海上風(fēng)電防腐技術(shù)匯總（防腐、防凍、防臺(tái)等）

近年來(lái)，海上風(fēng)電發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)烈，各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)都顯示著海上風(fēng)電將是未來(lái)風(fēng)電的大勢(shì)所趨。然而，海上風(fēng)電面臨的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)也不小。臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮、海冰以及海水都將對(duì)海上風(fēng)機(jī)設(shè)備產(chǎn)生威脅。如何防腐、防凍和防臺(tái)，保障海上風(fēng)機(jī)設(shè)備的使用壽命與安全，成為海上風(fēng)電行業(yè)的重要課題。

一、防腐蝕海上風(fēng)電運(yùn)行環(huán)境則復(fù)雜、惡劣的多:高溫、高濕、高鹽霧和長(zhǎng)日照等。海洋性大氣環(huán)流運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)就是空氣中含有大量的氯化鈉等鹽組分，這是由于海水蒸發(fā)所造成的。

1.1 塔架的防腐設(shè)計(jì)

1.2 葉片的防腐設(shè)計(jì)

JB/T10194－2000中指出，設(shè)計(jì)和制造葉片時(shí)要考慮環(huán)境因素的影響，應(yīng)進(jìn)行耐環(huán)境設(shè)計(jì)，采取相應(yīng)措施，使其具有較高的環(huán)境適應(yīng)性。
葉片在一定程度上暴露在腐蝕性環(huán)境條件下并且不容易接近。由于運(yùn)行條件的原因，在許多情況下不可能重做防腐層，因此重視設(shè)計(jì)、材料選擇和防腐保護(hù)措施特別重要，防腐和減輕腐蝕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)防腐的實(shí)施、效果和可修理性具有重大的影響。
    對(duì)于不能通過(guò)涂層或鍍層來(lái)防腐的部位，可以選用適當(dāng)?shù)牟牧?。?fù)合材料葉片應(yīng)采用膠衣保護(hù)層，但沒(méi)有相應(yīng)的指標(biāo)規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)定的環(huán)境條件包括溫度、濕度、鹽霧、雷電、沙塵、輻射六項(xiàng)。在“MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪葉片原材料國(guó)產(chǎn)化”的“863”計(jì)劃中，要求葉片表面保護(hù)涂料能提高葉片耐紫外線老化、耐風(fēng)沙侵蝕以及耐濕熱、鹽霧腐蝕能力，適應(yīng)我國(guó)南北方不同極端氣候條件下風(fēng)電場(chǎng)的使用需求，保證風(fēng)輪葉片20a的設(shè)計(jì)使用壽命。

1.3 其他部件的防腐設(shè)計(jì)

（2）塔架基礎(chǔ)的防腐設(shè)計(jì)塔架基礎(chǔ)埋地鋼筋同樣面臨腐蝕，但一般被忽視而未采取防腐措施，一旦出現(xiàn)問(wèn)題則難以處置。其防腐方法可采用一般建筑用鋼筋防腐涂料，或者針對(duì)性設(shè)計(jì)和選擇涂料品種，在基礎(chǔ)澆注前進(jìn)行防腐涂裝。

（3）機(jī)艙罩、整流罩的防腐設(shè)計(jì)一般采用風(fēng)機(jī)葉片涂料體系。

（4）變壓器的防腐設(shè)計(jì)一般為落地箱式，北方寒旱環(huán)境下沙塵、冰凍、紫外線腐蝕比較嚴(yán)重，南方鹽霧濕潤(rùn)腐蝕嚴(yán)重，要采用塔架外防護(hù)涂料體系。海上風(fēng)機(jī)的箱式變壓器采用絕緣樹(shù)脂澆注實(shí)現(xiàn)變壓器鐵芯防腐蝕。

（5）控制柜、開(kāi)關(guān)柜的防腐設(shè)計(jì)配電箱/電器柜等鈑金結(jié)構(gòu)件目前一般使用粉末涂料，主要是采用提高防護(hù)等級(jí)隔絕空氣來(lái)實(shí)現(xiàn)整體防腐蝕。

