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目前，中國(guó)風(fēng)電行業(yè)整機(jī)生產(chǎn)廠家眾多，競(jìng)爭(zhēng)激烈。生產(chǎn)廠家為了迎合業(yè)主、滿足低風(fēng)速地區(qū)的風(fēng)電開發(fā)需求，不斷推出長(zhǎng)葉片機(jī)型，有的生產(chǎn)廠家為了增加銷量和滿足風(fēng)電企業(yè)的機(jī)組利用小時(shí)數(shù)需求，還推出了加長(zhǎng)葉片的老機(jī)型改造。但如不顧及風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)況條件、機(jī)組及部件壽命、故障率和遠(yuǎn)期維護(hù)成本等因素，而片面地增加葉片長(zhǎng)度，必將事與愿違，影響企業(yè)的長(zhǎng)期收益，甚至危及行業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展。
 
　　我國(guó)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪直徑不斷增大
 
　　根據(jù)中國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)， 2008 年以前，風(fēng)輪直徑在 70m 以下的 1.5MW 型機(jī)組的裝機(jī)量一直處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。在 2014 年、 2015 年安裝和投運(yùn)的機(jī)組中，風(fēng)輪直徑在 93m 及以上的 1.5MW 機(jī)組已經(jīng)占絕大多數(shù)；風(fēng)輪直徑 82m 以下的 2MW 風(fēng)電機(jī)組在 2009 年以前的新增裝機(jī)容量一直保持高速增長(zhǎng) , 而在 2013 年、 2014 年、 2015 年風(fēng)輪直徑為 100m 、 105m 、 108m 、 110m 、 114m 、 115m 、 116m 、 118m 、 120m 、 121m 的 2MW 機(jī)組陸續(xù)問世，并相繼成為主流機(jī)型。
 
　　和 2MW 機(jī)組風(fēng)輪直徑的不斷增加以及風(fēng)電市場(chǎng)對(duì)其的反應(yīng)，主要源自于我國(guó)對(duì)低風(fēng)速風(fēng)區(qū)開發(fā)的重視程度有所增加。大風(fēng)輪直徑的機(jī)組往往被廠商定義為 “ 低風(fēng)速型 ” 、 “ 弱風(fēng)速型 ” 風(fēng)電機(jī)組。我國(guó)風(fēng)電招投標(biāo)體制，由于一般以千瓦功率為單位進(jìn)行價(jià)格的對(duì)比，在短期內(nèi)使葉片長(zhǎng)度更長(zhǎng)、風(fēng)輪直徑更大的產(chǎn)品受到市場(chǎng)青睞。而一些國(guó)際一流廠家則是在葉輪直徑不變的情況下，不惜降低單位千瓦的掃風(fēng)面積，千方百計(jì)地提高機(jī)組容量。例如： Vestas 的 V164 從最初的 7MW 提高到了 8MW ； Siemens 直驅(qū) SWT154 則從最初的 6MW 提高到了 7MW ，在相似的運(yùn)營(yíng)成本條件下， SWT-7.0-154 機(jī)組發(fā)電量比其前代產(chǎn)品 SWT-6.0-154 提高了 10% 。
 
　　從我國(guó) 1.5MW 和 2MW 機(jī)組風(fēng)輪直徑不斷增加趨勢(shì)可以很明顯地看出，葉輪直徑的增加，與機(jī)組的生產(chǎn)年份、我國(guó)的國(guó)情及消費(fèi)者的偏好有著直接的關(guān)系；從趨勢(shì)中解讀出來與機(jī)組所處風(fēng)況條件的關(guān)系來看，我國(guó)在 2008 年以后，所建的風(fēng)電場(chǎng)絕大多數(shù)都應(yīng)屬于 “ 弱風(fēng)速型 ” 風(fēng)電場(chǎng)，事實(shí)果真是這樣的嗎？是否有在本屬于 Ⅰ 、 Ⅱ 類風(fēng)區(qū)的機(jī)位或風(fēng)電場(chǎng)安裝 “ 弱風(fēng)速型 ” 機(jī)組的問題？因此，葉輪直徑增加可能帶來的隱患和弊端值得引起同行們的重視與思考。
 
　　風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)
 
　　一、風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)流程與設(shè)計(jì)周期
 
　　風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)流程大致需經(jīng)過：概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、載荷計(jì)算、部件分析、詳細(xì)設(shè)計(jì)、廠內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。實(shí)際整個(gè)設(shè)計(jì)階段是一個(gè)不斷的循環(huán)過程，通常需要三到五次循環(huán)。在詳細(xì)設(shè)計(jì)完成后，需要將機(jī)組更為準(zhǔn)確的參數(shù)用于載荷計(jì)算和控制器的設(shè)計(jì)，在新的載荷出來后又需要對(duì)初步設(shè)計(jì)的部件進(jìn)行更新，也許原來設(shè)計(jì)不能滿足要求，就需要對(duì)初步設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，再進(jìn)行載荷計(jì)算和控制器的設(shè)計(jì)，以進(jìn)入下一流程。因此，在機(jī)組進(jìn)行批量生產(chǎn)之前，往往需要較長(zhǎng)時(shí)間的樣機(jī)試驗(yàn)，然后才批量投入市場(chǎng)。
 
