海上风电场应对台风措施

贾 超

(水电水利规划设计总院，北京 100120)

0 引言

目前，我国海上风电开发已进入快车道，规模迅速增长。从潮间带到浅海再到深海，从亚洲第一座110 kV海上升压站到220 kV深海升压站，我国海上风电取得突破性进展。数据显示，2018年我国海上风电新增装机436台；新增装机容量达到1 655 MW，同比增长42.2 %；海上风电累计装机量4 445 MW，同比增长59.3 %。据国家能源局相关统计，2020年，我国海上风电新增装机容量为306万kW，同比增长54.5 %。截止2020年底，我国海上风电累计装机约900万kW。海上风电的大规模开发，是机遇也是挑战。

海上风电的开发条件比陆上风电要差很多，不仅要面对海水的腐蚀、波浪的冲击，还要考虑防范台风的问题。我国是世界上受台风影响最严重的国家之一，我国所面临的西北太平洋(包括南海)是全球热带气旋(台风为热带气旋的一种)发生频数最多的海区，热带气旋生成数约占全球生成数的三分之一。

1 统计调研

根据1949—2016年《热带气旋年鉴》(1989年以前为《台风年鉴》)和中央气象台的资料等数据，我国沿海热带气旋登陆情况如表1所示。近10年来登陆我国超强台风占比，详见表2。

表1 1949-2018年热带气旋在我国的登陆频次

表2 2008-2018年登陆我国超强台风占比

(1) 登录台风的数量没有明显变化趋势。1949—2018年期间，共有625个热带气旋登录我国，年均9个，登陆频次略有减少的趋势，但达到台风级别的并没有明显变化。

(2) 台风的登陆点趋于集中。1949—1981年，登陆和影响我国的热带气旋主要集中在华南沿海和海南，而1982年以后主要集中在华东沿海及台湾。总体看，台风的登陆区域更为集中，25°N附近的东南沿海称为台风登陆的主要区域，这一区域遭受台风的袭击明显增大。

(3) 台风登陆时段趋于集中。我国热带气旋登陆季节持续时间平均约4个月，最短不到一个月，最长可达半年。70年来，我国热带气旋登陆季节持续时间缩短了近1个月。

(4) 登陆台风强度逐年增强。以热带气旋的中心气压表示强度，显示我国热带气旋在登陆时的强度有增加的趋势，并且登陆台风中超强台风所占比重也呈增加的趋势。

2 热带气旋的危害

热带气旋造成风电机组损坏的主要原因如下。

(1) 风速高，影响范围广，持续时间长。台风从生成到衰亡一般3～8天，但最长可达20天。台风由台风眼区、漩涡区、大风区组成，漩涡区是风力最大、破坏力最大的区域，一般宽 10～200 km，风速可达20～80 m/s，甚至有达到 100 m/s的台风。

(2) 湍流强度大，风向突变。湍流强度是描述风速随时间和空间变化程度的量，反映脉动风速的相对强度，是描述大气湍流运动特性的最重要的特征量。台风过境时，气流湍流强度明显增强，这种强烈脉动的气流可以诱发叶片抖振，对于大功率风机的长叶片抖振会更严重一些。风向突变会导致偏航系统不灵敏的风电机组不能及时调整方向，导致叶片受到的气流攻角加大，有可能使叶片进入扭转颤振状态，而一旦进入颤振，机组叶片的损坏则是必然的。

3 防台风设计

3.1 防台理念

在风电场的前期设计中，安全和投资是相互矛盾的。风电场的结构设计要求越高，能抵御超强台风的能力就越强，但投资成本也会大大增加。海上风电项目属于无人值守的工业项目，结构失效绝大多数情况不涉及人身安全，从这方面来说，可适当降低其结构可靠度。

