美國本土風(fēng)力發(fā)電機(jī)生產(chǎn)商Zond,Enertech, U.S. Windpower,Cart上世紀(jì)80年代，在美國政府再生能源補(bǔ)貼政策的鼓勵(lì)下，以加利福尼亞三大風(fēng)力發(fā)電基地（AltamontPass, PalmSprings, TehachapiPass/MojaveDesert）為代表的美國早期風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的建設(shè)得到快速發(fā)展，當(dāng)時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主力機(jī)型是65kW– 220kW的丹麥三葉片水平風(fēng)力發(fā)電機(jī)，同時(shí)德國、荷蘭、日本的三葉片水平風(fēng)力發(fā)電機(jī)也有較大的安裝數(shù)量，美國公司FlowWind生產(chǎn)的垂直風(fēng)力發(fā)電機(jī)erWind Energy也紛紛加入了加州的“風(fēng)電熱”（windrush）。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉輪轉(zhuǎn)速雖然不是很高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)看去成群的風(fēng)機(jī)緩慢地旋轉(zhuǎn)，似乎很輕松就能將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能。其實(shí)不然，絕大部分南加州風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)是建造在山脈邊緣面向山谷或沙漠，也有部分是建在山谷谷底的風(fēng)口。這些風(fēng)場(chǎng)址的風(fēng)況及其復(fù)雜，風(fēng)速、風(fēng)向變化幅度大，即便是同一個(gè)風(fēng)場(chǎng)的不同風(fēng)機(jī)安裝位置也會(huì)出現(xiàn)完全不同的風(fēng)況條件，使得原本在平原或丘陵地帶安全可靠運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在南加州風(fēng)場(chǎng)中短短幾年就出現(xiàn)了大批失效與損壞，以至于當(dāng)時(shí)美國風(fēng)電業(yè)內(nèi)人士給南加州風(fēng)電場(chǎng)送了一個(gè)“風(fēng)機(jī)屠宰場(chǎng)”的稱號(hào)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的早期失效使得一大批風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造商被迫出局，而當(dāng)今全球風(fēng)電行業(yè)的幾個(gè)主要制造公司，如Vestas,GE, 西門子，三菱，Gamesa，都在加州風(fēng)電場(chǎng)的大量風(fēng)機(jī)事故中得到了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

本文作者有幸見證了這個(gè)歷史時(shí)期，并且參與了多個(gè)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)過早損壞而產(chǎn)生的法律訴訟提供載荷取證的測(cè)試工作。本文介紹的就是1995年發(fā)生在Mojave沙漠SeaWest公司的160兆瓦風(fēng)電場(chǎng)的一起風(fēng)機(jī)機(jī)艙墜落事故。

SeaWest公司于1989年在Tehachapi山脈和Mojave沙漠之間的一片寬闊的斜坡上安裝了640臺(tái)三菱重工制造的250kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)，裝機(jī)容量為160兆瓦。整個(gè)風(fēng)場(chǎng)尾排風(fēng)機(jī)接近Mojave沙漠，前排接近Tehachapi山脈的半山腰，海拔高度落差約900米，風(fēng)電場(chǎng)概貌圖如圖一所示。

圖一 SeaWestMojave Wind Farm

由于風(fēng)電場(chǎng)背靠沙漠，面對(duì)山脈，其風(fēng)資源很有規(guī)律。每天上午太陽升起以后，沙漠溫度迅速升高，空氣受熱上升形成低壓，山上的冷空氣受壓差的作用流向沙漠形成持續(xù)的定向風(fēng)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)發(fā)電。通過幾年的風(fēng)場(chǎng)運(yùn)營，業(yè)主發(fā)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)坐落于中后排的風(fēng)機(jī)發(fā)電量明顯低于風(fēng)場(chǎng)前幾排風(fēng)機(jī)的發(fā)電量。為了提高整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的發(fā)電量，業(yè)主計(jì)劃將風(fēng)機(jī)的原裝葉片換成效率更高的葉片設(shè)計(jì)且不排除加長葉片的可能性。為此，業(yè)主委托本文作者所屬公司DynamicDesign Inc.進(jìn)行原型機(jī)的載荷測(cè)試，目的是通過載荷測(cè)試掌握原型機(jī)在風(fēng)場(chǎng)實(shí)際風(fēng)況條件下的載荷，并對(duì)葉片、輪轂、傳動(dòng)鏈、塔筒等主要部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合評(píng)估，確保更換葉片后在不影響風(fēng)機(jī)壽命的情況下提高發(fā)電量。