　　對(duì)風(fēng)電機(jī)組來說，一種新的機(jī)型，在短期內(nèi)投運(yùn)良好，還不能證明其開發(fā)成功、性能優(yōu)異，可以大批量地投入生產(chǎn)。由于自然條件下風(fēng)的變化性，風(fēng)電機(jī)組的受力情況具有很強(qiáng)的交變性，實(shí)際運(yùn)行工況極其復(fù)雜、多變，僅依靠軟件模擬和廠內(nèi)試驗(yàn)是難以準(zhǔn)確、全面地對(duì)機(jī)組性能進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。再者，在廠內(nèi)試驗(yàn)不能安裝葉片，許多因變槳和葉片而產(chǎn)生的問題，廠內(nèi)試驗(yàn)是根本沒辦法發(fā)現(xiàn)的。因此，需要通過在風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際樣機(jī)試運(yùn)行，在實(shí)際的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行過程中，對(duì)其運(yùn)行狀況進(jìn)行仔細(xì)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，不斷地改進(jìn)和完善，經(jīng)過各種風(fēng)況和充分的風(fēng)電場(chǎng)驗(yàn)證，等待產(chǎn)品成熟后，再投入批量生產(chǎn)。也只有這樣，才能向市場(chǎng)推出合格、經(jīng)得起長(zhǎng)期風(fēng)電場(chǎng)檢驗(yàn)的機(jī)型。依據(jù)國(guó)外風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，從概念設(shè)計(jì)到投入批量生產(chǎn)所需要的時(shí)間大約為 7 年。
 
　　然而，從我國(guó)風(fēng)電行業(yè) 1.5MW 和 2MW 的 “ 低風(fēng)速型 ” 、 “ 弱風(fēng)速型 ” 機(jī)組的研發(fā)到批量生產(chǎn)的時(shí)間來看，其設(shè)計(jì)周期普遍偏短，有的機(jī)型在沒有經(jīng)過樣機(jī)投運(yùn)的情況下，就投入了大批量生產(chǎn)。這樣，機(jī)組的重要部件可能經(jīng)不起長(zhǎng)期風(fēng)電場(chǎng)實(shí)踐的檢驗(yàn)，由此帶來的風(fēng)險(xiǎn)很大。
 
　　二、風(fēng)電機(jī)組與其他發(fā)電設(shè)備在研發(fā)與運(yùn)行上的區(qū)別
 
　　風(fēng)電機(jī)組容易受到疲勞載荷的嚴(yán)重影響。在 600kW 機(jī)組中，風(fēng)輪在 20 年的壽命期內(nèi)會(huì)旋轉(zhuǎn) 2×108 次。每旋轉(zhuǎn)一周，在低速軸上的受力與作用在葉片上的重力均會(huì)出現(xiàn)周期性變化。同時(shí)，在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面上，會(huì)因風(fēng)剪切力、偏航誤差、軸傾斜、塔架陰影和湍流等效應(yīng)產(chǎn)生循環(huán)變化的載荷。因此，許多風(fēng)電機(jī)組部件的設(shè)計(jì)都取決于疲勞載荷而不是極限載荷。
 
　　火電、核電等電力設(shè)備，其工況條件受人為控制，且變化范圍不大，其部件設(shè)計(jì)主要取決于極限載荷。例如，火電機(jī)組中的汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)，在正常情況下，機(jī)組容量越大，初參數(shù)越高，機(jī)組的效率就越高。在設(shè)計(jì)技術(shù)和制造工藝允許的情況下，開發(fā)大容量機(jī)組，無疑有利于機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的提高。在其他條件相同的情況下，只要能研發(fā)出更長(zhǎng)的末級(jí)葉片，就能使機(jī)組的發(fā)電功率、效率增加，且葉片所受的重力可以忽略不計(jì)，對(duì)于冷卻水溫度較為恒定的水冷機(jī)組，自然環(huán)境對(duì)機(jī)組的影響也基本可以忽略不計(jì)。在提高機(jī)組效率上，葉片的生產(chǎn)成本與所能得到的收益相比，基本可以忽略不計(jì)。為了提高機(jī)組效率，我們?cè)?jīng)在火電汽輪機(jī)上實(shí)施過葉片加長(zhǎng)及通流改造，實(shí)踐證明不僅可行而且是有成效的，只要機(jī)組能順利通過 168h 滿負(fù)荷、連續(xù)無故障試運(yùn)行就基本可以證明新機(jī)型的研發(fā)、或改造的成功。火電汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等近似于單件生產(chǎn)，如有個(gè)別缺陷可在機(jī)組的試運(yùn)行、運(yùn)行過程不斷完善，不會(huì)帶來批量性問題，因此可以不經(jīng)過樣機(jī)試驗(yàn)，就可以投入商業(yè)生產(chǎn)。
 
