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            海上風電防腐技術這里全都有!
            2023年05月22日    閱讀量:     新聞來源:涂料在線 coatingol.com  |  投稿

            近年來,海上風電發展勢頭強烈,各項優勢都顯示著海上風電將是未來風電的大勢所趨。然而,海上風電面臨的災害風險也不小。臺風、風暴潮、海冰以及海水都將對海上風機設備產生威脅涂料在線coatingol.com。如何防腐、防凍和防臺,保障海上風機設備的使用壽命與安全,成為海上風電行業的重要課題。


            一、防腐蝕

            海上風電運行環境則復雜、惡劣的多:高溫、高濕、高鹽霧和長日照等。海洋性大氣環流運動的特點就是空氣中含有大量的氯化鈉等鹽組分,這是由于海水蒸發所造成的。

            通常在高鹽度的海邊,鹽度的濃度均值可達12.4mg/m3到60mg/m3。而在陸地上大氣中氯化鈉含量均值在0.8mg/m3。在如此高濃度的鹽霧環境下,金屬被腐蝕的速度由于電化學的作用也將大幅提高(約為內陸大氣環境的4~5倍),暴露在外的海上風電設備各組件聚會遭到不同程度的腐蝕損壞:氯離子會與空氣中的其他顆粒物在設備金屬外殼靜電作用下,在其表面形成覆蓋層,與設備電器元件的金屬物發生一系列的化學反應后使原有的載流面積減小,生成氧化合物使電氣觸點接觸不良,導致電氣設備故障或毀壞;而且對海上風電設施的螺栓固定結合部件,鋼體結構部件都會有損壞。

            海上風電機組不同于海上鉆井平臺,受到腐蝕時可以隨時修補,海上風電機組由于其特殊的地理環境和技術要求,維修費用極高。由于上述原因,很容易使海上風電電力傳輸設施發生短路故障,甚至釀成火災等安全重大事故。因此,海上風機的防護,需要進行系統化的設計、規劃、實施。

            1.1 塔架的防腐設計

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            海上風機塔架按照機型可分為近海和沿海灘涂的底座式和近海和深海的浮體式兩種。風電塔架的腐蝕保護主要是基于其腐蝕環境ISO12944C5-M,對于浸水區域按Im2。推薦的干膜厚度為320~500μm(大氣腐蝕環境C5-M)和400~1000μm(海水浸泡環境Im2),可以達到15年以上的無需維修使用壽命周期。

            對于近海的鋼結構還有2003年發布的ISO20340標準《色漆和清漆用于近海建筑及相關結構的保護性涂料體系的性能要求》,這個標準是通用型的,對不同的腐蝕環境都適用,而實際的腐蝕環境更為復雜,涂裝時更要注重微觀腐蝕環境和腐蝕因素。

            另外NORSOK-M501在海洋石油平臺成功應用十多年,說明通過了NORSOKM-501測試認證的產品,性能更加卓越,對于海上風電設備的防腐更加有保證,其為海上風電設備的防腐系統選擇提供了更為科學的理論判斷依據。

            1.2 葉片的防腐設計

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            JB/T10194-2000中指出,設計和制造葉片時要考慮環境因素的影響,應進行耐環境設計,采取相應措施,使其具有較高的環境適應性。

            葉片在一定程度上暴露在腐蝕性環境條件下并且不容易接近。由于運行條件的原因,在許多情況下不可能重做防腐層,因此重視設計、材料選擇和防腐保護措施特別重要,防腐和減輕腐蝕的結構設計對防腐的實施、效果和可修理性具有重大的影響。

            對于不能通過涂層或鍍層來防腐的部位,可以選用適當的材料。復合材料葉片應采用膠衣保護層,但沒有相應的指標規定。標準認定的環境條件包括溫度、濕度、鹽霧、雷電、沙塵、輻射六項。在“MW級風力發電機組風輪葉片原材料國產化”的“863”計劃中,要求葉片表面保護涂料能提高葉片耐紫外線老化、耐風沙侵蝕以及耐濕熱、鹽霧腐蝕能力,適應我國南北方不同極端氣候條件下風電場的使用需求,保證風輪葉片20a的設計使用壽命。

