海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、嚴(yán)酷，高運(yùn)維、成本競價(jià)、平價(jià)上網(wǎng)競爭環(huán)境使得業(yè)主期望海上風(fēng)電設(shè)備的更高可靠性、更好發(fā)電性能；風(fēng)電設(shè)備制造商渴望產(chǎn)品少維修、終生免維等；電網(wǎng)希望不停機(jī)，同時(shí)輸出穩(wěn)定。因此，可以看出，提高產(chǎn)品質(zhì)量可靠性成為行業(yè)的共同愿望和追求。

　　

　　一般來說，海上風(fēng)電在運(yùn)行過程中失效的形式有很多種。葉片在極限、疲勞載荷下變形損傷、裂紋擴(kuò)展、拆斯墜落、風(fēng)機(jī)倒塔；電氣設(shè)備在高溫、低混、濕熱、鹽霧、砂塵等環(huán)境下短路、斯路、失效、失火；齒輪箱、軸承、螺栓等關(guān)鍵件的振動、過載、開裂等。以某風(fēng)電場在四年間出現(xiàn)的失效和故障為例，如圖所示，可以看出電氣系統(tǒng)、葉片/變槳裝置和傳感器出現(xiàn)故障次數(shù)最多；控制系統(tǒng)、齒輪箱和電氣系統(tǒng)故障時(shí)間最多。

 

　

圖1 某風(fēng)電場故障統(tǒng)計(jì)

　　2、風(fēng)電可靠性設(shè)計(jì)

　　

　　一般來說，海上風(fēng)電可靠性設(shè)計(jì)過程大概是：明確產(chǎn)品研制階段的可靠性工作的內(nèi)容、制定可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及要求(標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等)并建立可靠性模型；進(jìn)行系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的預(yù)計(jì)和分配(可靠性建模、預(yù)計(jì)、分配)；進(jìn)行各種可靠性分析(故障模式影響及危害度分析、故障樹分析等)；進(jìn)行整機(jī)及子系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)。

　　

　　在進(jìn)行可靠性分析時(shí)，一般會將風(fēng)電機(jī)設(shè)備劃分為三個部分分別分析：

　　

　　塔架、葉片、齒輪箱、變槳裝置、偏航裝置等機(jī)械結(jié)構(gòu)；

　　

　　控制柜、發(fā)電機(jī)、變頻柜、電抗器、傳感器等電氣設(shè)備；

　　

　　保障風(fēng)電機(jī)組高效運(yùn)行的硬件、軟件控制系統(tǒng)。

　　

　　對于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從工程角度來說實(shí)際相當(dāng)于裕度設(shè)計(jì)，對于海上風(fēng)電來說主要針對零件磨損和斷裂。

　　

 

 

　　圖2 裕度設(shè)計(jì)流程

　　

　　結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)中常用的物理量為：載荷、材料力學(xué)特性參數(shù)、工況變化、幾何尺寸、其他不確定因素(載荷簡化、力學(xué)模型簡化等)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械結(jié)構(gòu)破壞80%是由疲勞引起的，因此，必須重視機(jī)械結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性，充分開展疲勞可靠性設(shè)計(jì)和試驗(yàn)。

　　

 

　　

圖3葉片強(qiáng)度試驗(yàn)

　　

　　風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)下部鋼管樁直徑大、入土深度深、承載力要求高，這種大直徑鋼管樁的承載力試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)較少。為確保工程設(shè)計(jì)和施工的安全可靠，工程實(shí)施前需要在工程海域進(jìn)行樁基承載力試驗(yàn)。通過現(xiàn)場試驗(yàn)，確定鋼管樁的豎向和水平極限承載力，并獲取土層的側(cè)阻、端阻力和樁身的應(yīng)力及變形數(shù)據(jù)，為樁基設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)。海上風(fēng)機(jī)樁基礎(chǔ)承受的荷載通常都很大，如果采用傳統(tǒng)的堆載靜載法或錨樁反力靜載法進(jìn)行試驗(yàn)，需要很大的堆載量和錨樁數(shù)量，試樁成本很高。近年來出現(xiàn)的自平衡法為海上樁基承載力試驗(yàn)提供了一種新的手段。自平衡法的試驗(yàn)原理見圖5，該方法采用在樁身內(nèi)部某位置預(yù)埋加載設(shè)備，通過加載設(shè)備將樁身的一部分往上頂，另一部分向下壓，同時(shí)測量樁側(cè)和樁端的阻力。該方法利用樁身上、下兩段阻力的相互平衡互為反力，免去了傳統(tǒng)方法中的堆載或錨樁，試驗(yàn)費(fèi)用相對低廉。

