在红海湾风电场、甲东风电场开展预防措施。
二、超强台风登陆过程及应对措施
台风登陆的时间过程如图7所示。
22 日13:02，台风距离广东中东部沿海约500km,甲东风电场风电机组监控系统测得风速达到25m/s，14:30，红海湾风电场测得风速达到20m /s并持续加大,风速瞬时变化大。为保障风电机组安全，期间值班员经现场指挥员同意，按照预案措施将风电机组主动切出运行安全停机，并检查各风电机组桨叶 全部在顺桨位置。
22日15:30，甲东风电场当地电网系统失电，15时为电网系统失电前最高风速时间段，甲东风电场26#风电机组记录到46.9m/s风速；据香港天文台和国家气象局了解，甲东镇出现最大阵风为17级，最大风速达61m/s。
22 日18:30，红海湾风电场当地电网失电。红海湾风电场失电前，监控显示18:26时刻9#风电机组最大风速为62.9m/s。根据从风电场周边遮浪海洋 自动站了解到的信息，红海湾风电场最大风速出现在19:30前后，由于当时电网断电，两个风电场实际最大风速目前还无法得知。
图4 风电机组机舱损坏图
图5 风电机组底座损坏图
图6 风电机组叶片损坏图
图7 台风登陆时间图
在电网失电之前，值班人员实时监控风电机组监控系统数据（风速、发电机转速、叶片角度等参数变化）和变电站后台监控系统的设备状态信息（母线三相电流、电 压，主变运行状况等），观察变电站室外设备的运行状况（设备有无放电现象），并做好风电机组、变电站设备运行数据的拷贝和状态记录。
三、受灾后的检查和恢复工作
台 风“天兔”过境后现场面目全非，惨不忍睹。本单位及时开展灾后各项安全隔离、对全场设备进行检查检测等处置工作。在上级公司及各有关方的帮助下，生产人员 经过连日奋战检查并修复了两个风电场的设备设施，2013年10月29日甲东风电场所有风电机组恢复投入运行并网发电， 2014年1月24日红海湾风电场7台V47风电机组恢复投入运行并网发电。
本 单位委托第三方权威机构——必维国际检验集团对台风“天兔”过境进行调查分析。通过对两个风电场受灾情况开展调查、分析、检验评估等工作后，得出以下评估 结论：台风过境期间现场对机组的操作正确并采取了相应的保护措施，机组在断电前控制动作正确无异常；通过各项数据并结合从风电机组模块上读取的数据，对台 风登陆时的风速进行了建模和计算显示，机组受损的原因是“天兔”台风期间风况超出了机组的设计极限，载荷超过机组设计承载能力。
台风对风电机组的载荷和失效性分析
本单位两个风电场的风电机组属于Ⅰ类风电机组，抗风设计是3s可承受平均最大风速为70m/s，10min可承受平均最大风速50m/s，是建设当时国际上 承受风力等级最高的风电机组。依当地气象站数据，本次超强台风为自1953年以来最强台风，其强度已经超过风电机组的设计标准。
台风对风电场的影响特征如图8所示，包括极端风速、突变风向和非常湍流等，这些因素单独或共同作用往往使风电机组不同程度受损，如叶片因扭转刚度不够出现通透性裂纹或被撕裂；风向仪、尾翼被吹毁；偏航系统和变桨系统受损等，以及最严重的风电机组倒塔。
一、叶片、轮毂损坏原因分析
红海湾风电场：有10台风电机组叶片、轮毂严重损坏，共有28支叶片严重受损（叶片中段折断、出现严重裂纹），有8个轮毂内部变桨执行机构断裂、受损，需要拆卸风轮或叶片进行更换。
甲东风电场：有1台风电机组1叶片严重撕裂，需要更换，如图11所示。
分析：台风登陆时的风向突变。风向并不总是沿着对叶片受力较有利的顺桨方向吹入，如图9所示，也可能从对叶片受力最不利的垂直叶面方向吹入，如图10所示，此时风电机组可能由于电网等原因紧急停机而处于刹闸状态，这就大大增加了叶片的载荷（相差30%）。
事 实上，红海湾风电场风电机组在断电的状态下，偏航失效，风轮无法调整对风，台风期间风向随台风中心移动而变化，出现持续的各个方向的大风作用在叶片上产生 持续的极大弯扭组合力矩，并且由于台风风速已经超过了设计极限，产生的弯扭组合力矩会超过叶片及变桨执行机构承载极限，导致叶片断裂，变桨执行机构受损。
二、风电机组塔筒倒塌原因分析
图8 塔架-风轮系统图
图9 叶片顺桨方向流向图
图10 叶片垂直方向流向图
红 海湾风电场有8台风电机组塔筒倒塔，倒塔方位均在东南140度至南185度方向范围内，如图14所示，其中6台机组向机头方向倒塔，1台机组向尾部倒 塔，1台机组侧向倒塔。所有倒塔机组塔架折弯位置一致，均在下塔架中段约7m－8m位置，如图13所示，部分螺栓拉断，或严重变形，部分机组塔底法兰变 形。