            1.3 其他部件的防腐設計

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            (1)底座、輪轂、軸承的防腐設計一般采用與塔架內壁相同的防腐涂料體系。

            (2)塔架基礎的防腐設計塔架基礎埋地鋼筋同樣面臨腐蝕,但一般被忽視而未采取防腐措施,一旦出現問題則難以處置。其防腐方法可采用一般建筑用鋼筋防腐涂料,或者針對性設計和選擇涂料品種,在基礎澆注前進行防腐涂裝。

            (3)機艙罩、整流罩的防腐設計一般采用風機葉片涂料體系。

            (4)變壓器的防腐設計一般為落地箱式,北方寒旱環境下沙塵、冰凍、紫外線腐蝕比較嚴重,南方鹽霧濕潤腐蝕嚴重,要采用塔架外防護涂料體系。海上風機的箱式變壓器采用絕緣樹脂澆注實現變壓器鐵芯防腐蝕。

            (5)控制柜、開關柜的防腐設計配電箱/電器柜等鈑金結構件目前一般使用粉末涂料,主要是采用提高防護等級隔絕空氣來實現整體防腐蝕。

            (6)發電機、齒輪箱的防腐設計雙饋型風機,因其轉速較高,因此發電機采用常規的密閉冷卻散熱系統,內部構造無需考慮防腐,只需利用結構件防腐方法解決外表防腐問題。永磁直驅型風機,將鐵芯設計為防腐蝕材料,而轉子線包則采用真空浸漆工藝配合氟硅橡膠材料加強防腐,確保散熱和防腐達到一種平衡。


            二、防冰凍

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            除了臺風的侵襲,風機在每年冬季還要抵抗嚴寒的天氣帶來的雨、雪、霜、霧的侵擾。例如,在我國北方海域,雖然臺風的影響較小,但每年冬季的海冰對船舶和海工裝備構成一定威脅。對于海上風電場來說,海冰會破壞風機基礎,雨、雪、霜、霧會凍結在風機葉片等部件上,影響風輪旋轉,低溫還會讓風機中零件和潤滑油的性能下降。

            2.1 覆冰類型及分類

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            葉片表面結冰主要有雨凇、霧凇和混合凇三種類型:雨凇。如過冷水滴直徑相對較大,在和葉片出現碰撞后,水滴先散開成水膜后迅速凝結成冰凌。此類覆冰一般環境溫度在0~5℃時出現,空氣濕度較大的條件之下,葉片表面會出現透明的硬度較高的冰層。此類冰層密度較大,附著力強;霧凇。過冷水滴的直徑較小,在空氣中漂浮運動,撞擊葉片后快速形成冰凌,以干增長方式存在。一般在環境溫度低于-5℃時,空氣內水含量很少,晶體的形狀是不規則的,極易在不光滑的葉片表面形成冰面,其質地疏松、密度小、粘附力不足;混合凇。過冷水滴的直徑不同,空氣內漂浮運動,在與葉片接觸后快速成冰,有些為干增長、有些則為濕增長。冰內部以半透明的形式存在,密度中等,一般是出現在葉片迎水面,附著力較大。山區地帶中風速較高的條件下,從云中來的冰晶會有一些大小中等的地面霧存在,通常環境溫度在-10~-3℃之間時出現。

            因此,葉片表面極易出現霧凇、混合淞的形式。此外,葉片的長期運行之下,表面會存在較多的污漬、前緣腐蝕、葉片粗糙度過大等問題,也會導致葉片出現覆冰的問題。

            2.2 葉片覆冰對機組的影響寒冷潮濕的天氣中,風機葉片可能結冰,導致發電能力下降,積冰嚴重時甚至可能使葉片斷裂。這些因素可能使風電場年發電量損失10%,甚至20%以上。

            葉片結冰在迎風面的發生率比較高,且葉尖覆冰主要沉積在葉根位置,覆冰累積與不規則脫落也會造成機組輸出功率的影響。在葉片表面發生微覆冰問題會導致其表面粗糙度較高而出現葉片氣動性能很低,機組運行功率也很低;葉片覆冰嚴重會導致葉片轉矩為零,不會有任何輸出功率,自然覆冰也會造成振動嚴重而產生停機的問題。

