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鉴衡认证孙少华:风电场退役应建立完善评估与流通机制,保障安全,物尽其用

2022-08-29 14:50:27 admin 5

我国风电规模化开发已近20年,早期吊装的机组逐渐到达其设计年限,数据显示,到2027年底将有累计超万台机组面临退役,并且退役数量逐年上升。在双碳战略的大背景下,退役风电设备的处置引起多方关注,目前,“以大代小”技改、延寿、拆除与部件回用是行业讨论的热点,其核心命题是绿色环保、保障安全与充分利用部件价值。在8月24-25日召开的中国风电后市场交流合作大会上,来自鉴衡认证中心的解决方案副总监孙少华,做了“风电场改造升级与退役回用安全性要点关注”的报告,以下为报告实录:

各位领导、专家、同事:大家上午好。我的报告主要是针对到期服役老旧风电场,聚焦在风电机组和关键部件上。其中改造升级主要针对“以大代小”与换机头的技改,退役回用主要考虑叶片等关键部件。

首先看一组数据,未来我国每年超过设计寿命20年的风电机组数量,2002年装机,到2022年到期服役的数量是109台,这一数字到2027年将跃升到5000多台;至2027年底,将有累计超一万台的风电进组面临退役,总装机容量大概在580万千瓦;2028年起每年的退役台数将达到万台规模。

分析2002年到2007年间的装机(即2022年至2027到期机组),可以看出这五年都是以1MW以下装机为主,总装机容量320万左右。再对1MW以下机组的风轮直径进行分段统计,基本上都是在60m以下,占比最多的是52m,大概在29%。而经过近20年的发展,如今的平均风轮直径已超过150m达到原来的3倍。

国家政策鼓励上大压小,老旧风电场改造升级阶段安装大兆瓦的机组,带来发电量的同时,也引入了新的技术风险,我们需要引起关注。

1、风电场退役实施流程

首先看退役拆除的实施流程,面临到期退役的风电场,一个必要的环节就是对风电场的后续规划做决策,是拆除后还原到原始生态,还是等容更新或增容更新,或者开展换机头类的技改,或者延寿等等。决策之后就是拆除了,在日趋严格的安监政策和环保政策下,拆除过程中要保证安全拆除和绿色拆除。拆除之后面临两个问题,拆除下来的部件,去向如何,拆除后的风电场按照决策如何开展后续建设。

我们在这里重点讨论“以大代小”更新升级和换机头的技改方式,聚焦在风电机组的安全性。

2、以大代小改造升级

针对“以大代小”更新升级的安全性,仅从机组的角度来说,这些高塔筒和长叶片,跟装新建风电场的装机没有任何区别,但是高塔筒、大风轮、长叶片带来的风险不容忽视。在这里介绍6个关注方面——场址适应性、尾流效应、塔筒共振、长叶片吊装和颤振、控制保护系统的阈值、混塔的现场浇筑。

场址适应性

场址适应性是老旧机组拆除之后,新机组安装前保障安全性必不可少的一个环节。场址适应性评估中,首先要保证供货的新装机组和认证中的设计一致,这是基本条件,出现不一致,比如塔筒,那么意味着之前的设计资料是不可用的。其次要考虑场内机组的排布,如果出现部分机组拆除其余部分保留的情况,要重点考虑尾流的影响,还有一种情况在新建风电场主风向上游可能同样会更新建设新的风电场,那么还需要从大区域的角度来分析尾流的影响,尤其是对发电量的影响,避免出现低效风电场。一致性和风资源都是风电机组寿命分析的输入,进一步地开展载荷分析以证明低于设计载荷,满足寿命要求,另外还要结合场址的特殊环境条件、如高原、低温、台风等等,开展匹配性的评估工作。

塔筒的共振和涡激振动

2017、2018年以后高柔塔开展批量的装机,高柔塔的风险在于1P共振(风轮旋转1P和塔架一阶固有频率的存在交点,也就是共振点),机组设计中基本都会有共振穿越的策略,可以快速穿过共振点,但是穿越的效果、穿越时间和控制响应需要去验证;其次是涡激振动,塔架的一阶、二阶涡激振动,一般发生在吊装和长时间停机状态下,以前塔筒多用钢塔,塔架频率高,涡激振动对应的临界风速比较高,很难发生,随着塔筒增高,塔架频率降低,临界风速比较低,一阶涡激振动临界风速可能就是5-6m,二阶涡激振动的临界风速大概的范围是十几米到二十几米,那么高柔塔发生涡激振动就比较常见了。另外,除了肉眼可见的极限破坏,还要考虑涡激振动对机组的疲劳损伤,不管是设计时还是放到场址上。最后需要关注抗涡的措施,尤其是在吊装阶段和断电停机检修期间,要有对应的抗涡措施,吊装阶段通常采用缠绕扰流条的方式进行破涡,规避共振,长时间检修时候各家有自己的抗涡措施,但是要保证它的有效性。

