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1、风电场工程主要风险 及风险评估 1 风电场工程的定义 风力发电场 简称风电场 是将多台大型并网式 风力发电机安装在风能资源好的场地 按照地形和 主风向排成阵列 组成机群向电网供电 风力发电 机就像种庄稼一样排列在地面上 故形象地成为 风力田 2 风力发电机的工作原理 现在风力发电机采用空气动力学原理 就像飞机的机 翼一样 风并非推动叶轮叶片 而是吹过叶片形成正 反面的压差这种压差会产生升力 令叶轮旋转而不切 断风流 风力机起动受力分析 旋转桨叶受力分析 3 我国现有风力发电机型的发电过程 目前 我国得到最广泛使用的风力发电机主要是水平 轴式发动机 它由叶轮 增速齿轮箱 发电机 偏航 装置 控制
2、系统 塔架等部件组成 4 风力发电机组 风电场的发电装置 道路 包括发电机旁的检修通道 变电站 站内站外道路 场内道路及风场进出通道 集电线路 分散布置的风力发电机组所发 电能的汇集 传送通道 变电站 风电场的运行监控中心及电能配 送中心 风电场工程的组成 5 风电场工程的组成 6 风电场工程的种类 依据风机旋转主轴的方向 即主轴与地面的相对位置 分类 可分为 水平轴式风机 转动轴与地面平行 叶轮需随风向的变化而调整位置 垂直轴式风机 转动轴与地面垂直 叶轮不必随风向的变化而调整位 置 7 风电场工程的种类 按照功率传递的机械连接方式的不同 可分为 有齿轮型风机 直驱型风机 8 风电场工程的种
3、类 按桨叶数量分为 单叶片 双叶片 三叶片 和 多叶片 风机 9 典型风力发电机组各部件介绍 目前最广泛使用的水平轴风力发电机主要 由叶轮 调速或限速装置 偏航系统 传 动机构 发电机系统 塔架等组成 如下 图 10 典型风力发电机组部件 叶轮 叶轮一般由2 3个叶片和轮毂所组成 其功能是将风能转 化为机械能 轮毂是叶轮的枢纽 也是叶片根部与主轴的连接件 所有 从叶片传来的力 都通过轮毂传到传动系统 再传到风力 机驱动的对象 11 典型风力发电机组部件 调速 限速装置 很多情况下要求不管风速如何变化转速总保持恒 定或是不超过某一个限定值 为此而采用调速 限速装置 当风速过高时 这些装置还用来限
4、定 功率 并减少作用在叶轮上的力 从原理上看大 致可分为三类 一类使叶轮偏离主方向 另一类 利用空气阻力 第三类改变叶片的转速角 12 典型风力发电机组部件 偏航系统 整个偏航系统由电动机及减速机构 偏航调节系统和扭缆 保护装置等部分组成 偏航调节系统包括标和偏航系统调 节软件 风向标对应每个风向都有对应的脉冲信号 通过 偏航系统调节软件确定其偏航方向和偏航角度 然后将偏 航信号放大 通过减速机构转动风力机平台 直到对准风 向为止 13 典型风力发电机组部件 传动系统 风机的传动系统一般包括低速轴 高速轴 齿轮箱连轴节 和制动器等 叶轮产生的机械能由传动系统传递给发电机 齿轮箱用于叶轮增加转速
5、 从20 50转每分到1000 1500转每分 14 典型风力发电机组部件 发电机系统 发电机及其控制系统承担了由机械能转换为电能的任务 包括恒速恒频发电机系统和变速恒频发电机系统 变速恒 频发电机系统的主要优点在于叶轮以变速运行 可以在很 宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比 从而提高 风机的运行效率 15 典型风力发电机组部件 塔架 风力机的塔架除了要支撑风机的重量 还要承受风力机和 塔架的风压 以及风力机运行中的动载荷 水平轴风力机 塔架分为管柱形和行架型两类 16 台风风险 台风对设备结构的静载荷效应风压 当风的流动遇到物体而受阻时 风速变小 向风面风压 升高 流经结构后在背风面通