            葉片覆冰會直接影響系統的輸出功率,受到覆冰重量、覆冰后翼分布、葉片設計與風機控制。以VestasV80-1.8MW風機進行仿真分析,在雨凇條件下葉片覆冰可達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434kg,占葉片重量的6.7%。研究分析發現,下面兩種情況產生的覆冰問題會給葉片阻力帶來影響:葉片的阻力沿葉片軸向以指數次增長,雨凇時葉尖阻力增加了365%,霧凇時增加了250%,而在兩種條件下葉尖的升力均減小了40%。

            綜上,葉片覆冰結合不同的冰災嚴重性,風機輸出功率會產生很大的變化,比較輕的覆冰會讓葉片功率有一部分損失,而覆冰嚴重會導致其輸出功率為零,也就會停止運行。

            葉片覆冰對于機組產生的危害有靜態與動態載荷的不平衡、機組振動過于劇烈、葉片頻率發生變化、增加疲勞載荷、增加葉片彎矩、造成人身危害等。

            我國渤海和黃海北部冬季的冰期約為3個月,浮冰在海中漂流,會擠壓沖擊風電機的基礎,并引起震動。水位變化時,海冰還會對基礎產生上拔或下壓效應。滲入混凝土基礎的海水在結冰時會產生膨脹壓力,反復凍融會破壞混凝土。為此,必須采取相應的措施。

            2.3 葉片覆冰傳感器精確的覆冰檢測必須直接測得葉片上的覆冰量。葉片在寒冷空氣中運轉,葉尖速度達到了250km/h,葉尖的結冰條件跟裝在機艙頂部上的傳感器監測到的結冰條件相比相差巨大。建議機組采用葉片振動檢測葉片覆冰傳感器,其設計基于簡單的物理原則:結冰量增加會引起葉片自然振動頻率發生變化,隨著固體重量增加固有頻率會降低。

            基于高靈敏度的傳感器系統和特殊算法可實現冰層厚度毫米范圍內的測量分辨率,在風機運行情況下或待機情況下都能執行測量,意味看風機在啟機前每時每刻都在進行檢測,確保葉片上的覆冰量在運行條件的符合范圍內。

            2.4 葉片防冰除冰系統針對以上情況,除冰自然是最直接的辦法。首先可以在葉片表面安裝熱電阻元件或加熱葉片內部空氣,使葉片溫度處于0℃以上,防止葉片上的水結冰。

            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、冰之間的黏結性,或者涂覆黑色烤漆,在白天借助陽光的熱量除冰。

            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加熱葉片內的空氣并在葉片內部循環,再將熱量傳到葉片外表面,從而達到除冰的目的。加熱時葉片腔內有氣流會出現在葉尖部位,氣流也會從葉尖經過和腹板形成的風道而組合成為氣體循環路線,腔內空氣循環加熱可避免結冰問題的出現,保證葉片后緣與葉根部分進行加熱處理,防、除冰效果很好,可顯著提高熱量傳導效率,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了水膜的情況,就是通過葉片旋離心力實現除冰。

            除冰時熱風輸出溫度為60~80℃,葉片表面溫度可控制在10~0℃,由于葉片形式不會變化,設置的除冰系統會給空氣動力性能與防雷性能沒有任何影響,加熱除冰可應用到氣候溫和、覆冰發生在0℃左右環境中,因為除冰要保證葉片溫度合理,所以能耗消耗僅為防冰的50%。

            2.6 噴射除冰系統針對已營運風電場的風電機組葉片防除、防冰工程應用需求,采用不改動葉片的噴射除冰法進行風電機組葉片除冰技術應用受到越來越多關注。與現有的其它除冰技術相比,噴射除冰法具有在現場易實現改造、易維護、除冰效率較高、施工周期短、不改動葉片等工程技術優勢。

