濕熱沿海海上風(fēng)電機組環(huán)境適應(yīng)性測試評價分析

李穎，鐘茗秋，黃祥聲，朱義蘇，陳川

（1. 福建省新能海上風(fēng)電研發(fā)中心有限公司,福州 350108；2.上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海 200335；3. 長江三峽集團(tuán)福建能源投資有限公司，福州 350108;4. 中國電器科學(xué)研究院股份有限公司工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點實驗室，廣州 510663）

引言

我國濕熱沿海區(qū)域主要是指東南沿海海域，由于地處亞熱帶，季風(fēng)常年不斷，因此擁有豐富的風(fēng)能資源，但同時也遭受著高溫、高濕、鹽霧、臺風(fēng)等惡劣環(huán)境的影響[1-3]。

為了研究海上風(fēng)電機組在濕熱沿海環(huán)境條件下的環(huán)境適應(yīng)性能，本文對福建沿海地區(qū)某海上風(fēng)電機組進(jìn)行了為期一年的環(huán)境適應(yīng)性測試，分別從溫濕度監(jiān)測、海鹽粒子濃度監(jiān)測、大氣腐蝕等級測試、電器設(shè)備腐蝕環(huán)境監(jiān)測及結(jié)構(gòu)件防腐措施現(xiàn)場測試這幾個方面進(jìn)行評價分析[4]，為后續(xù)服役于濕熱沿海的風(fēng)電機組在設(shè)計、制造、運行和維護(hù)方面提供一定的參考。

1 溫濕度監(jiān)測分析

在風(fēng)電機組上分別選取7 個監(jiān)測點進(jìn)行連續(xù)溫濕度監(jiān)測，包括：塔基外部、塔基內(nèi)部、機艙內(nèi)部、輪轂內(nèi)部、機艙主控制柜內(nèi)部、塔基主控制柜內(nèi)部及變流器內(nèi)部。

如圖1～圖3 所示，分別是不同監(jiān)測點的每月最高溫度、最低溫度及平均溫度變化圖。由圖可見，塔基外部的溫度明顯低于其他機組內(nèi)部測試位置，機組內(nèi)部最高測試溫度接近45 ℃，冬季最低測試溫度接近15 ℃，其中塔基控制柜及變流器內(nèi)部最高溫度略高，且超過40 ℃的時間相對較多（見圖4）。

圖1 每月最高溫度變化

圖2 每月最低溫度變化

圖3 每月平均溫度變化

圖5～圖7 分別是不同監(jiān)測點的最高濕度、最低濕度、平均濕度變化圖。由圖可見，塔基外部濕度明顯高于其他機組內(nèi)部位置，機組內(nèi)部平均濕度基本在60 %以下，最高濕度不超過80 %。圖8 是每月濕度超過50 %的時間，塔基外部和塔基內(nèi)部高濕度時間明顯多過機組內(nèi)部其他測試位置。

圖4 度超過40 ℃時間

圖5 每月最高濕度變化

圖6 每月最低濕度變化

由測試結(jié)果可知，塔基控制柜及變流器柜溫度超過40 ℃時間較長，發(fā)熱明顯，因此在設(shè)計時需要加強或改進(jìn)散熱裝置；風(fēng)機內(nèi)塔基環(huán)境及變流器柜濕度超過50 %的時間較長，因此需要在以上位置注意或加強除濕。

2 海鹽粒子濃度監(jiān)測分析

參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10593.2-2012《電工電子產(chǎn)品環(huán)境參數(shù)測量方法 第2 部分：鹽霧》[5]，采用離線式掛膜采樣分析法，分別選取機艙外部、機艙內(nèi)部、塔基外部、塔基內(nèi)部四個位置進(jìn)行海鹽粒子濃度監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果見表1，以氯化物為代表的空氣中鹽類污染物分類見表2 所示。由表1 可知，塔基外和機艙外部海鹽粒子濃度較高，應(yīng)適當(dāng)考慮鹽霧腐蝕帶來的影響。

