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聚焦世界首座大型海上风电场Horns Rev:运行故障与经验总结

供稿人:ISTIS  供稿时间:2006-1-27   关键字:风电场  运行故障  经验总结  
 
在近期聚焦世界首座大型海上风电场荷斯韦夫(Horns Rev)的系列文章中,已经介绍了该风电场的基本建设状况和环境影响评估。本文将根据期刊《Modern Power Systems》中的相关文章,报道荷斯韦夫海上风电场在投入运行后不久,很快显露的该风场海域极端工程环境的意想不到影响力。如果说丹麦风电产业的目的是证实在迅猛而多变的近海建设大型风场的耐用性和可靠性,那么,除了荷斯韦夫,别无他选。该风场距海岸14~20公里,海域平均风速9.7米/秒,而最高风速达53.8米/秒。另外,浅海的高洋流进一步助长着汹涌的海浪-8米的海浪不足为怪。该风电场共安装80台2兆瓦的Vestas V80型风力发电机,分成五组,年发电600百万千瓦时。同时,建造了一座离岸平台,用于安装34/150KV变电站与相应的开关设备,所有风机输出电缆汇集于此,经变压后用一根电缆输送到陆地。当初预算的投入建设费用为2.7亿丹麦克朗(约为4272万美元),其中,从风机到接入陆地电网的装备费用为4000万丹麦克朗(约为633万美元)。
 
一波三折
2002年7月29日上午8:20,荷斯韦夫海上风电场的第一台机组投入运行,产出的第一波电力传输至国家电网。5组风机中的首组16台发电机原定于2002年7月投入使用,但主电缆故障造成延期,不得不接入一段150米长的新电缆。当时计划于2002年底之前将全部80台风机投入运行,事实上,到该期限,这些机组均已启动。2002年11月4日,该项目中采用的此类型1台试验风机由于安全系统故障而损坏时,荷斯韦夫离岸风电场的开发工作暂停。这是几天中第二台此类风机遭受损坏。损坏的部件都是风机的叶片,造成的原因是人为干扰了控制系统,引起叶片超速。在风速较低的时(约10m/s),控制系统的失效会导致风机的超速。本应在这种情况下停止风机的安全系统却失效了。然而,风机的第二个应急系统却在此时制动了转子。其结果是使转子承受了极高负载,造成3个叶片全部受损。80台强大的荷斯韦夫矩阵中,13台当时投入运行的风机由于安全原因而停止运行,直到查明故障原因。最后,制造商Vestas确定的原因是:造成故障的原因是人为因素,10月24日员工在改动风机控制器的连接时出错,因此,此问题仅限于单台风机,没有理由认为这种问题会发生在同类型的其它机组上。然后,荷斯韦夫离岸风电场的风机重新启动。Vestas决定修改试验风机的改动步骤。到2003年2月,所有风机均开始了它们的合同试运行期。
 
但给人的感觉是在接下来的一年半运行中,这80台机组同时运行的时间仅为半小时。统计表明,在这一年半时间中总计出勤维护约75000次,即每台风机每天维护2次。每当需要另一件扳手或者新电路板时,不得不要求另一架直升飞机送来。设备维护人员已习惯于乘坐在维修车辆中待命。
 
运营商Elsam未曾想到荷斯韦夫项目会面临如此众多的挑战。其一,尽管该风机技术已经过实证,它是安装在英国Blyth作为技术测试、运行良好的两台离岸Vestas V66风机的放大机组,但当地流行的录像片段揭示了破碎浪跃过发电机舱顶部的情形。其二,该现场处于新开辟的处女地和运行着把风电场电力输出的高压电网的条件之中,这也是值得关注的重大挑战。其三,与航海、航空当局之间的联络则是更重要的考虑因素。
 
运行故障
2003年8月变压器开始出现技术故障,到那年冬天受影响的变压器约达到20-30%,原因是综合性的-制造问题、离岸的气候条件、空气中侵蚀变压器的盐份,以及来自陆上储存变压器的后期影响。在第一年内,当五分之一风机受到影响时,Elsam认为:最终所有的变压器都会发生故障,为此决定更换所有变压器。除了变压器之外,发电机也发生了故障,但数量比变压器少。然而,其原因仍然是显而易见的制造问题,Elsam同样决定予以全部更换。
 
Vestas认定最根本的原因是零部件的问题,而这并不是一个新问题,前一年已经发现问题出在变压器,绝缘不正确,绝缘故障引起短路。发电机的问题则在于线圈没有发挥其功能。而零部件供应商则认为荷斯韦夫受盐份侵蚀的程度比其它风电场严重得多。
补救方式
运营商Elsam、风机制造商Vestas,以及变压器与发电机供应商ABB分析了这些情况。最终认为:盐水进入发电机和风机变压器,加之制造不当显现出来的问题是导致决定将全部发电机舱运回工厂拆卸,然后,调换变压器和部分发电机的主要原因。由于直到2004年春天,显而易见的问题是几乎所有的机舱都有可能发生故障,另外,由于浮吊的成本问题,放置于Tjaereborg陆上的全部80台风机和测试的机舱被运到岸边。直到10月底,船只齐备、气象预报良好时,Elsam决定在岸边开工。同时,将风机叶片送回到制造工厂清洁,修复被雷电击坏之处。
 
结果,从7月份开始到10月份结束的原定计划顺利进行。Elsam希望10月底此项维修工作全部完成,在他们看来,这些费用微不足道。至于风机,Vestas负责为期5年的可靠性担保。
 
对于发电机的缺陷和变压器绝缘的失效,Elsam认为存在技术问题,Vestas对其质量保证也表明了承担责任的态度,虽然变压器的问题已经解决,然而据称发电机失效是因为出厂时就存在的安装问题,并非设计缺陷。
点滴启示
在许多问题解决之前,有关荷斯韦夫风电场的发电机与变压器问题,以及精确性有问题的机械,至今尚未彻底搞清结症所在。但共同的看法是质量与制造问题在其中扮演着重要角色。而迄今为止,这些问题似乎已经在其它V80离岸机组中被避免,例如在英国的北霍伊尔和史阔碧沙洲风电场,那里的风力发电机并没有使用相同的发电机和变压器,而是V80的升级版。
 
Horns Hev风电场设备的建造迫于极其紧凑的日程安排,至少对于首例此类项目而言,时间实在是过于紧张。它所采用的是新一代V80离岸海上风电机。这是一款相对而言新型的机组,直到开始制造,仍在“澄清事实和进行开发”,甚至在制造中,还增加最后阶段开发与决定的“附加插件和项目专用零部件”。制造量的增加比预期困难的多,再加之运送人员的时间等,使日程安排遇到的挑战更趋复杂化。
 
荷斯韦夫风电场教训引出的一项设计变化是:修改风机的冷却进气通道,避免变压器暴露在进入的含盐水空气流中。
经验总结
由荷斯韦夫风电场的设计、运行经验推广到其它风电场的设计、运行,可总结出如下经验教训:不要仓促改变设计和增加新特性。即使是很小的改动,如未在风机上实时验证,都会产生巨大影响;必须明白,质量管理是重要事项,对于离岸项目,由于进入困难且费用高,更显得极其重要;设备的每个方面都要检测;即使增加成本,也必须把设计评估和风险评价视作最基本步骤,且采用更多离岸用特殊零部件。
 
 
 
 
相关链接
1、Horns rev reveals the real hazards of offshore wind
 
2、Bending with the wind
 
3、Shedding light on Horns Rev realities: the view from Vestas
Modern Power Systems》July 2005 P12

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