載荷測(cè)試從1994年秋季開始，一直延續(xù)到1995年夏初，基本覆蓋了秋、冬、春、夏四個(gè)季節(jié)，確保數(shù)據(jù)反映所有的季節(jié)和風(fēng)況的變化。根據(jù)測(cè)試方案，傳感器包括了三個(gè)葉片的根部位正交方向應(yīng)變片,測(cè)量葉片揮舞方向（flapwise）和擺振方向（edgewise）的彎矩，主軸彎矩和扭矩應(yīng)變，輪轂應(yīng)變，齒輪箱箱體應(yīng)變，塔筒頂部正交方向彎矩和扭矩，塔筒根部正交方向彎矩和扭矩，葉輪方位角（azimuthposition）,機(jī)艙偏航角，機(jī)艙偏航誤差，機(jī)艙結(jié)構(gòu)應(yīng)變，葉片槳葉角，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)發(fā)電功率，風(fēng)速，等共48個(gè)信號(hào)。數(shù)據(jù)采集采用了當(dāng)時(shí)美國再生能源國家實(shí)驗(yàn)室最新一代的8通道數(shù)據(jù)采集器。整個(gè)載荷測(cè)試系統(tǒng)的架構(gòu)如圖二所示。

圖二 風(fēng)機(jī)整機(jī)載荷測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

葉片載荷數(shù)據(jù)根據(jù)圖三所示坐標(biāo)系逐次分解到風(fēng)機(jī)的各主要部件并通過“雨流計(jì)數(shù)”（rainflow counting）算法得到疲勞載荷出現(xiàn)的頻次分布。圖四為葉片的疲勞載荷頻次分布。

圖三 風(fēng)機(jī)各部件坐標(biāo)系

圖四 葉片根部揮舞彎矩頻次分布

根據(jù)載荷數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，得到了幾個(gè)重要的結(jié)論：

?葉片對(duì)陣風(fēng)響應(yīng)過于敏感，控制系統(tǒng)對(duì)槳葉角度的調(diào)整延遲使得葉片動(dòng)態(tài)載荷超載頻繁發(fā)生。 而當(dāng)陣風(fēng)過去后的瞬間，槳葉調(diào)整的延遲又使得葉片推動(dòng)氣流向風(fēng)機(jī)下風(fēng)方向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)風(fēng)機(jī)葉輪處于類似風(fēng)扇的工作狀態(tài)，不但沒有發(fā)電，反而消耗電能，這種載荷逆轉(zhuǎn)對(duì)整個(gè)傳動(dòng)鏈造成反沖擊（backlash），對(duì)傳動(dòng)鏈部件造成一定的損害。

?被測(cè)風(fēng)機(jī)的三個(gè)葉片的穩(wěn)態(tài)載荷不盡相同，2號(hào)葉片的揮舞彎矩（flapwise bending moment）大于其它兩個(gè)葉片的揮舞彎矩而擺振彎矩（edgewise bending moment）卻小于其它兩個(gè)葉片。由于三個(gè)葉片的槳葉角基本一致，載荷的差異來自于葉片的空氣動(dòng)力學(xué)差異，導(dǎo)致葉輪乃至整個(gè)塔筒受到額外的周期性推力激勵(lì)。

?疲勞載荷隨著風(fēng)速的增加而增加，但是在風(fēng)速在風(fēng)機(jī)接近額定輸出功率時(shí)（14m/s風(fēng)速），疲勞載荷突然快速增加，反而超過了風(fēng)機(jī)完全進(jìn)入滿發(fā)狀態(tài)的風(fēng)速（16m/s）時(shí)的疲勞載荷，（見圖四）。顯示槳葉角控制器的響應(yīng)在風(fēng)機(jī)即將進(jìn)入滿發(fā)狀態(tài)的拐點(diǎn)時(shí)延遲過大，沒有有效地抑制動(dòng)態(tài)載荷。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，建議業(yè)主：

?選擇對(duì)陣風(fēng)具有低響應(yīng)敏感特性的機(jī)翼設(shè)計(jì)替換原裝葉片，同時(shí)可以適當(dāng)加大葉片長度增加風(fēng)機(jī)的掃風(fēng)面積，提高發(fā)電量。

?針對(duì)槳葉角控制的滯后所造成的滿發(fā)拐點(diǎn)處疲勞載荷大于風(fēng)機(jī)完全進(jìn)入滿發(fā)狀態(tài)后的疲勞載荷的現(xiàn)象，建議采用主動(dòng)調(diào)漿和被動(dòng)失速相結(jié)合的方法降低疲勞載荷。

?把長期疲勞載荷監(jiān)測(cè)作為指導(dǎo)風(fēng)機(jī)運(yùn)維決策的關(guān)鍵手段，風(fēng)機(jī)關(guān)鍵部件的載荷監(jiān)測(cè)結(jié)合SCADA所記錄的槳葉角、機(jī)艙偏航位置、風(fēng)機(jī)功率輸出，可以給出風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行條件下的真實(shí)健康狀況和維修保養(yǎng)的需要。

