大型风电机组叶片损坏原因及对策

大型风电机组叶片损坏原因及对策 郭万龙 (中铝宁夏能源集团有限公司，宁夏 银川 ) 750002〔摘 要〕针对风电机组叶片损坏的情况，梳理分析了叶片损坏的原因，从叶片生产、运输、安装、 运行维护等环节提出防范措施，指出在运行维护环节及时修复叶片细微损伤是减少叶片损坏的重要 手段。 〔关键词〕风电机组；叶片；损坏；失效 风能作为一种清洁的可再生能源蕴量巨大，越 维护管理情况来看，对叶片维护的重要性认识不足、 9 日常维护过程控制不严、维护投入不足，导致实际 ，MW来越受到重视。全球风能总量约为 2.74×10 运行中的叶片隐患经年累月不断增多，随时都可能7 对风电企业来说，MW。其中可利用的风能为 2×10 引发失效事故，影响企业经济效益。 无论是从风电机组保有量，还是从对电网及社会影 响的角度来看，风电机组保持良好状态，实现较高 风电机组叶片损坏失效分析2 的安全、可靠性都显得越来越重要。 1 风电机组叶片损坏失效事故 叶片损坏可分为断裂失效、开裂失效、雷击损 伤、局部表面磨蚀、局部表面裂纹、运输吊装损伤 和运行维护不当损伤等形式。 叶片是风电机组的关键部件之一，其性能优劣 将影响整个发电机组系统能否可靠运行。因叶片整 2.1 断裂失效 体裸露在外，工作条件恶劣，叶片损坏失效事故时 断裂失效多发生在叶片根部、叶片中部，呈折 有发生。根据中铝宁夏能源集团有限公司的统计， 所示。断形式，如图 1 天及以上的 7 2003该公司—2012 年期间停机超过 75 机组失效停机事故共起，其中因叶片损坏失效 导致的停机事故有，且 32 % 24 起，占事故总数的 这些事故多发生在盛风发电期间。 当叶片发生失效事故特别是单片断裂事故时， 片叶片平衡旋转状态被破坏，发电机组瞬间剧烈3 振动；若机组保护失效或刹车装置迟延动作，将对 折断处断面1 图 断裂失效的叶片 ( ) 发电机组轴系以及塔筒带来严重危害，并可能导致 整台机组毁损。而且，断裂叶片在机组制动之前， 点。导致叶片断裂失效的原因有以下 4 极有可能撞击相邻叶片或塔筒，造成事故损失扩大。 设计缺陷。设计时安全冗余系数选择过低，(1) 叶片根部及叶片中部断面积过小、断面形状不符合 叶片发生失效事故后，风电场必须进行停机检 强度、刚度要求；叶片实际运行载荷超出设计时的 修，这需要使用大型起重吊车，而吊车的出场及作 预测极限，过负荷导致叶片毁损；另外，进行极限 业费用巨大，且需等待天气处于小风或微风、无风 设计时，风力发电机各部件与叶片的空间间距、质又因“弃风” 的作业条件。既产生了高额维修费用， 量等冗余量设计过小。 丧失了发电良机。一台叶片损坏失效风机造成的直 接及间接经济损失近百万元。从当前各风电企业的 近年来，随着国家对风电产业的大力扶持，风 10 电 力 安 全 技 术 第16 卷 (2014 年第 5 期) 间后，起到叶片外固合保护作用的树脂胶衣已被风 电市场急速扩张，由于低端风机叶片技术含量较低， 各路厂家纷纷涉足叶片生产。面对竞争压力，为降 产生麻面，砂抽磨至最低固合力点，叶片光泽退化、低叶片成本追求更高的利润，厂家致力于设计出低进而出现纤维布漏出、复合材料气泡破碎，形成大 廉的部件。比如，用减小叶片根部直径的方式来减 砂眼，叶片裂纹增宽、增长、加深，小砂眼向深处 少轮毂和叶片的成本，但是叶片根部尺寸减小后会 扩张的现象，导致风机运行时出现阻力、杂音、哨声。