　　風(fēng)電機(jī)組與其他大型發(fā)電設(shè)備相比，有明顯的不同：
 
　　 ，工況條件不受人為控制，運(yùn)行條件復(fù)雜、多變，且影響因數(shù)眾多。
 
　　第二，在增大葉輪直徑、實(shí)施葉片加長(zhǎng)改造時(shí)，葉片成本是考慮的重要因素，而且，葉輪直徑的增加不僅要受到葉片制造技術(shù)的制約，更重要的是還要受到機(jī)組的風(fēng)況，及其他機(jī)組部件的技術(shù)、強(qiáng)度、壽命等條件的制約，因此，綜合考慮各種因素，在通常情況下，實(shí)施加大葉輪直徑改造帶來的社會(huì)資源的浪費(fèi)大于所能得到的社會(huì)收益。因種種原因，有的風(fēng)電場(chǎng)實(shí)施了 Mita 控制器的主控改造，不少風(fēng)電場(chǎng)在改造之前，主控（ WP3100 ）、變頻器（ ALstom ）、通訊控制器（ IC500 ）以及與變槳控制器（ L&B ）之間的硬件接口完全相同，并且主控、變頻器與通訊控制器之間的通訊協(xié)議也相同，主控程序完善、使用方便。在改造之后，造成了機(jī)組部件之間的軟硬件不兼容，維修與使用不便，不利風(fēng)電場(chǎng)的集中監(jiān)控，區(qū)域維修，因此，從機(jī)組維護(hù)與維修的角度來看，這不僅造成了主控使用的極大不便，維護(hù)、維修成本增加，同時(shí)也是社會(huì)資源的一大浪費(fèi)，所以，加大葉輪直徑及機(jī)組改造時(shí)應(yīng)全面評(píng)估。
 
　　第三，風(fēng)電機(jī)組絕大部分的部件設(shè)計(jì)主要取決于所承受的疲勞載荷，然而，疲勞損壞往往需要長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行才會(huì)出現(xiàn)，因此，機(jī)組順利通過了風(fēng)電場(chǎng)試運(yùn)行及滿負(fù)荷試驗(yàn)并不能證明機(jī)組設(shè)計(jì)完善、運(yùn)行可靠，也不能說明將來機(jī)組的故障幾率一定很低。
 
　　第四，風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)理念是在無人監(jiān)管下的全自動(dòng)運(yùn)行，而對(duì)于大型風(fēng)電機(jī)組來說，其控制和保護(hù)措施更是不計(jì)其數(shù)，此外，在短時(shí)間之內(nèi)，也很難證明機(jī)組就一定沒有重大設(shè)計(jì)缺陷與安全隱患，因此在研發(fā)時(shí)需要樣機(jī)運(yùn)行的檢驗(yàn)，在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行時(shí)還需要專家們的遠(yuǎn)程指導(dǎo)與故障診斷，以避免風(fēng)電機(jī)組重大事故的再次發(fā)生。
 
　　第五，在通常情況下，風(fēng)電機(jī)組的生產(chǎn)屬于批量生產(chǎn)，為了盡可能地減少設(shè)計(jì)缺陷，避免在新機(jī)型開發(fā)時(shí)埋下隱患，因此，需要通過樣機(jī)的長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行進(jìn)行完善。
 
　　由于當(dāng)今中國(guó)的整機(jī)廠商眾多，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，且社會(huì)普遍存在著浮躁、冒進(jìn)的心態(tài)，不少風(fēng)電整機(jī)廠商在新機(jī)型研發(fā)時(shí)，其 “ 弱風(fēng)速型 ” 的機(jī)組設(shè)計(jì)驗(yàn)證，通常僅是通過數(shù)字計(jì)算、仿真及廠內(nèi)試驗(yàn)得到，沒有經(jīng)過樣機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)試驗(yàn)，就投入了大批量生產(chǎn)。
 