            一般分為固定式噴射系統和運載式噴射系統兩種。

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            固定式噴射系統噴射效果

            前者通過在風機塔筒外壁一定高度處,安裝若干定制噴射頭,對進入噴射范圍的結冰葉片進行噴淋除冰作業。通過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,快速融化凝結于葉片表面的冰雪,從而達到除冰的作業目的。

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            運載式噴射系統爬壁機器人除冰作業

            后者利用爬壁機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高度后,由車載移動式高壓噴射流站將融冰劑通過爬壁機器人攜帶的噴頭,噴射至葉片表面。再由融冰劑快速融化凝結于葉片表面的冰雪,達到清除葉片表面冰雪的目的。


            三、防臺風

            臺風對海上風場是一把雙刃劍:強度較弱的臺風可以給風場帶來充足的風力,增加發電量,提高風場經濟效益;強度較強的臺風則會給風場帶來巨大的破壞。所以,如何降低臺風對風場帶來的災害是建設海上發電場亟需考量的問題。

            近年來,海上風電在防臺風方面作出不小的成就。主要從風電場選址、風機結構和運營管理三個方面考慮。

            3.1 海上風場選址

            臺風陣性強氣流是造成風機破壞性損害的主要原因,風電場在場址選擇時,應避開臺風經常登陸的地方,避開強風區。風機基座在選址時,應緊密結合風電場實際資料,準確分析風電場的平均湍流強度、最大湍流強度、最大瞬時風速、入流角等風能特征參數指標,選取合理的風機基座位置。

            3.2 風機結構組選型應按照國標風力發電機組安全等級的要求,風電機組應設計成能安全承受由其等級決定的風況。風電機組適用的風速,一般不允許超過參數的限值,以免產生安全隱患。

            為有效規避顛覆性破壞,應進行結構抗臺風設計,依據場地實測臺風風速時程進行結構隨機動力響應分析,獲取較為準確的動力放大系數。如果不具備條件,則應考慮臺風風速的非平穩性,提出適合臺風風速的動力放大系數確定方法。一般基礎、塔筒、機艙、輪轂、葉片的安全系數依次降低。通過提高支撐結構(塔筒與基礎) 的安全系數,降低塔筒破壞、整體傾覆的概率,以避免傾覆性破壞帶來的巨大損失。

            臺風蘊涵的巨大自然能量將對風機設備結構施加靜載荷和動載荷疊加效應,形成周期性激蕩,如周期恰與風電機組固有振動周期相近時(或整數倍時),應使葉輪處于避風自由狀態,避免臺風與風機設備結構產生橫向共振,使之葉片出現裂紋、撕裂、折斷,偏航和變漿系統受損,甚至倒塌,最終導致機組損壞。因此,設計海上風機時,應結合風機的運行狀態,考慮風向、湍流和變槳、偏航等控制參數,進行綜合分析。

            在各風場損壞的葉片當中,葉根折斷較多,局部脫落亦不少。為減少臺風對風機尤其是對葉片造成的損傷,可以采取以下措施:針對主梁與翼殼之間粘結強度不夠問題,采取對葉片后翼連接加設鉚固裝置等;對葉片局部構造改進;在葉片生產過程中,應進一步加強葉片局部缺陷的檢測力度,以增強葉片的抵御臺風的能力;改進葉片用材,提高其抗極限強度和抗疲勞強度計數能力。

            3.3 運營管理海上風電運行管理涉及到風電機組制造商、風電場業主及運行單位等多個部門,只有相關部門通力合作,才能充分保障風電的安全經濟運行。在臺風易發、頻發地區,海上風電場業主單位應當對風電場所有風機的湍流強度重新進行校核計算,并按計算結果采取相應的防范措施。

            如果有強臺風來襲,風機自身的控制系統會在風速過大時作出反應,進入防風狀態。此時風機將會停機,葉片變槳為順槳角度,同時進入自動偏航模式,以風輪正面對準風向,保證臺風對風輪的載荷最小。在臺風后,維護人員需要檢查葉片、機艙罩等部件,確認其是否出現損壞、發電機構是否能夠正常工作。


            標簽:工業涂料,今日頭條,涂裝應用,技術中心,防腐涂料
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