  6）發(fā)電機(jī)、齒輪箱的防腐設(shè)計(jì)雙饋型風(fēng)機(jī)，因其轉(zhuǎn)速較高，因此發(fā)電機(jī)采用常規(guī)的密閉冷卻散熱系統(tǒng)，內(nèi)部構(gòu)造無(wú)需考慮防腐，只需利用結(jié)構(gòu)件防腐方法解決外表防腐問(wèn)題。永磁直驅(qū)型風(fēng)機(jī)，將鐵芯設(shè)計(jì)為防腐蝕材料，而轉(zhuǎn)子線包則采用真空浸漆工藝配合氟硅橡膠材料加強(qiáng)防腐，確保散熱和防腐達(dá)到一種平衡。

二、防冰凍

       除了臺(tái)風(fēng)的侵襲，風(fēng)機(jī)在每年冬季還要抵抗嚴(yán)寒的天氣帶來(lái)的雨、雪、霜、霧的侵?jǐn)_。例如，在我國(guó)北方海域，雖然臺(tái)風(fēng)的影響較小，但每年冬季的海冰對(duì)船舶和海工裝備構(gòu)成一定威脅。對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，海冰會(huì)破壞風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，雨、雪、霜、霧會(huì)凍結(jié)在風(fēng)機(jī)葉片等部件上，影響風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，低溫還會(huì)讓風(fēng)機(jī)中零件和潤(rùn)滑油的性能下降。

      2.1 覆冰類(lèi)型及分類(lèi) 