分析：台风方向不断变化，风电机组在失电下不能及时调向成顺风式或者逆风式，以致作用在风电机组上的侧倾力变大，塔筒的侧倾力矩变大而倒塌。台风施加在机组上的静力效应和动力效应共同作用下不断施加疲劳载荷，最后达到或者超过塔筒的设计载荷极限，严重的使塔筒倾覆。
红 海湾风电场8台风电机组倒塔风电机组塔架弯折部位一致，表明各机组倒塔是受同一类型载荷作用导致。机组倒塔方向集中在东南南至南向的45度的方位范围内， 且大部分背面受风折倒，表明机组倒塔是受西北侧强风作用导致。超过设计极限的风速导致机组产生倾覆力矩，机舱摆动，持续的强风作用带来的连续大载荷与同向 的机舱摆动共同作用，超过塔架承受极限后机组倒塔。
图11 叶片受损情况图
图12 轮毂内部设备损坏图
图13 塔筒倒塌主要位置图
图14 风电机组倒塌方向分析图
三、风电机组机舱着火分析
红海湾风电场10#、19#两台风电机组机舱起火迹象，现场检查发现齿轮箱输出轴至发电机输入轴之间有明显起火痕迹，高速轴刹车片有严重磨损痕迹，机舱内其他部位未见明显起火痕迹，风电机组轮毂变桨执行机构受损，如图12所示，叶片处于变桨状态。
分析：风电机组背面受强风，叶片在强风作用下产生极大扭转力矩，导致变桨系统失效，产生极大风轮扭矩，超出高速轴刹车盘与刹车片摩擦承载能力，刹车盘强行转动，如图15、图16所示，产生持续高温，产生火花引燃高速盘侧易燃物引起火灾。
图15 机舱火灾受损情况图
图16 刹车盘损坏情况图
防御台风对策
经历过如此强大的台风后，风电场该如何预防和应对台风，才能将台风带来的灾害损失减少到最低，以下几个方面的探讨，供同行或制造厂家参考。
一、
加强风电场建设的微观选址
风电场微观选址应当综合考虑风电机组的安全性和发电效益，因台风强气流突然改变带来的非常湍流是造成风电机组破坏性损害的主要原因，因此避免在环境湍流大的区域安装风电机组就是最有效的预防措施。
二、机组选型要求
按 照国标风电机组安全等级的要求，风电机组应设计成能安全承受与其等级相应的风况。风电机组承受的风速，一般不允许超过参数的限值，以免产生安全隐患。风电 机组制造商为沿海地区及海上风电场生产供应风电机组设备时，应充分考虑台风的影响，针对不同的风电场采取差异化设计制造。同时，对易遭受台风袭击的沿海地 区及海上风电场的风电机组设备应优化风电机组的制动策略，增强风电机组变桨制动力矩。
三、备用供电源的优化
确 保风电机组在失去电网电源的情况下，有其他的安全策略使风电机组本体不会因蓄电池电量耗尽而失去控制，需要优化设计，增加单机组的逆变供电源，解决变浆系 统和偏航系统的供电正常。变浆风电机组应保证控制系统正常，可随风力大小自动调整叶片转角，当停机时液压释放叶片自动顺浆以确保风电机组安全。
四、优化安全链控制的设计
安全链回路中，风电机组故障急停或断电的状态下，机组刹车系统处于抱闸状态。但叶片受到极大强风的作用下，容易造成刹车系统失效，刹车片磨损产生火花引起火灾。需要有针对性的改善机组刹车状态，优化设计可以通过增加泄压回路，人为远程或就地控制刹车系统的状态。
五、加强机组监测运行
在 风电场甚至风电机组内装设视频监控系统，将视频信号实时传送到风电场中控室，以便及时了解掌握风电设备运行情况，并及时采取措施。风电机组在台风、雷暴雨 等恶劣天气下运行，容易造成机舱各主部件损坏，如发电机、齿轮箱、变桨系统、叶片等，而损坏过程我们往往不能搜取信息，做后续的分析及提前做好预防预控措 施。解决的方式可以通过增加摄像远程监控系统，实时监测机舱主部件的运行状态，发现早期的缺陷时，可提前操作主动停机，降低机组部件的损坏程度，避免故障 发生。
六、加强对叶片的监测和优化塔筒设计
对 于叶片早期的损伤程度若未发现，在阵风、台风等恶劣环境下，将有可能引起叶片折断、撕裂现象。如能通过监测采集数据，分析叶片在特定地区及环境下的刚性、 共振特性、荷载以及疲劳程度，对叶片的设计及选材上将有很大帮助。因此，对叶片的监测也应引起重视。塔筒方面，由于塔筒自下至上因圆周尺寸的转变、筒壁厚 度的转变，将在转变处造成较为薄弱点，在受到强大机舱摆动将产生变形、折损现象。加强塔筒优化设计，进行载荷检验，提高转变处的承载力。
结语
台 风带给我们的灾难是刻骨铭心的，风电行业防台抗台工作的使命任重而道远，是沿海地区风电场必须要面对的重要议题。这需要多方共同努力，包括风电机组制造 商、风电场业主及运行单位相关部门等的分工配合协作，不断优化机组设计、提高机组性能，才能保障风电场的安全稳定运行。以上见解难免有不足之处，希望能与 同行交流完善，共同探讨并做好防台抗台工作。
来源：《风能》
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