6、常产生紊流 使风速局部升 高而风压降低 对背风面造成吸力 如此前后相加的效果 就形成了牵引力 对向风面及背风面也各自形成了压力 及吸力 台风对设备结构的动载荷动力效应 动载荷主要由湍流引起 在台风的特性与风场内复杂的丘 陵地表共同作用下形成湍流团 由于受动量守恒和能量守 恒的制约 在湍流区域有较大的气流混合与能量转换活动 给区域内的设备造成破坏 结构受风也会引起与风向垂 直的振动 17 台风对风力发电机组的破坏 台风夹带的细小沙砾造成破坏叶片表 面 台风带来的狂风暴雨对输电线路的破 坏非常严重 台风所蕴含的巨大能量往往把测风装 置破坏 台风施加在设备上的静力效应和动力 效应共同作用下不断施加疲
7、劳载荷 18 台风的预防措施 风力发电机组微观选址尽量在风机高度范围内风垂直切变 值及地面粗糙度都较小 各种风况下都不容易形成湍流的 地方安装 供电可靠确保设备安全保护程序有效 在风速正常的时候 对风保证采能最大化 风速超过额定风速时避风实现采能 最小化 使用受风面积小 不易受破坏且能精确测量风速 风向的 红外超声波感应仪 选用强度高 质量轻 价格目前相对较贵的碳纤维增强型 塑料 19 火灾风险 风力发电机组的火灾风险 a 风力强弱变化导致高速传动轴变速 高速引起的 摩擦热能 b 电气线路的短路 短路造成的电压瞬时增大 功 率超出工作温度导致电机发热 产生高温 中央控制室火灾风险 a 中央控制
8、室具有大量电线 开关 中小型的风 电机组直接将变压器设置在机舱的控制室 这些 电气设备本身就是火灾的风险源 b 通常控制中心无人看守 密闭不通风 也有虫 鼠咬 会有短路引起的火灾风险 c 雷击的直接影响对象也是中控室 20 防火措施 中央控制室的防火措施 除了日常的定期检修外 还要加强人员的管理 禁止烟 火和违规操作 消防器材只能依靠灭火器 对电气设备采 用CO灭火器 保证机舱配备两个或以上灭火器 风力发电机组的防火措施 对于风力强弱变化导致高速传动轴变速 高速引起的摩 擦热能可以查询电机的最高工作温度 确定小于当地的最 高风速 电气线路导致的电机高温 可以加强人员管理 定期定时维护 21 低
9、温风险 低温条件下风力发电机组出力 特性的变化 低温对主要零部件的影响 低温对油品的影响 低温对冻土层基础的影响 22 低温的预防措施 采取适当的热处理方法 淬火 中文回火 能显著提高材 料多冲抗力 避免应力集中 表面冷作硬化和提高零件的 表面加工质量等措施均能提高多冲载荷下的破断抗力 应针对焊缝采取必要的防止低温脆断技术措施 包括避免 焊缝应力集中 采取预热和焊后热处理改善焊缝 热影响 区 熔合线部位的性能 复合材料如玻璃纤维增强树脂具有较好的耐低温性能 选 用适合低温环境的结构胶生产叶片 23 雷击风险 现代大型风力发电机的塔架大多超过40米 并且安装在开 阔地带或者山地 因此更容易遭受雷
10、击 高度h m 2050 100 200 N雷击数每年0 020 10 31 雷区等级 年平均雷电日X结构高度H m 说明 轻雷区X24应考虑防止直接雷 击 中雷区35 X30山区H 15同上 强雷区X 80平原H 16山区H 12同上 24 雷击的预防措施 叶片的防雷保护 对机舱的保护 接地保护 25 控制系统安全运行的必备条件 风力发电机组开关出线侧相序必须与并网电网相序一致 电压标称值 相等 三相电压平衡 风力发电机组安全链系统硬件运行正常 调向系统处于正常状态 风速仪和风向标处于正常运行的状态 制动和控制系统液压装置的油压 油温和油位在规定范围内 齿轮箱油位和油温在正常范围 各项保护装
11、置均在正常位置 且保护值均与批准设定的值相符 各控制电源处于接通位置 监控系统显示正常运行状态 在寒冷和潮湿地区 停止运行一个月以上的风力发电机组组再投入运 行前应检查绝缘 合格后才允许起动 26 风力发电机组组工作参数的安全运 行范围 l风速在3 25m s 的规定工作范围时 只对风力发电机组组的发电有影响 当 风速变化率较大且风速超过25m s 以上时 则对机组的安全性产生威胁 l转速风力发电机组组的风轮转速通常低于40r min 发电机的最高转速不超过 额定转速的30 l功率在额定风速以下时 不作功率调节控制 只有在额定风速以上应作限制 最大功率的控制 通常运行安全最大功率不允许超过设计