葉片表面結(jié)冰主要有雨凇、霧凇和混合凇三種類(lèi)型：雨凇。如過(guò)冷水滴直徑相對(duì)較大，在和葉片出現(xiàn)碰撞后，水滴先散開(kāi)成水膜后迅速凝結(jié)成冰凌。此類(lèi)覆冰一般環(huán)境溫度在0～5℃時(shí)出現(xiàn)，空氣濕度較大的條件之下，葉片表面會(huì)出現(xiàn)透明的硬度較高的冰層。此類(lèi)冰層密度較大，附著力強(qiáng)；霧凇。過(guò)冷水滴的直徑較小，在空氣中漂浮運(yùn)動(dòng)，撞擊葉片后快速形成冰凌，以干增長(zhǎng)方式存在。一般在環(huán)境溫度低于-5℃時(shí)，空氣內(nèi)水含量很少，晶體的形狀是不規(guī)則的，極易在不光滑的葉片表面形成冰面，其質(zhì)地疏松、密度小、粘附力不足；混合凇。過(guò)冷水滴的直徑不同，空氣內(nèi)漂浮運(yùn)動(dòng)，在與葉片接觸后快速成冰，有些為干增長(zhǎng)、有些則為濕增長(zhǎng)。冰內(nèi)部以半透明的形式存在，密度中等，一般是出現(xiàn)在葉片迎水面，附著力較大。山區(qū)地帶中風(fēng)速較高的條件下，從云中來(lái)的冰晶會(huì)有一些大小中等的地面霧存在，通常環(huán)境溫度在-10～-3℃之間時(shí)出現(xiàn)。
       因此，葉片表面極易出現(xiàn)霧凇、混合淞的形式。此外，葉片的長(zhǎng)期運(yùn)行之下，表面會(huì)存在較多的污漬、前緣腐蝕、葉片粗糙度過(guò)大等問(wèn)題，也會(huì)導(dǎo)致葉片出現(xiàn)覆冰的問(wèn)題。
      2.2 葉片覆冰對(duì)機(jī)組的影響寒冷潮濕的天氣中，風(fēng)機(jī)葉片可能結(jié)冰，導(dǎo)致發(fā)電能力下降，積冰嚴(yán)重時(shí)甚至可能使葉片斷裂。這些因素可能使風(fēng)電場(chǎng)年發(fā)電量損失10%，甚至20%以上。
    葉片結(jié)冰在迎風(fēng)面的發(fā)生率比較高，且葉尖覆冰主要沉積在葉根位置，覆冰累積與不規(guī)則脫落也會(huì)造成機(jī)組輸出功率的影響。在葉片表面發(fā)生微覆冰問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致其表面粗糙度較高而出現(xiàn)葉片氣動(dòng)性能很低，機(jī)組運(yùn)行功率也很低；葉片覆冰嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致葉片轉(zhuǎn)矩為零，不會(huì)有任何輸出功率，自然覆冰也會(huì)造成振動(dòng)嚴(yán)重而產(chǎn)生停機(jī)的問(wèn)題。
     葉片覆冰會(huì)直接影響系統(tǒng)的輸出功率，受到覆冰重量、覆冰后翼分布、葉片設(shè)計(jì)與風(fēng)機(jī)控制。以VestasV80-1.8MW風(fēng)機(jī)進(jìn)行仿真分析，在雨凇條件下葉片覆冰可達(dá)709kg，占葉片重量的11%(葉片總重量6500kg)；在霧凇條件下葉片覆冰可達(dá)434kg，占葉片重量的6.7%。研究分析發(fā)現(xiàn)，下面兩種情況產(chǎn)生的覆冰問(wèn)題會(huì)給葉片阻力帶來(lái)影響：葉片的阻力沿葉片軸向以指數(shù)次增長(zhǎng)，雨凇時(shí)葉尖阻力增加了365%，霧凇時(shí)增加了250%，而在兩種條件下葉尖的升力均減小了40%。
綜上，葉片覆冰結(jié)合不同的冰災(zāi)嚴(yán)重性，風(fēng)機(jī)輸出功率會(huì)產(chǎn)生很大的變化，比較輕的覆冰會(huì)讓葉片功率有一部分損失，而覆冰嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致其輸出功率為零，也就會(huì)停止運(yùn)行。
    葉片覆冰對(duì)于機(jī)組產(chǎn)生的危害有靜態(tài)與動(dòng)態(tài)載荷的不平衡、機(jī)組振動(dòng)過(guò)于劇烈、葉片頻率發(fā)生變化、增加疲勞載荷、增加葉片彎矩、造成人身危害等。
我國(guó)渤海和黃海北部冬季的冰期約為3個(gè)月，浮冰在海中漂流，會(huì)擠壓沖擊風(fēng)電機(jī)的基礎(chǔ)，并引起震動(dòng)。水位變化時(shí)，海冰還會(huì)對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生上拔或下壓效應(yīng)。滲入混凝土基礎(chǔ)的海水在結(jié)冰時(shí)會(huì)產(chǎn)生膨脹壓力，反復(fù)凍融會(huì)破壞混凝土。為此，必須采取相應(yīng)的措施。
    2.3 葉片覆冰傳感器..的覆冰檢測(cè)必須直接測(cè)得葉片上的覆冰量。葉片在寒冷空氣中運(yùn)轉(zhuǎn)，葉尖速度達(dá)到了250km/h，葉尖的結(jié)冰條件跟裝在機(jī)艙頂部上的傳感器監(jiān)測(cè)到的結(jié)冰條件相比相差巨大。建議機(jī)組采用葉片振動(dòng)檢測(cè)葉片覆冰傳感器，其設(shè)計(jì)基于簡(jiǎn)單的物理原則：結(jié)冰量增加會(huì)引起葉片自然振動(dòng)頻率發(fā)生變化，隨著固體重量增加固有頻率會(huì)降低。
基于高靈敏度的傳感器系統(tǒng)和特殊算法可實(shí)現(xiàn)冰層厚度毫米范圍內(nèi)的測(cè)量分辨率，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況下或待機(jī)情況下都能執(zhí)行測(cè)量，意味看風(fēng)機(jī)在啟機(jī)前每時(shí)每刻都在進(jìn)行檢測(cè)，確保葉片上的覆冰量在運(yùn)行條件的符合范圍內(nèi)。
    2.4 葉片防冰除冰系統(tǒng)針對(duì)以上情況，除冰自然是.直接的辦法。首先可以在葉片表面安裝熱電阻元件或加熱葉片內(nèi)部空氣，使葉片溫度處于0℃以上，防止葉片上的水結(jié)冰。
其次，可以在葉片表面使用超疏水涂層等特殊涂料，降低葉片與水、冰之間的黏結(jié)性，或者涂覆黑色烤漆，在白天借助陽(yáng)光的熱量除冰。
    2.5 葉片氣熱除冰方案葉片氣熱除冰方案基本原理是通過(guò)加熱葉片內(nèi)的空氣并在葉片內(nèi)部循環(huán)，再將熱量傳到葉片外表面，從而達(dá)到除冰的目的。加熱時(shí)葉片腔內(nèi)有氣流會(huì)出現(xiàn)在葉尖部位，氣流也會(huì)從葉尖經(jīng)過(guò)和腹板形成的風(fēng)道而組合成為氣體循環(huán)路線，腔內(nèi)空氣循環(huán)加熱可避免結(jié)冰問(wèn)題的出現(xiàn)，保證葉片后緣與葉根部分進(jìn)行加熱處理，防、除冰效果很好，可顯著提高熱量傳導(dǎo)效率，降低加熱功耗。葉片外表面溫度升高就能在覆冰層與葉片出現(xiàn)了水膜的情況，就是通過(guò)葉片旋離心力實(shí)現(xiàn)除冰。
     除冰時(shí)熱風(fēng)輸出溫度為60～80℃，葉片表面溫度可控制在10～0℃，由于葉片形式不會(huì)變化，設(shè)置的除冰系統(tǒng)會(huì)給空氣動(dòng)力性能與防雷性能沒(méi)有任何影響，加熱除冰可應(yīng)用到氣候溫和、覆冰發(fā)生在0℃左右環(huán)境中，因?yàn)槌ＷC葉片溫度合理，所以能耗消耗僅為防冰的50%。
      2.6 噴射除冰系統(tǒng)針對(duì)已營(yíng)運(yùn)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組葉片防除、防冰工程應(yīng)用需求，采用不改動(dòng)葉片的噴射除冰法進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組葉片除冰技術(shù)應(yīng)用受到越來(lái)越多關(guān)注。與現(xiàn)有的其它除冰技術(shù)相比，噴射除冰法具有在現(xiàn)場(chǎng)易實(shí)現(xiàn)改造、易維護(hù)、除冰效率較高、施工周期短、不改動(dòng)葉片等工程技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
     一般分為固定式噴射系統(tǒng)和運(yùn)載式噴射系統(tǒng)兩種。