風(fēng)機(jī)疲勞載荷長期監(jiān)測(cè)在上世紀(jì)90年代是一個(gè)全新的理念，提出這個(gè)理念不是拍腦袋想出來的，而是在分析了風(fēng)機(jī)的載荷數(shù)據(jù)以后發(fā)現(xiàn)在風(fēng)場(chǎng)中運(yùn)行的風(fēng)機(jī)的實(shí)際載荷和設(shè)計(jì)目標(biāo)有顯著的差別，這個(gè)差別已經(jīng)嚴(yán)重影響到了風(fēng)機(jī)的使用壽命的情況下得出的結(jié)論。風(fēng)機(jī)疲勞載荷長期監(jiān)測(cè)的提議被接下來的一起風(fēng)機(jī)機(jī)艙墜落事故進(jìn)一步證實(shí)是完全必要的。

1995年6月4日，SeaWest風(fēng)場(chǎng)維護(hù)人員發(fā)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)前排的一臺(tái)風(fēng)機(jī)機(jī)艙墜落地面，事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)偏航軸承和塔筒頂部連接的螺栓全部斷裂，螺栓斷面顯示典型的疲勞失效紋路，如圖五所示。

業(yè)主根據(jù)剛結(jié)束的載荷測(cè)試結(jié)果認(rèn)定該風(fēng)機(jī)機(jī)艙墜落是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)疲勞載荷設(shè)計(jì)不當(dāng)引起的，進(jìn)而向三菱公司提出賠償要求，三菱公司則堅(jiān)持設(shè)計(jì)沒有問題。在雙方相持不下的情況下，業(yè)主要求DynamicDesign根據(jù)實(shí)測(cè)載荷數(shù)據(jù)推算螺栓的疲勞壽命。

根據(jù)被測(cè)風(fēng)機(jī)的塔頂螺栓的疲勞彎矩頻次分布和事故風(fēng)機(jī)的年風(fēng)速的分布記錄，DynamicDesign計(jì)算出事故風(fēng)機(jī)的偏航軸承固定螺栓的壽命約為6~7年，而該風(fēng)機(jī)1989年安裝完畢并網(wǎng)發(fā)電，事故發(fā)生在1995年6月，螺栓的疲勞壽命的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況完全吻合。當(dāng)測(cè)試報(bào)告和計(jì)算分析結(jié)果提交給三菱技術(shù)部門以后，三菱決定對(duì)整個(gè)風(fēng)場(chǎng)640臺(tái)風(fēng)機(jī)的偏航軸承固定方式進(jìn)行整改，同時(shí)賠償整改期間的發(fā)電量損失。

圖五 事故現(xiàn)場(chǎng)及從事故現(xiàn)場(chǎng)收集的偏航軸承固定螺栓

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)載荷和風(fēng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中所受到的載荷并不一致，這是由風(fēng)機(jī)安裝地點(diǎn)的風(fēng)況條件所決定的，在設(shè)計(jì)時(shí)是無法預(yù)計(jì)到的。同一臺(tái)風(fēng)機(jī)在兩個(gè)不同的風(fēng)場(chǎng)，甚至在同一個(gè)風(fēng)場(chǎng)的不同位置，其發(fā)電量和載荷可能完全不同，風(fēng)機(jī)整機(jī)載荷的長期監(jiān)測(cè)提供了及時(shí)掌握風(fēng)機(jī)疲勞損傷和預(yù)測(cè)性維護(hù)的有效手段。

現(xiàn)代大型風(fēng)機(jī)提供了獨(dú)立調(diào)漿的功能，如果結(jié)合葉片載荷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，理論上可以為每臺(tái)風(fēng)機(jī)提供量身定制的調(diào)漿控制機(jī)制。當(dāng)風(fēng)機(jī)在功率曲線不同的區(qū)域工作時(shí)可以設(shè)置不同的控制目標(biāo)，比如在切入風(fēng)速至額定風(fēng)速區(qū)間，控制目標(biāo)是跟蹤最佳工作效率點(diǎn)，優(yōu)化風(fēng)機(jī)的發(fā)電量輸出；而當(dāng)風(fēng)速到達(dá)額定功率點(diǎn)附近的區(qū)間，控制目標(biāo)則應(yīng)切換成抑制葉片的動(dòng)態(tài)載荷，保護(hù)風(fēng)機(jī)不受損傷。由于風(fēng)況變化、葉片動(dòng)態(tài)響應(yīng)、控制系統(tǒng)的延遲、這三者之間的相互作用和互相牽制，使得及時(shí)掌握葉片實(shí)時(shí)載荷顯得尤為重要，甚至可以說實(shí)時(shí)載荷監(jiān)測(cè)是獨(dú)立調(diào)漿是否有效的根本保障。

參考資料

[1]“Mojave Wind Power Station Enhanced Performance Project, Phase 1 – MHI-250 Baseline Turbine Test Report.” Dynamic Design, January 26, 1996.

[2]“Mojave ’89 Turbine 1B Failure Review Report.” Dynamic Design, August 4, 1995.

作者：斯凱孚人工智能高級(jí)數(shù)據(jù)科學(xué)家 韋俊