风力发电机组叶片扫塔原因分析及预防措施_罗雁飞.pdf

doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2023.01.020风力发电机组叶片扫塔原因分析及预防措施罗雁飞1，肖长远1，孙茂文2，罗胜曦1，张华炼1(1 中国船舶集团海装风电股份有限公司，重庆 401122;2 成都市特种设备检验检测研究院，四川 成都 610200)摘要:近年来，国内发生了多起风力发电机叶片扫塔故障，严重影响风电机组安全运行，同时也造成了大量的经济损失。从净空设计、吊装维护、叶片质量、机组运行控制、场址适应性、仿真还原等方面对某风场叶片扫塔故障原因进行分析，确定风场叶片扫塔由湍流超限、负切变、叶片安装角错位共同导致，并针对不同扫塔原因给出预防措施，为新机型净空设计提供一些建议。关键词:风电叶片;叶片扫塔;极端风况;负切变;湍流强度中图分类号:TM315文献标志码:B文章编号:1008-0198(2023)01-0116-05收稿日期:2022-10-12修回日期:2022-11-09Cause Analysis and Preventive Measures of WindTurbine Blade Tower SweepingLUO Yanfei1，XIAO Changyuan1，SUN Maowen2，LUO Shengxi1，ZHANG Hualian1(1 CSSC Haizhuang Windpower Co，Ltd，Chongqing 401122，China;2 Chengdu Institute of Special Equipment Inspection and Testing，Chengdu 610200，China)Abstract:In recent years，there have been a number of blade tower sweeping failures of wind turbine inChina，which have seriously affected the safe operation of wind turbines，and also brought a lot of economiclosses This paper analyzes the causes of blade tower sweeping failure in a wind farm from the aspects ofclearance design，hoisting maintenance，blade quality，unit operation control，site adaptability，simulationrestoration，etc It is determined that the blade tower sweeping in the wind farm are caused by turbulenceoverrun，negative shear，and blade installation angle dislocation Preventive measures are given for differenttower sweeping causes，and some suggestions are put up for the clearance design of new modelsKey words:wind turbine blades;blade sweeping tower;extreme wind conditions;negative shear;turbulence intensity0引言风能具有可再生、无污染、广分布、低成本等突出优势1，是使用最为广泛和发展最快的可再生能源之一2。截止到 2019 年底，我国风电装机容量已达 2.21 亿 kW，雄踞世界第一3。随着风力发电技术的高速发展，特别是风电行业平价后，风力发电机组趋向于大型化45，国产化规模在不断扩大，海上 5 MW 国产化样机已实现风场运行6，叶片也不断变长，目前陆上机组叶片已接近 100 m。海上叶片已超过 110 m，叶片大型化带来叶片质量的增加及载荷的增大，但考虑到成本等因素，目前叶片设计得越来越柔软。近年来，叶片扫塔故障频发，严重影响风电机组安全运行，对精益运维带来很大的挑战，造成了大量的经济损失。对叶片扫塔故障原因进行分析，提前制定预防措施尤为重要。611第 43 卷第 1 期湖南电力HUNAN ELECTIC POWE2023 年 2 月1叶片扫塔故障介绍叶尖净空是指风电机组叶片在运行过程中叶尖到塔筒表面的几何距离，在叶片经过塔筒附近时此距离达到最小，若风电机组在运行过程中叶片净空小于 0，叶片叶尖会扫到塔筒表面，导致叶片叶尖损伤，特别严重的还会导致叶片断裂及塔筒凹陷。图 1 为某风电场风电机组叶片扫塔图，可以明显看出叶片叶尖开裂损伤，塔筒表面也有叶片剐蹭的痕迹。图 1某风场风电机组叶片扫塔图2叶片扫塔原因分析叶片扫塔的原因往往是复杂多样的，设计、生产制造、运输吊装、风电场机组选型、场址适应性评估、运行维护等任何环节出现不满足设计要求或者相关标准的情况均有可能导致叶片损伤7，从而导致叶片扫塔或直接扫塔，进行原因分析时，需结合风场实际情况对多方面原因综合分析。2.1机组净空设计分析最小净空距离是目前风电机组设计过程中考虑的主要极限之一，早期风电机组参照 GL 2010 标准设计，净空要求为至少 30%。之后，GL 2016 和IEC 6140012019 标准版本更新，针对净空的要求有所变化，要求见表 1。表 1净空设计标准%测试项目GL 2010IEC 6140012005GL 2016IEC 6140012019不做任何测试3032.63032.6通过静力测试3029.42529.4通过刚度一致性测试(5%)3025.92025.9早期的叶片设计，叶片质量、刚度相对较大，净空不是叶片设计“卡脖子”问题，通常远大于30%。