  

前者通過(guò)在風(fēng)機(jī)塔筒外壁一定高度處，安裝若干定制噴射頭，對(duì)進(jìn)入噴射范圍的結(jié)冰葉片進(jìn)行噴淋除冰作業(yè)。通過(guò)安裝于塔基處的高壓噴射流站，將融冰劑噴射到葉片表面后，快速融化凝結(jié)于葉片表面的冰雪，從而達(dá)到除冰的作業(yè)目的。

 

后者利用爬壁機(jī)器人攜帶定制好的噴頭和高壓管路，從塔筒外壁爬升至除冰作業(yè)高度后，由車(chē)載移動(dòng)式高壓噴射流站將融冰劑通過(guò)爬壁機(jī)器人攜帶的噴頭，噴射至葉片表面。再由融冰劑快速融化凝結(jié)于葉片表面的冰雪，達(dá)到清除葉片表面冰雪的目的。
      三、防臺(tái)風(fēng)臺(tái) 風(fēng)對(duì)海上風(fēng)場(chǎng)是一把雙刃劍：強(qiáng)度較弱的臺(tái)風(fēng)可以給風(fēng)場(chǎng)帶來(lái)充足的風(fēng)力，增加發(fā)電量，提高風(fēng)場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益；強(qiáng)度較強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)則會(huì)給風(fēng)場(chǎng)帶來(lái)巨大的破壞。所以，如何降低臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)場(chǎng)帶來(lái)的災(zāi)害是建設(shè)海上發(fā)電場(chǎng)亟需考量的問(wèn)題。
近年來(lái)，海上風(fēng)電在防臺(tái)風(fēng)方面作出不小的成就。主要從風(fēng)電場(chǎng)選址、風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)管理三個(gè)方面考慮。
      3 .1 海上風(fēng)場(chǎng)選址 

