海上风电机的抗台风设计

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1、海上风电机的抗台风设计海上风电机的抗台风设计吴金城,张容焱,张秀芝(1.浙江风力发电发展有限公司,杭州310008;2.福建省气候中心,福州350001;3.国家气候中心,北京100081)[摘要]风电机组的制造成本和使用寿命取决于运行中的疲劳载荷,极端载荷和设计所依据的标准.目前,设计风电机组依据的大都是以欧洲环境特征为背景的标准,不加考虑地在台风地区使用会增加风险或制造成本.只有充分认识台风的气候特征和对风电机组的破坏机理,综合考虑,才能设计制造既能抗台风又能确保项目经济可行的风电设备.[关键词]风电机组;台风;设计[中图分类号]TM6[文献标识码]A[文章

2、编号]1009—1742(2010)l1—0025—071前言近年来,风力发电在我国飞速发展,每年的新增装机容量都超过100%,北至黑龙江,南到海南岛,东起浙江,西临新疆阿拉山口,幅员广阔的神州大地兴起风电开发高潮,投运的风电机组也从10年前的单机600kW迅速发展为陆地1.5MW,海上3MW为主的兆瓦型风电机组.然而,相对于我国辽阔国土和气候差别巨大的环境特点,风电机组的设计和制造与市场的需求有一定的差距.当今国内外风力发电机组的设计都依据相关的专业标准,以确保风电机在标准规定的环境条件下能持续可靠运行.受市场发展先后的影响,这些标准大多起源于欧洲国家,以欧洲

3、的气候环境特征为主要依据,并未考虑热带气旋的影响,根据这样的标准设计的风电机很难保证在台风地区也能可靠运行.当然,在不计成本的前提下设计一台抗强风的风电机组并非难事,难的是为可能遭遇台风的风场设计经济可行的风电机组.IEC制定的设计风力发电机组的安全标准IEC61400—1是目前得到广泛认可的设计标准之一,2001年我国出版的《风力发电机组安全要求》(GB18451.1—2001)等同采用了IEC61400—1:1999((风力发电机组安全要求》,为了简化风电机技术规格并提高标准的可用性,标准定义了一系列标准风况,并据此将风电机分类.轮毂高度处的年平均风速,湍流

4、强度和极端风况是标准进行风机分类的三类主要参数.但问题是标准定义的外部环境和极端情况不适合台风影响下的风场,所以,IEC61400—1明确说明:标准定义的风况I,II和III既不适合海上风场,也不适用于台风影响下的风场.因此,不能指望依据上述标准设计的风电机在台风中有足够的可靠性.近些年,一些风电机组在台风影响过程中出现的问题足以说明该标准的不足.我国东南沿海是风能资源丰富区,适宜进行风电开发,2009年第一个100MW级海上风电场已在上海安装投运.但是,这一地区夏季常受台风影响,以浙江为例,1949—2007年的59年中,出现影响台风182个,平均每年3.1个

5、,最多的年份1年有6个台风.自1997年浙江省规模化开发风电以来,共有23个台风影响浙江省,而其中对风电设备造成百万元以上破坏的有8个台风,千万元以上损失的有两个台风.2003年9月2日,登陆广东省的"杜鹃"台风也造成汕尾某风电场损失上千万元.而且,随着新建风电场单机容量的增加,特别是海上风电场,一旦发生台风灾害,其破坏程度将愈加严重.因此,[收稿日期]2010—07—28[作者简介]吴金城(1964一),男,江苏武进市人,高级工程师,主要从事风力发电建设与运营研究工作;E—mail:hzwjc@sina.com2010年第l2卷第11期25制定适合我国及东南亚

6、风况特色的风电机设计标准,设计和制造有抗台风能力的风电机组,对我国东南沿海的风电开发尤为重要.2台风过程的风特征这里所谈的台风概指中心附近最大风力在l2级以上的热带气旋.台风影响过程与冷空气大风相比有3个不同特点:极端风速,异常湍流和突变风向,这些因素是设计不当的风电机组在台风中易受破坏的主要原因.2.1极端风速台风是一个低气压系统,在水平气压的作用下,外围气流从四面吹向台风中心,在赤道以北受地球自转的影响,卷入的气流以逆时针旋转,越向台风内部旋进,切向风速也越大.台风经过地区,气压曲线呈漏斗状,伴随着气压的陡降陡升,风向会从东北风突变为南风和西南风.通常台风风

7、眼边缘宽度l0～20km的云墙区是台风破坏力最猛烈,最集中的区域,而台风前进方向的右前方风力最为强大.随着台风中心的靠近,各高度风速逐渐增大,在风眼经过时,风速会突然大幅度减小,l0～30min后(取决于台风风眼大小和移动速度)风速又突然增大,然后随着台风的离去慢慢减小.通常,台风风眼到达前一刻的北风强度最大,2006年的桑美台风于8月10日17时25分在闽浙交界处沿海登陆,位于台风中心附近偏北处的浙江苍南风电场倒塔的5台风电机都是在这一刻被北风吹倒的.在桑美台风中心登陆过程中,气象站10m高度的3S平均极大风速为68m/s,而当地风电场苍南测风塔(见图1)45

8、m高度10min平均最大