12、值20 l温度运行中风机的各部件运转将会引起温升 通常控制器环境温度应为0 30 齿轮箱油温小于120 发电机温度小于150 传动等环节温度小于 70 l电压发电电压 允许的范围在设计值 的10 当瞬间值超过额定值的30 时 视为系统故障 l频率机组的发电频 率应限制在50Hz 1Hz 否则视为 系统故障 l压力机组的许多执行机构由液压执行机构完成 所以各液压站系统的压力 必须监控 由压力开关设计额 定值确定 通常低于100Mpa 27 风力资源储备丰富 全国平均风功率密度为100W m2 风能资源总储量约32 26 亿kW 可开发和利用的陆地上风能储量有2 53亿kW 近 海可开发和利用的风
13、能储量有7 5亿kW 共计约10亿kW 28 发展现状 中国大陆地区风电机组累 计装机容量 MW 29 风电四大新趋势 行业趋势 2010年 我国风电装机容量可能远远超过500 万千瓦 十二五 规划原定3000万千瓦的装机容量规模也 将被大幅突破 市场趋势 竞争加剧 机会与风险并存 我国至少有20家 以上企业已经进入或正在进入风电设备领域 行业竞争将 明显加剧 设备趋势 单机大容量 变桨矩 变速恒频 直驱式的国 际化趋势是主要方向 外资趋势 作用将发生变化 面对巨大的中国市场和中国 的政策 外资企业在中国风电产业发展从以前的设备出口 转向三种新的模式 30 风电场PLM分析 财产险 财产利损险
14、 建安工险 危险单位划分 一个风电场包含若干风力发电机 每套发电叶轮机只有一 套发电设备 可视作一个危险单位 如果承保了利损险 相应的利损险应与主险相加作为一个危险单位 若两个风力发电机的安全间距大于1 5H H 风力发电机 从地面至叶轮离地最高点的距离 则可以划分为两个危 险单位 一般两个机组的设备没有共用的辅助设施 利损 险危险单位可以按相应的利损保额比例划分并分别与主险 相加 分别作为一个危险单位 对于部分独立的辅助设施如电网 配电房 办公楼等 如 果与风力发电机的安全间距大于1 5H 则可以将这些辅助 设施视作独立的危险单位 对于利损险 无论附属设施和 机组的安全间距有多大 均不能拆分
15、 必须在两个危险单 位上同时加上利损险的总额 31 风电场PLM分析 机损险 机损利损险危险单位划分 如果没有共用的设备 机损险每台机 组 包括机组附属设施 可以作为一 个独立的危险单位 如果有共用的设 备 有共用设备的机组合并作为一个 危险单位 机损利损险可以按相应的 利损保额划分并与原来的危险单位相 加作为一个新的危险单位 32 风电场工程保险实务案例 案例详细 出险日期 2007 07 27 承保险别 安装工程一切险 保险金额 总91000万 其中平安占 25 即22750万 保险期限 建筑工期 2006 7 24至2008 3 31 保证期 2008 4 1至2009 3 31 被保险
16、人 龙源平潭风力发电有限公司 估损金额 400万 出险日期 2007 07 17 损失原因 机舱顶部即冒烟起火 报损情况 机舱 轮毂 叶片 塔架 风机拆装 运输等直接损失1600万 33 风电场工程保险实务案例 事故经过 1 2007年7月17日15 00 外方现场工程师 被保险人工作 人员和安装单位河北电建公司工作人员共5人抵达F05机位 计划更换机舱内部的服务吊车 15 05 外方现场工程师和被保险人工作人员下令操作 F05风机环网柜315刀闸合闸 由被保险人工作人员操作并 监护 合闸操作完毕 即听到机舱发出异响 工作人员当 即下令断开F05风机环网柜315刀闸 15 05 F05风机环网刀闸断开 15 06 现场人员发现机舱尾部冒出浓烟 15 15 机舱浓烟减少 34 风电场工程保险实务案例 事故经过 2 15 16 外方现场经理抵达现场 计划登机检查机舱冒烟 原因 15 22 机舱再次冒烟 外方经理放弃登机检查 15 32 机舱出现零星火花 我公司现场工作人员即要求 升压站值班人员断开风电场35KV集电线A组310开关 15 33 断开开关 35KV集电线A组310线路由运行转