抗台风设计应避免整体颠覆性破坏。因为颠覆性倒塔破坏不仅机组、塔筒、基础彻底失效，其运输、安装、输变电工程也受影响，修复费用会超过建设期安装、购买机组的全部费用。为有效避免颠覆性破坏，可以根据机组各部件失效造成的损失来确定各部件的安全系数。比如：基础、塔筒、机舱、轮毂、叶片，依据其重要性决定安全系数的高低。谨慎考虑叶片的设计强度，在超过设计风速的超强台风中应允许屈服破坏，降低风机的整体风荷载。

3.2 规划选址

在风电场的规划选址时，应给予台风等自然灾害因子赋予影响经济指标的较大权重，对于台风登陆频繁的地区宜暂缓开发，待抗台风技术成熟后再陆续开展前期工作。

规划场址处于受台风影响的地区，在进行正常气象条件下风资源数据采集的同时，还需要收集与本区域相关的多年台风登陆数据，以便进行分析处理，也为风电机组和输变电设备提供50年一遇的极端气象资料。

风机机位微观选址时，尽量将风机布置在风机高度范围内风垂直切变值及地面粗糙度都较小、各种风况下都不容易形成湍流的地方，在海上，一般主要避免风机之间形成较大的湍流。

避免在滩槽变化海域开发风电。因为对于滩涂和近海风电场，潮流冲刷槽和冲击滩之间反复变换，且易受台风浪和风暴潮的破坏，易导致基础结构因自振频率的改变而损坏。

3.3 基础、塔基设计

海上风机基础受波浪、海流、风荷载等多种荷载作用，具有重心高、海洋环境荷载复杂、承受水平风力和倾覆弯矩大的特点，是保证风电机组安全、稳定运行的关键。

在台风高发区如何选择高强度、高刚度的风机支承结构，确保整体结构的频率特性以及在极端海况下的结构的转角、位移满足要求，需要在风机基础设计时加以考虑。充分了解地基土层的成因、构造及其物理力学性质，避免扩大安全系数或安全系数达不到标准，有针对性地做出合理的设计、施工方案。

在设计时，要使用专业台风安全系数修正后的极端荷载，对塔架的各承重部件进行强度校核，综合考虑足够强度的壁厚配置。对螺栓、法兰、焊缝等也根据荷载报告进行极限强度校核，确保适合极限工况。结构设计严格按规范进行风荷载的取值。将基础设计的安全水平提高其实是造价和安全的博弈问题。

3.4 叶片设计

叶片是风电机组的“灵魂”，其性能决定了风电机组获取风能的效率，也影响着风电机组的安全。高风速下，叶片的空气动力性能不断增强，反而会影响机组的稳定性甚至导致发生破坏性事故。强风荷载是造成风电机组不稳定、安全性无法保证的根本原因，也是机组被台风损毁的主要原因。

叶片的选用应考虑抗台风、防盐雾、抗雨和抗沙尘的措施。叶片材料自身具备抗腐蚀和抗盐雾能力，同时叶片有充分的涂层，其前缘做了防腐蚀处理。其外表涂敷丙烯酸聚氨酯抗紫外线涂层，有效地提高了叶片抗老化性能。

为改善叶片的受力状况，采用碳纤维、柔性、智能化叶片是未来的发展趋势。

减少叶片的数目能降低叶轮锁所受风荷载。单叶片风机采用专门的停机方式，将单叶片停放在塔架前后，可达到拆下风轮的效果，最大限度地减少台风载荷。缺点是，需要一个配重块，运行时噪音很大。

3.5 控制策略选择

风电机组的变桨系统、偏航系统、制动系统这个三个系统是保障台风时风电机组安全的主要控制系统。

3.5.1 保障顺桨

在主电源供电失效后，变桨系统需要有备用电源供电来进行变桨操作。因变桨机构故障，造成风电机组严重超速甚至飞车事故的原因主要有：蓄电池原因、信号滑环原因、超速模块原因。应采取可靠的备用电源，对滑环定期清理，增加超速软件的冗余性等措施来保障变桨机构的正常工作。