　　

　

　　

圖4 自平衡法實(shí)驗(yàn)原理

　　

　　對于電控系統(tǒng)的可靠性而言，具體要求如下：

　　

　　在自檢、啟動、軟切入、并網(wǎng)運(yùn)行、停機(jī)、維護(hù)狀態(tài)時(shí)，控制系統(tǒng)能準(zhǔn)確、有效并及時(shí)發(fā)出指令；

　　

　　在故障情況下，控制系統(tǒng)應(yīng)能及時(shí)保護(hù)停機(jī)并顯示相應(yīng)的故障類型；

　　

　　具備主要數(shù)據(jù)的監(jiān)測功能；

　　

　　機(jī)組與中心控制室應(yīng)當(dāng)有安全穩(wěn)定的遠(yuǎn)程通信功能，中央控制室能夠得到機(jī)組所有的數(shù)據(jù)，機(jī)組能夠得到控制室的所有指令。

　　

　　集電系統(tǒng)可靠性研究中常用失負(fù)荷概率、失負(fù)荷頻率、失電量期望等指標(biāo)描述電力系統(tǒng)穩(wěn)定且充裕地提供所需電能的能力。但在海上風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)分析中，并未有明確意義的負(fù)荷，所以海上風(fēng)電集電系統(tǒng)可靠性分析更側(cè)重于研究海上風(fēng)電系統(tǒng)為主網(wǎng)提供有效出力的水平及出力波動水平。考慮到風(fēng)機(jī)出力還受環(huán)境因素影響，若僅分析系統(tǒng)的故障情況，采用可用容量描述更加適宜。因此，停運(yùn)表更適宜描述集電系統(tǒng)的故障狀態(tài)。停運(yùn)表是系統(tǒng)可能出現(xiàn)的容量值對應(yīng)的概率頻率參數(shù)的有序集合，包括確切概率（系統(tǒng)為某容量事件的概率）、累計(jì)概率（系統(tǒng)小于等于某容量事件的概率）和累計(jì)頻率（系統(tǒng)小于等于某容量事件的頻率）等等。以某停運(yùn)表為例，如下圖所示。

　

　　

圖5 集電系統(tǒng)可靠性分析流程　　

 

　　

　　海上風(fēng)電對惡劣天氣的防護(hù)

　　

　　海上風(fēng)電場大部分工程都是離岸施工，工作場地遠(yuǎn)離陸地，受海洋環(huán)境影響較大。在建設(shè)過程中和建成后的使用期間，自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)都是其不可避免的影響因素。所以，在建設(shè)初期應(yīng)充分收集海上目標(biāo)風(fēng)電場的自然條件資料，包括風(fēng)、浪、流、潮汐、氣溫、降雨、霧等的歷年統(tǒng)計(jì)資料和實(shí)測資料；根據(jù)統(tǒng)計(jì)和實(shí)測資料，分析影響施工的自然條件因素；通過分析統(tǒng)計(jì)影響施工作業(yè)的時(shí)間制定合理的施工窗口期。同時(shí)，一般海上風(fēng)電項(xiàng)目對設(shè)備和選址具有較高的要求，在選擇設(shè)備時(shí)，選擇質(zhì)量可靠、技術(shù)成熟、有批量運(yùn)行業(yè)績的適合機(jī)型，機(jī)型和廠家必須要有第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)技術(shù)認(rèn)證，從而確保風(fēng)電設(shè)備的質(zhì)量。例如，當(dāng)選址在浙江、廣東、福建等易受臺風(fēng)影響的沿海區(qū)域時(shí)，風(fēng)機(jī)應(yīng)采用抗臺風(fēng)機(jī)型。在設(shè)備生產(chǎn)時(shí)聘請專業(yè)的監(jiān)造團(tuán)隊(duì)，保證設(shè)備的出廠質(zhì)量。最后，在可行性研究和設(shè)計(jì)階段，需對項(xiàng)目建設(shè)條件進(jìn)行深入細(xì)致、長期的調(diào)查、勘測、分析和方案比較。詳細(xì)勘察時(shí)對每個機(jī)位采用較先進(jìn)的海上孔壓靜力觸探試驗(yàn)技術(shù)，提高土壤參數(shù)的準(zhǔn)確性，保證風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)安全的同時(shí)，使基礎(chǔ)設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化。同時(shí)采用第三方認(rèn)證單位對設(shè)計(jì)進(jìn)行認(rèn)證，保證設(shè)計(jì)的合理性。　　

 

　　海上風(fēng)電防火預(yù)案

　　