     臺(tái)風(fēng)陣性強(qiáng)氣流是造成風(fēng)機(jī)破壞性損害的主要原因，風(fēng)電場(chǎng)在場(chǎng)址選擇時(shí)，應(yīng)避開(kāi)臺(tái)風(fēng)經(jīng)常登陸的地方，避開(kāi)強(qiáng)風(fēng)區(qū)。風(fēng)機(jī)基座在選址時(shí)，應(yīng)緊密結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際資料，準(zhǔn)確分析風(fēng)電場(chǎng)的平均湍流強(qiáng)度、.大湍流強(qiáng)度、.大瞬時(shí)風(fēng)速、入流角等風(fēng)能特征參數(shù)指標(biāo)，選取合理的風(fēng)機(jī)基座位置。
    3.2 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)組選型應(yīng)按照國(guó)標(biāo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全等級(jí)的要求，風(fēng)電機(jī)組應(yīng)設(shè)計(jì)成能安全承受由其等級(jí)決定的風(fēng)況。風(fēng)電機(jī)組適用的風(fēng)速，一般不允許超過(guò)參數(shù)的限值，以免產(chǎn)生安全隱患。
     為有效規(guī)避顛覆性破壞，應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)，依據(jù)場(chǎng)地實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)風(fēng)速時(shí)程進(jìn)行結(jié)構(gòu)隨機(jī)動(dòng)力響應(yīng)分析，獲取較為準(zhǔn)確的動(dòng)力放大系數(shù)。如果不具備條件，則應(yīng)考慮臺(tái)風(fēng)風(fēng)速的非平穩(wěn)性，提出適合臺(tái)風(fēng)風(fēng)速的動(dòng)力放大系數(shù)確定方法。一般基礎(chǔ)、塔筒、機(jī)艙、輪轂、葉片的安全系數(shù)依次降低。通過(guò)提高支撐結(jié)構(gòu)  (塔筒與基礎(chǔ)) 的安全系數(shù)，降低塔筒破壞、整體傾覆的概率，以避免傾覆性破壞帶來(lái)的巨大損失。
     臺(tái)風(fēng)蘊(yùn)涵的巨大自然能量將對(duì)風(fēng)機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)施加靜載荷和動(dòng)載荷疊加效應(yīng)，形成周期性激蕩，如周期恰與風(fēng)電機(jī)組固有振動(dòng)周期相近時(shí)(或整數(shù)倍時(shí))，應(yīng)使葉輪處于避風(fēng)自由狀態(tài)，避免臺(tái)風(fēng)與風(fēng)機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)產(chǎn)生橫向共振，使之葉片出現(xiàn)裂紋、撕裂、折斷，偏航和變漿系統(tǒng)受損，甚至倒塌，.終導(dǎo)致機(jī)組損壞。因此，設(shè)計(jì)海上風(fēng)機(jī)時(shí)，應(yīng)結(jié)合風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，考慮風(fēng)向、湍流和變槳、偏航等控制參數(shù)，進(jìn)行綜合分析。

在各風(fēng)場(chǎng)損壞的葉片當(dāng)中，葉根折斷較多，局部脫落亦不少。為減少臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)機(jī)尤其是對(duì)葉片造成的損傷，可以采取以下措施：針對(duì)主梁與翼殼之間粘結(jié)強(qiáng)度不夠問(wèn)題，采取對(duì)葉片后翼連接加設(shè)鉚固裝置等；對(duì)葉片局部構(gòu)造改進(jìn)；在葉片生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)葉片局部缺陷的檢測(cè)力度，以增強(qiáng)葉片的抵御臺(tái)風(fēng)的能力；改進(jìn)葉片用材，提高其抗極限強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度計(jì)數(shù)能力。
     3.3 運(yùn)營(yíng)管理海上風(fēng)電運(yùn)行管理涉及到風(fēng)電機(jī)組制造商、風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主及運(yùn)行單位等多個(gè)部門(mén)，只有相關(guān)部門(mén)通力合作，才能充分保障風(fēng)電的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在臺(tái)風(fēng)易發(fā)、頻發(fā)地區(qū)，海上風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主單位應(yīng)當(dāng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)機(jī)的湍流強(qiáng)度重新進(jìn)行校核計(jì)算，并按計(jì)算結(jié)果采取相應(yīng)的防范措施。
如果有強(qiáng)臺(tái)風(fēng)來(lái)襲，風(fēng)機(jī)自身的控制系統(tǒng)會(huì)在風(fēng)速過(guò)大時(shí)作出反應(yīng)，進(jìn)入防風(fēng)狀態(tài)。此時(shí)風(fēng)機(jī)將會(huì)停機(jī)，葉片變槳為順槳角度，同時(shí)進(jìn)入自動(dòng)偏航模式，以風(fēng)輪正面對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，保證臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)輪的載荷.小。在臺(tái)風(fēng)后，維護(hù)人員需要檢查葉片、機(jī)艙罩等部件，確認(rèn)其是否出現(xiàn)損壞、發(fā)電機(jī)構(gòu)是否能夠正常工作。