随着行业发展及平价时代来临，叶片设计更加精细化、轻量化810，净空参照 IEC 标准按25.9%设计，通过测试验证保障质量。该扫塔机组采用 1653.XMW 机型，叶片长度81 m，设计净空 27%(5.2 m)，净空设计满足 IEC标准，设计上满足要求。叶片净空虽满足要求，但相对冗余较小，对于环境条件更为敏感，若其他方面不满足要求就很容易导致叶片扫塔。2.2吊装维护检查分析根据该机型吊装要求，吊装示意图如图 2 所示，叶尖吊点(430.5 m)前后缘必须使用硬质随形护板，起吊前检查叶片护板安装位置是否正确，护板是否随形，在整个安装过程中必须用一个辅助吊车将叶片扶住(护板及15 t 的扁平吊带，吊带宽度200 mm)，严格按照叶片吊装方案示意图布置吊带。查阅扫塔机组叶片的吊装过程存档照片，叶片在吊装过程中使用一个辅助吊车将叶片扶住，如图 3 所示，叶尖吊点(430.5 m)前后缘使用了硬质随形护板，如图 4 所示，未见明显异常;对扫塔叶片进行检查，也未发现有磕碰损伤。图 2叶片吊装方案示意图711第 43 卷第 1 期罗雁飞等:风力发电机组叶片扫塔原因分析及预防措施2023 年 2 月图 3叶片吊装安装过程图 4机组叶片吊装防护措施吊装过程虽未见明显异常，但对机组安装情况进行检查时，发现扫塔叶片 0指针与叶片 0未对齐，偏差接近 2。该叶片实际桨距角比设计桨距角小 2，另 2 支叶片实际桨距角与设计桨距角一致，当另 2 支叶片变桨到 2时，扫塔叶片实际桨距角为 0，所受载荷会远大于另 2 支叶片。经仿真模拟分析，叶片虽不会超设计载荷，但会造成6%的净空损失，仅此原因还不足以导致叶片扫塔，还可能有其他原因。经核实造成叶片零位未对齐的原因为吊装时螺栓孔错位，调试时未发现该问题。2.3叶片检查评估叶片是风电机组最重要的零部件之一，其可靠的质量是机组长期稳定运行的重要保障11，但叶片是风电机组中质量稳定性相对较差的产品12，需从现场勘查、叶片认证评估、叶片制造评估等对叶片进行全方面检查，针对叶片扫塔问题，尤其需关注叶片静力试验13，检查内容如下。1)现场勘查:对叶片内外部进行详细检查，检查确认不存在生产缺陷，在扫塔位置取样进行玻璃化转变温度、含胶量检测，检测结果均合格。2)叶片认证评估:对风力发电机组部件认证证书、设计准则评估报告、设计评估报告、型式试验评估报告、制造能力评估报告、最终评估报告等相关证书进行复核。该型号叶片完成了型式认证，并由第三方机构颁发型式认证证书，证书齐全。从叶片设计、认证和静力试验验证的角度分析，叶片具有足够的结构强度，满足 GL 2016 规范要求。3)叶片制造评估:对扫塔叶片的生产质量记录、工艺一致性进行评估，对影响生产质量关键因素的人员、工装、设备、材料等进行审查14，叶片生产过程中环境、人员、设备、原材料、过程工艺和记录均符合生产过程规范和标准要求，叶片零度标识牌安装位置符合标准要求。经过对扫塔叶片进行检查，可排除叶片设计及质量问题。2.4运行控制分析2.4.1扫塔时间点确认运维人员及现场目击人员描述:根据现场运维人员及目击人员描述确定大概的故障时间点。机组振动数据分析:从机组振动水平变化，识别出可能的叶片故障时刻。从运行机理上，叶片扫塔后，若 1 支叶片受损，运行时因叶片受载不平和，可能表现出振动水平增大。运行数据分析:通过对可能的扫塔时间点数据进行分析，重点观察风速、方向、振动、偏航角度、功率等变化情况，确定叶片扫塔时刻。扫塔方位角分析:机组实际扫塔方位角与扫塔时刻机组后台记录方位角进行对比，对扫塔时刻进行验证。2.4.2机组控制分析对机组运行情况进行分析，确定是否因控制原因导致叶片扫塔。运行情况检查分析:转速和振动是评价机组运行情况的关键参量，是机组各电气、机械部件状态的直接体现。取故障前机组振动、转速数据，进行频谱分析，机组振动水平较低，运行转速稳定;各频率点均为机组特征频率，幅值极低;机组运行正常。变桨跟踪性检查:检查 3 支叶片变桨角度是否一致，若不一致，可能导致叶片受载不一致而致叶片扫塔。根据扫塔停机前数据，三个叶片变桨角度一致，变桨系统跟随正常。转矩跟踪性检查:转矩跟踪性检查即检查变流器反馈转矩与机组下发转矩是否一致，若不一致，可能导致叶片受载增加。扫塔机组变流器反馈转矩811第 43 卷第 1 期湖南电力2023 年 2 月与机组下发转矩平均偏差为 34 Nm，仅为 0.1%的偏差，未见异常。控制策略排查:对机组的控制策略进行排查，特别是预变桨参数，直接影响机组净空;排查未见异常。2.5场址环境条件分析根据该项目微观选址及安全性评估报告，该风电场适宜选用 IEC 类及以上风机，湍流强度为C 级以上。该项目选用机型按照 IEC C 设计，适用于空气密度 1.225 kg/m3条件下年平均风速7.5 m/s，50 年一遇 10 min 最大风速37.5 m/s，在轮毂高度处风速 15 m/s 时平均湍流强度0.12，机组生存环境温度为4050，塔筒高度 95 m。该机型满足此风场要求。查阅扫塔时间段的测风塔数据，并将测风塔湍流情况绘图，如图 6 所示，黄线为 C 类湍流，灰线为 B 类湍流，红线为 A 类湍流，测风塔湍流已超过 B 类，个别超过了 A 类，与微观选地时数据不符;扫塔前后时间 30 m 高度的平均风速为 9.8m/s，70 m高度为 9.4 m/s，100 m 高度为 9.1 m/s，扫塔前后存在明显的负切变情况，负风切变是指风速随高度增加而降低的特殊现象，微观选址时未考虑负风切变;湍流超限及负风切变对机组净空都会有较大影响15，还需进行仿真分析。图 6扫塔前 1 周测风塔风速湍流情况2.6仿真分析将现场风况及机组运行数据导入仿真模型，通过仿真还原机组扫塔时运行情况。图 7 为仅考虑叶片对零误差、不叠加湍流超限及负风切变时机组净空变化情况，此时叶片最小净空为 4.2 m，已比叶片设计最小净空小 1 m。图 8 为叠加叶片对零误差、湍流超限及负风切变时机