低温型风力发电机组设计及认证要求

中国船级社质量认证公司 隋红霞 傅程

在我国风资源比较富集的内蒙、东北和西北地区属于高寒地区，常年最低气温可达-40℃，而且冬季时间漫长，低温时间长达4～6个月。因此，低温是这些地方的风场所面临的一个共同问题，这也给认证工作带来很大难度，需要在认证工作中引起特别注意。

低温对机组的影响

目前国际上尚无统一、成熟的低温型风力发电机组设计标准。大多数安装在低温地区的风力发电机组是在其常温型风力发电机组的设计上采取一些专项的技术改进措施，以期能确保机组的正常安全运行。这些改进措施从某种程度上说起到了一定的作用，但要达到预期的要求还需要进行更多富于挑战性的工作。低温对机组的影响主要有以下几个方面。

低温对气动特性的影响。低温下由于空气的密度增大，会引起机组空气动力学性能的变化，直接影响机组的载荷。因此在进行机组设计时应考虑对空气密度进行相应的修正。

同时由于低温容易造成降雪和结冰，而叶片上如果堆积大量的雪或者结冰则会引起叶片的翼型发生改变，导致其气动特性发生变化，影响机组的载荷和功率。图1给出了一台机组遭受冰雪覆盖的情况。因此在设计时如果没有在机组叶片或相关部位配备适当的加热用以消除冰雪造成的变化，则在进行载荷设计时必须考虑冰雪覆盖后造成的气动特性的变化。

机组在极端低温时的功率输出可以表示为：

其中ET为低温时的功率输出； E0为功率输出；T是风机的低温限制温度；f(t)是空气温度的概率密度分布函数。如果没有f.则可以假定为正常分布。在计算功率输出时一定要注意风速和温度的关系。

同样，当叶片结冰时会降低其升力增加阻力，导致功率输出的降低。降低功率的多少取决于冰的数量。计算降低的功率输出需要考虑风速、冰聚集的周期、冰的周期和数量、温度和冰对风机的影响。及时知道这些参数的相互关系是非常必要的。通常采用时域计算。

许多参数难以获得，因此初始计算可以参考表1进行。

表1 结冰频率与年功率损失对应表

低温对材料的影响。由于温度对材料的弹性模量、强度和冲击韧性都有很大影响，当温度降低时，一般材料的弹性模量会升高而冲击韧性会降低，当弹性模量改变时，结构的应力会重新分配，导致各部分的应力会发生变化，由于材料的强度和冲击韧性也随温度发生变化，因此会出现随温度的变化某些受力部位出现失效的情况。图2 给出了低温对冲击韧性的影响。

图1 冰雪覆盖机组

图2 低温对冲击韧性的影响

低温对零部件影响。当外界温度降低时，对于零部件来说，首先需要考虑的是其结构是否完好，这就需要考虑制造零部件的材质能否承受该低温条件，其次需要考虑的是零部件能否正常工作，这就需要考虑工作介质，以及润滑油润滑脂在低温下能否保持正常工作，第三需要考虑的是如果能工作，工作状态是否发现改变，这就需要考虑如轴承等在低温下的阻尼变化，以及螺栓连接副等由于温度应力而导致的预应力变化。

对于各零部件，在低温下，具体应考虑如下内容：

1、叶片

由于叶片承受很大的气动载荷，风力风电机组的载荷主要来源于叶片，因此对于叶片来说，在低温环境下，首先需要考虑温度对叶片材料性能的影响。叶片由玻璃钢材料制造而成，而且叶片的铺层很复杂。玻璃钢材料本来就是由两种材料复合而成，再加上铺层工艺的复杂性，导致叶片会包含各种各样的缺陷，当温度降低时，叶片材料如果冲击韧性降的过低，势必会导致叶片在冲击载荷下极易发生破坏。

2、轴承

对于轴承，其材质首先能够承受低温，其次，由于轴承的主要作用是支撑回转件，因此能否良好润滑，决定了轴承能否正常工作，这就要求轴承使用的润滑油或润滑脂能够在低温下具有良好的润滑性能。而由于温度降低，润滑油或润滑脂的粘度必然增大，这就导致轴承在旋转过中的阻尼力增大。

3、液压系统

液压系统在低温下，液压油能保证正常流动，这样才能保证液压系统能正常工作。另外，由于液压油粘性增大导致的各器件度粘度太高，液压油流过管路与元件通道时流动阻力加大，使功率损耗增加。

4、螺栓连接

风机结构中使用了大量的螺栓连接，螺栓连接牢靠的一个重要保证是施加合适的预紧力，当温度降低时，如果被连接的两个零件以及螺栓之间的热胀系数不一样，那么将会产生温度应力，而温度应力会对预紧力产生影响。

5、电器设备

电器设备一般可以随着环境温度的降低适当的增加负荷，但是当温度过低时则会对设备材质的强度和冲击韧度造成一定的影响，从而导致设备的性能降低，寿命缩短。例如，低温时电缆的绝缘表皮会随着变硬，绝缘能力下降等。

机组设计需采取的措施

低温材料的选取。考虑到上述低温环境对风力发电机组的影响，除了在载荷计算时考虑相应的修正系数外，对于塔架、轮毂、叶片、主轴、轴承、机舱罩等部件的材料也应该选择与机组设计温度范围相对应的。例如，设计运行温度范围为-20℃～+40℃的机组在塔架设计时应至少选用Q345D以上的钢材制作。

加热的配置。除了考虑低温材料的选取外，对于某些部件要保证在低温时能够正常工作还必须配备相应的加热装置。这些部件主要包括：机舱内部、各控制柜和电源柜、发电机、变流器、变压器、偏航电机、风速计和风向仪等。在进行加热设计时应考虑各部件所加热的部分与加热方式，以及加热时达到的升温幅度，由此来确定被加热部件与工作介质（如润滑系统）的加热效果。

由于配备了加热装置，则必须考虑相应的温度测量以及过热保护，以确保部件加热能够在设计的温度范围内且不会引起故障发生。

控制和安全保护系统。考虑到低温对材料的影响、对部件的影响以及由此采取的各项措施，控制和安全保护系统在低温机型中应该补充考虑如下因素：

1、增加由于加热和温度测量造成的故障分析。

2、加强对风速仪、风向计的加热装置的监控。

3、加强对各部件加热器的运行监控以及过热保护的执行。

4、冷启动程序的设计：在此设计中须根据各部件的设计要求确定各部件的运行启动时间、加热方式以及温度控制，从而确定机组从低于运行温度到启动开始运行以及运行带载到满负荷所需要的时间。

认证要求

综上所述，在申请低温型风力发电机组认证时，针对低温部分应提交能够表明下述内容的技术文件：

1、总体说明中机组的温度范围及机组所用到的温度的定义和详细描述。

2、各工况下考虑极端温度的极限载荷的计算以及考虑到覆冰的疲劳载荷的计算。

3、机组零部件的低温性能。

4、机组加热系统的设计计算和布置说明。

5、机组冷启动过程的描述，包括各部件和控制系统。

6、环境温度超出运行温度范围时，机组运行控制的描述。

7、机组控制系统状态转换时的温度要求。

8、与低温相关的安全策略和安全系统的图表和说明。

9、所用到的各温度的测量点、传感器和测量装置的描述。

低温型风力发电机组在设计时应首先确定机组将要承受的低温范围，继而分析此温度对气动载荷的影响以及机组各零部件应该采取的相关措施，然后加以实施。同样，低温型风力发电机组在进行设计认证时也应该在常温型机组的基础上重点审核其采取的低温保护措施及低温气动载荷影响。