风电机组特定场址安全性评估方法及意义探讨

文 | 蔡继峰 王丹丹

风电机组特定场址安全性评估方法及意义探讨

文 | 蔡继峰 王丹丹

随着风电行业的高速发展，风电场选址从简单的平坦地形向着复杂的山地、丘陵等场地发展，甚至从陆上向海上转移。随着场地的多样性，环境条件也变得多样和复杂：高原、低温、台风、地震，海况等环境都可能需要被考虑。但是与之相对应的机组设计却是在标准等级下设计而来，因此机组在特定场址下的安全性是否依然能够得到保证，则需要在风电场规划之初进行额外的校核，这个工作即为特定场址评估。依据IEC61400－22，特定场址评估是项目认证中的一个工作模块，由于受项目开发周期等限制，我国风电场大部分未开展项目认证，而特定场址评估是用于确定风电场安全性的重要工作内容，如未进行完整的项目认证，处于规避安全风险的考虑，应视情况开展特定场址评估工作。但是国内的风电场在开发过程中对特定场址评估重视不够，没有很好的系统进行，这会对将来风电场的安全运行带来隐患，或许这也是目前风电场安全事故频发的原因之一。

特定场址评估主要可以分为几个模块：

环境条件评估，主要用以对特定场址的环境数据的采集和分析处理是否合理。例如，风能资源数据的采集和分析处理是否合理。

特定场址安全性评估，评估特定场址载荷下的结构安全性。

部件适应性评估，特定场址环境下各机机械部件、电气部件等的适应性，例如，对于低温环境，则要评估相关部件在低温下是否依然能正常工作。对于盐雾环境，相关部件的防腐蚀等级是否达到要求等等。

本文重点介绍特定场址的安全性评估，主要涉及环境条件对机组的载荷的影响和分析方法。

特定场址安全性评估方法

为了确定机组在特定场址下的安全性，可分为以下三种模式：

a：特定场址的环境条件和基础刚度与原设计比对直接判断安全；

b：特定场址的载荷计算结果和原设计载荷比对判断安全；

c：特定场址载荷结果下的结构强度复核判断安全。

当特定场址的环境条件和标准等级接近，无特殊环境条件如地震、台风等，并且基础刚度变化不大，能直接通过比对风况参数判断其载荷结果是否能小于设计载荷时，可以采用模式a，直接给出机组在特定场址下安全的结论。当无法通过模式a判断时，则需要进行特定场址的载荷计算并将其与原设计载荷比对，若能证明该载荷小于原设计载荷，则也可给出机组在特定场址下安全的结论。若模式b依然无法判断机组是否安全，则需要用特定场址下的载荷结果进行结构强度的复核，结构安全裕度足够，则依然能说明机组在特定场址的安全性，反之该机组不适应特定场址，需要进行更改机组设计或更换机型。

环境条件对载荷影响分析

特定场址的安全性评估，重点是对风电机组的载荷进行分析。风电机组的载荷是由机组本身和外部的环境条件决定，对于同一型号的机组，其载荷完全由外环境条件决定，本章将重点介绍各环境条件对机组载荷的影响以及评估方法。

表1 某1.5MW机组不同风区下疲劳载荷结果（材料系数m=10）

一、风况条件

风况条件是风电机组载荷的最重要影响因素，风况的特征参数主要有极限风速、年平均风速和风速分布、湍流度、空气密度，风剪切等。

a：极限风速

根据风压公式，风压和风速的平方成正比，而通常在极限风速来临时机组处于停机状态，其主要载荷即来自风压，因此极限风速以2次方的关系影响风电机组的极限载荷。

b：年平均风速和风速分布

年平均风速和风速分布决定风电机组运行的各风速段时长的情况，由于不同风速段运行时疲劳载荷不同，因此风速分布影响风电机组的疲劳载荷累积。表1给出了某1.5MW机组运行在不同风区下的叶根处的疲劳载荷情况。

c：湍流度

湍流度反应风速脉动变化的程度，湍流度越大风速变化越大，随之载荷变化也越大，即湍流度会影响机组的疲劳载荷。同时由于风速变化幅度的增大，也会影响某些极限载荷工况，例如：EOG阵风工况，其阵风幅值与湍流强度成正比，见图1。

d：空气密度

风压与空气密度成正比，因此空气密度会直接影响风电机组的载荷，包括极限载荷和疲劳载荷。

e：风剪切

风剪切是反应风速随着高度增加的变化趋势，一般情况下风剪切大于0，即风速随着高度的增大而增大。这会导致叶片处于高处时受到的风载较大，而处于低处时风载较小，从而使风轮产生不平衡距，这会给风电机组带来更大的极限载荷和额外的疲劳载荷。