导致叶片强度不够。 (2) 风沙磨损侵蚀，修复不及时。(2) 叶片材料质量不符合要求。生产厂家使用 (3) 叶片呼吸孔堵塞以及雷击损伤。 2.3 雷击造成的损伤不合格的胶衣、树脂或纤维材料，这些材料均质性 差，容易出现局部软肋，导致叶片突然失效。左 随着风机容量的增大，轮毂高度升至 100 m 右，叶片长度超过 30 m。由于风电机组多安装在(3) 擅自更改生产工艺。目前国内高质量复合 开阔地带或者山顶，再加上机组服役时间延长，叶材料风机叶片多采用从国外引进的的 RIM( 聚胺脂 片表面污浊程度加深，风电机组遭受雷击的几率越反应注射成型 )、RTM( 树脂传递模塑 )、缠绕及预 来越大，而叶片是最容易遭受雷击损害的部件。图浸料 / 热压工艺进行制造，但一些厂家为降低成 为受雷击损坏失效的叶片。叶片受雷击导致的失3 本抢占市场采用手糊工艺进行制造。手糊工艺的主 效显见于接雷器处及叶片其他部位。要特点为手工操作、开模成型、生产效率低以及树 脂固化程度偏低，且对工人的操作熟练程度及环境 条件的依赖性较大，产品质量均匀性波动较大，产 品的动静平衡保证性差，废品率较高。工艺生产过 程中的含胶量不均匀、纤维 / 树脂浸润不良及固 化不完全等均会引起叶片变形、出现裂纹和断裂。 (4) 生产商经验不足。一些厂家经验不足，没 有完全消化吸收国外生产技术，管控重点原理不清、 图 3 受雷击损坏失效的叶片 方式方法简单，面对叶片制造中涉及的上百种主辅 材料、工具、工装、模具、设备，缺少品质鉴定能叶片受雷击损坏的原因主要如下。 力，生产工艺过程控制不到位，后期工序检测检验(1) 引雷器与叶片接触不严密，存有裂隙，引 流于形式，无法保障叶片质量。起雷击损伤。引雷器与叶片胶结不牢，雨水或吸潮 2.2 开裂失效浸湿，使引雷路径发生变化。当雷电击中叶片时， 雷电释放的巨大能量使叶片结构内的浸水材料温度 开裂失效多发生在叶尖、叶片中部前缘处，呈 急剧升高 所示。纵向分离张口形式，如图 2 , 分解气体高温膨胀 , 压力上升，造成爆 裂破坏。 (2) 叶片表面污浊引起的雷击。叶片积尘腐蚀 叶片表面，加速叶片表面风化、出现毛刺和弹性减 弱，使叶片产生微细裂纹，裂纹进一步积尘腐蚀， 再加上静电灰尘形成的混合物加速叶片老化。阴雨 天气时叶片表面湿度较大，如遇雷电天气，极易造 成雷电误导现象；叶片接闪器处遇雷击，可能在叶 片的另外一处出击，形成“一雷击两创孔”的现象。 风电机组叶片在雷雨季节过后损伤增加，无疑 开裂失效的叶片图 2 和雷击有着直接关系，至于其损坏机理则还需进一 步进行实验研究。 导致叶片开裂失效的原因主要有以下 3 点。 2.4 局部表面磨蚀(1) 设计、生产制造时对尾边区域及叶片表层 重视不够，胶衣耐磨性不够。风机叶片运转一段时 局部表面磨蚀主要发生在叶尖切迎风面、中部 11 电 力 安 全 技 术 第 16 卷 (2014 年第 5 期) 切迎风面、叶片前缘、叶片后缘等部位，如图 4 所示。 现迥异发展趋势，有些演变较为缓慢，有些则发展 迅速。出现在距叶片根部 8 ～ 15 m 处的裂纹会随 风机的每次自振、停车加深加长。叶片裂纹随着空 气中的颗粒物、风沙的侵入进一步加深加宽，进而 导致叶片断裂。 尤其需要指出的是：有些叶片裂纹产生的位置