长叶片重点关注吊装和颤振问题

近来多发叶片失效的情况,通过分析,主要是吊装期间没有在吊点位置做好叶片的防护,运行一段时间后发生断裂失效等问题。所以在吊装手册中一定要明确吊点、护板的使用,做好技术交底。另一个叶片颤振问题,类似于塔架的涡激振动,往往会对叶片造成一定的损伤,叶片颤振主要是叶片气弹不稳定的问题,叶片和流场组成了一个复杂的流-固耦合系统,目前对这个问题的研究还不够深入,存在认识不足的问题,需要各方开展深入的基础研究工作,并且在实际工程中设计出能够抑制叶片颤振的具体措施。

控制保护阈值的设计

对高塔架和大叶轮机组,这个非常重要,毋庸置疑,尤其是振动的保护阈值,关注定值和滤波时间,保护阈值设计的过大,起不到保护作用,出现“应停未停,应停晚停”的情况,遇到紧急事件时,不能做到快速收桨,容易出现严重的事故;设计的过小,又容易停机,所以这个阈值的合理性需要慎重的设计和实施,其他保护阈值也是相同的道理。

混塔的生产质量

对于现场浇筑的混凝土质量要重点关注它的密实度,还有本身的垂直度以及混塔与钢塔之间的垂直度。

换机头技改

对于有些机组可能会开展换机头技改,从风险的角度,也需要考虑适应性问题,针对机头的适应性。这种技改方式通常会增加一节塔筒,用于过渡机头和原来塔筒的安装,组成这个新塔筒后还需要考虑原来运行期的损伤和剩余寿命期的载荷,来分析新塔筒的结构强度。另外就是基础的强度,如果出现载荷超限的情况,还需要做加固或者其他方式保证安全性。

3、大部件退役回用

无论是绿色拆除,还是升级改造,对于拆下来的设备,都应该进行分析和评估,对于有价值的部分,应充分评估,发挥其最大价值,实现产业链绿色闭环。分析的流程首先经过一些检查体检和寿命评估,存在再利用的基础,之后再做价值和价格的估算,流入市场后在新的风电场要提前开展适应性的分析,使用之后开展一些必要的监测。在这里主要介绍四个关键大部件的回用分析相关的内容,涉及到叶片、轴承、齿轮箱、发电机,目前鉴衡正在对《风力发电机组大部件回用和再制造流通评价方法》进行研究,完成后择时发布。

叶片回用

叶片经过多年运行可能会出现各种各样的问题,如前缘磨损,后缘开裂,层间褶皱等等。对退下来的叶片首先要开展内外部以及层间的检查,出现问题及时维修损伤。检查手段包含目视、无人机、超声探伤等。完成初始评估后,还需要对叶片的寿命损耗进行分析,论证还有多少年的寿命。如果具备流通的条件,放入其他风电场继续使用。一般来说,如果未来使用的机组型号是一样的,配置一样的,那么直接使用该叶片,关注其寿命就可以。如果用到其他的机组型号,比如现在常见的阶梯换叶片,将长叶片用在短叶片的机组上,那么就需要重新考虑技改后机组的适应性和安全性了。

轴承

多年运行后,可能会出现滚道磨损、疲劳剥落、滚子划痕等损伤。退役下来之后,要重点检查密封圈、油脂、游隙、内外圈跳动等,检查手段有目视、化验、检测和测量。寿命评估和适应性与叶片部件类似。

齿轮箱

往往会出现内部磨损、滤芯失效、微点蚀、齿面胶合、静止压痕、断齿等问题,退役之后要用内窥镜开展外观与内部检查、冷却系统检查等,此外还应开展油样检验、对运行的的振动数据进行分析。

发电机

作为电气部件,有可能会出现碳化、磨损以及扫膛等严重的损伤,退役后在再利用的时候,需要重点对机械与电气、绝缘电阻、发电性能参数进行检查与检验,最好是能够重新做一次型式试验,比如电阻的测试、振动测定等等,证明其可用性。

4、总结与建议

针对改造升级,我们建议一定要开展全面的适应性评估,载荷寿命等等,这个工作不可或缺,现在的对于大风轮、长叶片,一定充分识别评估改造升级后引入的风险,比如此前我们遇到的叶片颤振问题。

对于退役回用这个环节,建议退役大部件经过专业机构开展全面健康状态检查与寿命评估,重点识别隐性损伤,避免出现设备吊装之后出现大的问题,严重影响经济效益。相关评估工作要以显性的凭证方式参与市场交易与流通环节中,让这些退役的部件充分发挥其使用价值,做到物尽其用。

最后,风电退役领域应尽快完成拆除、改造、回用等行业标准建立,建立健全规范的后市场服务平台,推动风电产业真正实现绿色发展闭环。