摄影：李双健

一般来说，在Vave到2Vave之间的累积疲劳载荷较大，因此风速分布和湍流度对载荷的影响要保证其比设计载荷小，只需要在该区间段内，风速分布概率和湍流度小于设计等级即可，见图2。

综上，通过分析风况条件对载荷的影响，若要通过比对风况来保证载荷小于原设计载荷，则需要满足表2所列条件，若有任意一条背离则需要进行载荷计算以确定特定场址的载荷水平。

二、海况条件及基础影响

相比陆上，海上的环境条件以及基础结构更为复杂，目前其对风电机组的影响主要来自水动力载荷和基础结构对机组部分的影响。与水动力载荷相关海况的特征，目前标准中有三类：

图1 EOG阵风幅值与湍流强度的关系

图2 风速分布概率和湍流度

波浪：主要通过有义波高和周期来表征

水位：水平面的高度

洋流流速：水中粒子平均迁移速度

目前的大多数的海上风电场选用的风电机组，是按陆上环境条件设计，没有考虑海况条件，而海况条件会对机组产生额外的载荷，同时不同的基础结构会改变风电机组的整体模态，因此对于该类机组必须进行复杂的特定场址载荷计算来判断机组的安全性，而无法通过比对环境条件的简单方式来判断。针对这一情况目前北京鉴衡认证中心编制海上机组认证技术规范＊＊。该技术规范中指出，如果在设计之初即考虑海况条件用以风电机组的设计，并假定基础形式，当该机组用于特定海域时，可以通过比对海况条件来进行特定场址载荷安全性的判断。若海况参数以及基础结构满足表3所列条件，即可直接判定海况条件对机组载荷的影响小于原设计值，则机组的特定场址评估可以通过最为简单的比对环境条件来实现。

三、其他环境条件

风况和海况环境条件，是最为重要和常见的两类环境条件。而对于其他环境条件，主要有低温，地震，台风等。要依据场址的特点来判断是否需要考虑和如何考虑。

a：低温条件

表2 特定场址风况参数

表3 海况参数和基础结构

低温会增大空气密度，该部分影响可以通过风况分析进行。另外低温有可能导致机组结冰，主要结冰部位为塔架，机舱和轮毂。结冰会给机组的载荷带来很大的影响，尤其是叶片的结冰。叶片结冰后，会对翼型的参数带来很大的影响，从而改变机组载荷，另一方面，结冰的不均匀性，会给风轮带来额外的不平衡距，这也会给机组带来额外的载荷。

b：地震

风电机组的相关规范中并没有直接对地震环境条件的评估进行明确定义，而是要求依据各国家地区当地的地震规范进行约束。我国的抗震规范对地震设防烈度分为6度、7度、8度、9度4个等级，不同地区需要考虑的设防烈度都有相应设防烈度区域划分，对于特定场址的风电场，需要依据抗震规范进行风电机组的安全性校核。一般来说，对于按照常规设计的风电机组，其能抵抗的地震设防烈度为7度。

c：台风（热带气旋）

台风是一种热带气旋，除了风速大外，还存在风速、风向变化快，中心区域存在负压等特点，这些特点使其不能按照常规的风况进行考虑。因此，对于可能会发生台风的中国沿海地区风电场，在机组进行特定场址评估时需要考虑台风影响，具体方式可依据目前国内已发布的台风技术规范进行设计校核。

四、 小结

本章通过分析各环境条件对机组载荷影响的机理，给出了不同环境条件参数对机组载荷影响的定性结论，并以此为依据给出通过比对环境条件直接判断机组安全性需要满足的条件，为特定场址安全性评估中使用模式a提供判断准则。

结论

特定场址评估在风电场开发时是必不可少的部分，是风电场安全稳定运行的保障。而其中的特定场址下载荷的结构安全性评估是特定场址评估中最为重要的一环，不同的环境条件对载荷影响很大。因此为了适应特定的环境条件，在机组设计之初尽可能选取与将来实际安装运行的环境条件相近的设计条件，这会大大提高机组在风电场的适应性，同时也能降低反复修改设计，延误工期的成本。为了使设计的环境条件和实际相近，有针对的选择合适的设计规范用以设计是最为重要的一步，例如，在有台风的区域，则设计时选用台风技术规范。对于海上机组，则选用海上技术规范用以设计。

（作者单位：北京鉴衡认证中心）

摄影：占远武