3.5.2 加强偏航系统

台风作用在风轮和机舱的倾覆力通过偏航系统传递给塔架，同时变化的风向也会增加偏航系统刹车的荷载，因此偏航系统必须能承受台风带来的巨大荷载。应采用台风修正后的荷载对偏航系统进行调整，驱动齿轮尽量选用行星减速齿轮箱，避免采用涡轮涡杆减速齿轮，以避免在极端情况下机舱被迫转向而损坏偏航系统。

采用系统失电后可以自然偏航的系统。

3.5.3 优化机械制动

受台风影响，电网易损坏而断电，机械刹车的液压系统会因停电而抱死，风可能从最不利方向吹来，使叶片剧烈震荡而损坏，在破坏叶片的同时引起轮毂内变桨机构的损坏，进而改变叶片的变桨位置并发生飞车事故。优化控制逻辑或加装备用电源，在叶片顺桨、正常停机时松开刹车，让顺桨的风轮处于自由转动状态，使叶片尽量受力均匀。

4 施工期防台

海上风电场的建设周期长，通常至少会跨越一个台风季，在台风过境时如果尚未调试并网，无法受控制系统的保护，遭受台风破坏的概率会更高。施工期风电场工程项目能否安全顺利度过台风，一方面取决于设备的抗台风能力，另一方面取决于施工质量、安全措施及应急能力。

台风来临前，启动台风应急预案，严格按照规定停止作业。对吊装设备、脚手架、作业吊篮、集装箱仓库、建筑材料、临时施工机械等进行检查、加固；制定船舶靠岸计划，储备应急物资、建立信息平台，保持通信指挥系统畅通。

台风过境时，必须切断现场施工总电源；严禁进行设备吊装、结构安装、混凝土浇筑、管道焊接、安装等工作；所有施工人员应全部退场，保持通信畅通。

台风过境后，首先统计人员安全情况，对破坏现场进行取证，及时获得承包商的认可。对建设现场进行全面的检查和清理，完善应急物资。针对暴露出来的问题，及时总结经验教训，研究落实具体整改措施。

5 运行期防台

5.1 台风季前准备

运行的海上风电场应在每年台风季节之前完成例行的检查工作。全面分析风电场各风电机组所处海域，并结合台风特点，筛选出台风时受影响最大、风险度最高的风电机组进行重点监测防护。

台风季到来之前，根据监控信息开展针对性维护计划，保障风电机组基础和机组本身状态良好，对安全顺利度过台风过程具有重要意义。避免因微小原因造成台风期间风电机组主体结构的破坏或影响风电机组正常运行，从而保证风电机组的正常使用寿命和安全性。

5.2 应急防护

组建专业高效的灾害防御和应急救援队伍是降低台风期间灾害影响的重要因素。海上风电场应成立防台风的组织机构和应急救援队伍。

组织机构由总指挥、安全保障人员、维护保障人员、物资保障人员、后勤保障人员、信息保障人员等组成。

台风来临前，分48 h和24 h预警，各岗位人员各司其职。台风过境时，加强远程监测，确保风电机组进入“抗台状态”，避免“紧急停机状态”；所有人员待命，随时准备应急。台风过后，首先统计人员安全情况，及时安排出海巡检和消缺，逐台登机检查。具体以风机厂家的台风过后风机启动程序为准。组成灾后评估小组，及时理赔。针对抗台中暴露的问题，及时总结，严格落实整改。

6 措施建议

(1) 开展台风风险评估。对海上风电机组，建议根据场址所在区域多年的台风观测数据进行台风风险评估。风电场前期测风时应加装一套强风仪。

(2) 选用抗台风电机组。由于IEC的标准中明确说明不适用于台风区域的风电机组，因此机组选型应选择抗台风的S型等级。在选用抗台技术设备同时，统筹把握安全性和经济性的平衡。

(3) 制定超强台风应急预案。因超强台风极具毁灭性，根据超强台风的特点和海上风电场各自的特点，制定完善详细、可操作性强的防御方案，重点落实人员转移和安置方案。

(4) 购买保险转移风险。财产一切险可为因保险单责任以外的任何自然灾害或意外事故造成的物质损坏或灭失负责，因此可通过购买此类保险来转移因台风可能带来的巨大损失。