　　目前，已經(jīng)并網(wǎng)的海上風(fēng)電場在運(yùn)行期間，已經(jīng)發(fā)生了幾起風(fēng)電機(jī)組的火災(zāi)安全事故。一般來說，海上風(fēng)電火災(zāi)可能發(fā)生在機(jī)艙、塔基、風(fēng)場及風(fēng)機(jī)變電站。目前，大多數(shù)風(fēng)電機(jī)，開關(guān)裝置、逆變器、控制柜、變壓器等部件通常安裝在發(fā)動機(jī)艙內(nèi)；因此，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)顯著增加。同時(shí)，機(jī)艙內(nèi)技術(shù)設(shè)備的高度集中和易燃材料的使用，火災(zāi)會迅速擴(kuò)散，塔體上部也有被損壞的危險(xiǎn)。如果機(jī)艙完全損壞，修復(fù)費(fèi)用可能會達(dá)到風(fēng)機(jī)本身的價(jià)值。而且海上風(fēng)電場，由于使用特制船只、浮式起重機(jī)或電纜鋪設(shè)船，相關(guān)費(fèi)用相比陸上風(fēng)電場大大增多。

　　

　　1海上風(fēng)電機(jī)組火災(zāi)的特點(diǎn)

　　

　　通過國內(nèi)外部分風(fēng)電機(jī)組火災(zāi)案例加以分析研究，總結(jié)出海上風(fēng)電機(jī)組火災(zāi)具有如下基本特點(diǎn)。

　　

　　（1）大量高價(jià)值的設(shè)備高密度地集中在一個狹小的機(jī)艙里，潛在的著火源也比較集中。

　　

　　（2）海上風(fēng)電場一般都處在離岸10 km以外的海上，均為無人操作和值守；同時(shí)，風(fēng)場塔臺較高，一旦發(fā)生火災(zāi)，幾乎不存在進(jìn)行消防撲救的可能。

　　

　　（4）隨著近幾年裝機(jī)容量不斷增加，單機(jī)容量也越來越大，轉(zhuǎn)運(yùn)船舶、安裝浮吊船舶的調(diào)遣周期一般都較長，海上風(fēng)電機(jī)組及部件的成本以及發(fā)生火災(zāi)后恢復(fù)運(yùn)營的成本均在不斷增加，中斷運(yùn)營導(dǎo)致的損失也越來越大。

　　

　　2海上風(fēng)電機(jī)組火災(zāi)預(yù)案

　　

　　在設(shè)計(jì)機(jī)艙結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)盡量避免在機(jī)艙中使用電線和電纜連接（電纜端子通常是導(dǎo)致電纜著火的罪魁禍?zhǔn)祝豢杀苊獾碾娎|接頭要用阻燃劑包封。對于發(fā)動機(jī)艙中的塑料電氣設(shè)備，應(yīng)盡可能將其放置在鐵質(zhì)文件柜中，即使塑料組件著火，也只能在鐵制文件柜中點(diǎn)燃，不容易將火災(zāi)事故延伸到其他地方。在發(fā)動機(jī)艙中，可以將經(jīng)過專業(yè)設(shè)計(jì)的自動滅火系統(tǒng)安裝在發(fā)動機(jī)艙的頂部，該系統(tǒng)帶有多個火災(zāi)事故傳感器和泡沫滅火劑打印機(jī)噴嘴，一旦發(fā)生火災(zāi)，可以自動打開火警系統(tǒng)，自動操作滅火系統(tǒng)，迅速噴灑泡沫滅火劑撲滅大火，從而將火災(zāi)事故的危害降到最低。

　　

　　

　　結(jié)語

　　

　　在現(xiàn)階段，我國的風(fēng)電廠基礎(chǔ)建設(shè)正在積極推進(jìn)，不可避免地存在很多專業(yè)性和穩(wěn)定性問題。這種問題不容忽視。一個小問題很可能會導(dǎo)致毀滅性的安全事故。與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電運(yùn)行環(huán)境更加極端，始終必須在潮濕、寒冷、海上、強(qiáng)風(fēng)和耐腐蝕的條件下進(jìn)行工作，并且安全系數(shù)和穩(wěn)定性要求更高。因此，這顯然為海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)及其風(fēng)電場選址，工程建設(shè)和運(yùn)營人員提出了更加嚴(yán)苛的要求，有必要額外考慮海上風(fēng)電場在獨(dú)特環(huán)境中的穩(wěn)定性問題，從而確保海上風(fēng)電健康發(fā)展，真正確保在問題發(fā)生之前就進(jìn)行預(yù)防，著眼于長期。