　　我國(guó) “ 弱風(fēng)速 ” 風(fēng)電場(chǎng)的現(xiàn)狀和問題
 
　　在風(fēng)電機(jī)組風(fēng)況及氣象環(huán)境條件不變的情況下，隨著機(jī)組的風(fēng)輪直徑增大，葉片重量大大增加，要求其葉片螺栓強(qiáng)度、變槳軸承、變槳系統(tǒng)、主軸軸承、主齒輪箱、偏航電機(jī)、偏航液壓剎車器等重要零部件的功率、質(zhì)量相應(yīng)提高，或強(qiáng)度、疲勞壽命增加，另外，塔筒、澆筑基礎(chǔ)的強(qiáng)度也需要相應(yīng)提高。因此，在通常情況下，生產(chǎn)和安裝大葉輪直徑機(jī)組將會(huì)使成本大大增加。
 
　　然而，目前我國(guó)不少的整機(jī)生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)大葉輪直徑機(jī)組時(shí)，除加大風(fēng)輪直徑外，機(jī)組其他部件的質(zhì)量和強(qiáng)度并未提高，或者說他們生產(chǎn)的 “ 弱風(fēng)速型 ” 機(jī)組與其生產(chǎn)的他機(jī)組相比，僅是葉片長(zhǎng)度不同而已，因此，生產(chǎn)大葉輪直徑機(jī)組的成本可以大大降低；且不經(jīng)過樣機(jī)試驗(yàn)就大批量地投入生產(chǎn)，其 “ 弱風(fēng)速型 ” 機(jī)組的開發(fā)時(shí)間也就大大縮短，但是，由此帶來的機(jī)組和部件壽命大大縮短，可能隱藏的眾多設(shè)計(jì)缺陷和安全隱患等問題，則不容忽視。
 
　　我國(guó)的絕大多數(shù) “ 弱風(fēng)速型 ” 風(fēng)電場(chǎng)地處山地，其風(fēng)況和地形條件復(fù)雜，不同機(jī)位之間的風(fēng)況差別很大。如今興建的不少風(fēng)電場(chǎng)，雖然年平均風(fēng)速很低，但是，其極端風(fēng)速和大風(fēng)期的 風(fēng)速卻很高，有不少風(fēng)電場(chǎng)的這兩項(xiàng)指標(biāo)并不低于 Ⅰ 、 Ⅱ 類風(fēng)區(qū)的極端風(fēng)速和 10min 平均風(fēng)速，由于業(yè)內(nèi)普遍對(duì)風(fēng)電場(chǎng)微觀選址的重要意義認(rèn)識(shí)不足，沒能引起投資商的足夠重視。例如，因風(fēng)電場(chǎng)地處山地，不同機(jī)位之間的風(fēng)況差別很大，遠(yuǎn)超過一種機(jī)型的承受能力，本應(yīng)按照各機(jī)位的風(fēng)況條件選擇多種機(jī)型與之相對(duì)應(yīng)，然而，在實(shí)際機(jī)組安裝時(shí)，不少地方整個(gè)一期，甚至幾期機(jī)組均選用同種機(jī)型，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)微觀選址不夠重視或流于形式。
 
　　一般地，風(fēng)電場(chǎng)選址需要兩年時(shí)間，使用測(cè)風(fēng)塔和評(píng)估軟件等對(duì)選址內(nèi)的風(fēng)資源分布情況進(jìn)行詳細(xì)勘察。國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)表明，風(fēng)電場(chǎng)選址的失誤造成發(fā)電量損失和增加維修費(fèi)用等將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)場(chǎng)址進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查的費(fèi)用。因此，風(fēng)電場(chǎng)選址對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)是至關(guān)重要的。
 
　　在微觀選址時(shí)，僅有氣象資料提供的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)是不夠的，一般要在裝機(jī)地點(diǎn)附近有代表性的位置用 ( 一個(gè)或多個(gè) ) 測(cè)風(fēng)塔進(jìn)行一年以上的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)風(fēng)，測(cè)量風(fēng)向、風(fēng)速、溫度和湍流強(qiáng)度等。然后根據(jù)這些測(cè)量數(shù)據(jù)，利用軟件評(píng)估整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)資源分布情況。如果地形復(fù)雜，則需要布置多個(gè)測(cè)風(fēng)塔 , 通過測(cè)風(fēng)塔和模擬軟件的評(píng)估，可使風(fēng)能資源評(píng)估誤差在 5% 以內(nèi)。
 
　　因此，如今不少新機(jī)組在投運(yùn)之后，葉片螺栓斷裂頻發(fā)，葉片斷裂事故時(shí)有發(fā)生，齒輪箱等大部件批量損壞，機(jī)組的故障幾率極高，這與微觀選址、機(jī)組選型有著緊密的聯(lián)系。
 
　　結(jié)語(yǔ)
 
　　 按照風(fēng)況和技術(shù)條件合理地選擇機(jī)組容量與葉輪直徑，以期達(dá)到在機(jī)組壽命期內(nèi)的度電成本最低，增加企業(yè)的長(zhǎng)期收益，這才是我們應(yīng)當(dāng)追求的目標(biāo)。

上虞風(fēng)機(jī)