圖7 每月平均濕度變化

圖8 濕度超過50 %數(shù)據(jù)采集點

表1 海鹽粒子濃度

表2 以氯化物為代表的空氣中鹽類污染物分類

表3 碳鋼在不同腐蝕性等級下暴曬第一年的腐蝕速率

3 大氣腐蝕等級測試分析

參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19292.4-2003《金屬和合金的腐蝕大氣腐蝕性用于評估腐蝕性的標(biāo)準(zhǔn)試樣的腐蝕速率的確定》[6]，分別選取機艙外部、機艙內(nèi)部、塔基外部、塔基內(nèi)部四個位置進(jìn)行碳鋼標(biāo)準(zhǔn)試樣暴露1年的腐蝕失重試驗，從而測得各個位置的腐蝕速率，再依據(jù)ISO 12944-2：2017《色漆和清漆防護(hù)漆體系對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù) 第2 部分 環(huán)境分類》[7]，分析得出被測環(huán)境的腐蝕等級。表3 是碳鋼在不同腐蝕性等級下暴曬第一年的腐蝕速率，大氣腐蝕等級測試結(jié)果見表4 所示，機組內(nèi)部塔基和機艙內(nèi)部腐蝕速率為C2 級和C1 級，機組外部的腐蝕環(huán)境為C4，其中各個位置對應(yīng)的試樣腐蝕情況見圖9 所示。在IEC 61400-3[8]中規(guī)定，海上風(fēng)力發(fā)電機組外部大氣環(huán)境等級按C5-M 進(jìn)行防腐，機艙內(nèi)部環(huán)境等級按照C4 進(jìn)行防腐，因此該測試結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。

表4 大氣腐蝕等級測試結(jié)果

圖9 碳鋼標(biāo)準(zhǔn)試樣暴露1年后的腐蝕情況

表5 環(huán)境腐蝕標(biāo)準(zhǔn)分級

表6 電器設(shè)備腐蝕環(huán)境監(jiān)測結(jié)果

4 電器設(shè)備腐蝕環(huán)境監(jiān)測分析

參考ISA-71.04-2013[9]，采用電器設(shè)備腐蝕環(huán)境表征測試片對變流器、控制系統(tǒng)等關(guān)鍵電器設(shè)備服役環(huán)境進(jìn)行量化表征分析，其中，環(huán)境腐蝕性的評級標(biāo)準(zhǔn)見5所示，監(jiān)測結(jié)果見表6 所示。由表6 可知，該電氣設(shè)備腐蝕環(huán)境等級均為G1 等級，屬于受控環(huán)境，幾乎不會發(fā)生腐蝕。

5 結(jié)構(gòu)件防腐措施現(xiàn)場測試

對風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)件涂層防腐措施進(jìn)行現(xiàn)場評價，評價內(nèi)容包括涂層厚度、光澤、色差、粉化及外觀變化情況（起泡、剝落、開裂、銹蝕等級）等，測試評價周期為1年。

5.1 涂層厚度測試

采用涂層測厚儀，對塔筒涂層不同位置進(jìn)行測試，參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13452.2-2008《色漆和清漆 漆膜厚度的測定》[10]，測試結(jié)果見表7 所示。

表6 電器設(shè)備腐蝕環(huán)境監(jiān)測結(jié)果（續(xù)）

表7 塔筒涂層厚度測試結(jié)果

5.2 光澤色差測試

采用便攜式光澤儀和色差儀對塔筒涂層進(jìn)行測試，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3979-2008《物體色的測量方法》[11]進(jìn)行顏色測量，測量條件為：D65 光源，10 °視場，幾何條件di：8 °，不包含鏡面反射，依據(jù)GB/T 11186.3-1989《涂膜顏色的測定方法 第三部分 色差計算》[12]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行色差計算，并按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1766-2008《色漆和清漆涂層老化的評級方法》[13]進(jìn)行變色等級評定；依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9754-2007《色漆和清漆 不含金屬顏料的色漆漆膜的20 °、60 °和85 °鏡面光澤的測定》[14]進(jìn)行光澤測量，并按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1766-2008[15]《色漆和清漆 涂層老化的評級方法》進(jìn)行失光等級評定。光澤色差測試結(jié)果見表8 所示。

表8 光澤色差測試結(jié)果

表9 涂層外觀檢查結(jié)果

5.3 粉化及外觀等級評價

參考標(biāo)準(zhǔn)ISO 4628：2-7[16-21]對現(xiàn)場結(jié)構(gòu)件涂層起泡、銹蝕、開裂、剝落、粉化進(jìn)行評級，評價結(jié)果見表9 所示。

6 小結(jié)

通過對福建沿海地區(qū)某海上風(fēng)電機組進(jìn)行了為期一年的環(huán)境適應(yīng)性測試，得到了相關(guān)結(jié)論如下：

1）濕熱沿海環(huán)境有明顯高溫、高濕的特征。機組外部濕度長期處于80 %以上，風(fēng)機內(nèi)部平均濕度可以控制在60 %以下，但塔基內(nèi)、變流器柜等位置最高濕度會接近或超過80 %，應(yīng)考慮加強除濕。塔基控制柜、變流器柜最高溫度會有較長時間超過40 ℃，可考慮加強散熱。

2）塔基內(nèi)部和機艙內(nèi)部鹽霧等級為S1、S0 級，塔基外和機艙外部鹽霧等級為S3 級，應(yīng)適當(dāng)考慮鹽霧腐蝕帶來的影響。

3）機組塔基內(nèi)部和機艙內(nèi)部腐蝕速率為C2 和C1 級，機組外部的腐蝕環(huán)境為C4 級。

4）電氣設(shè)備微腐蝕環(huán)境等級均為G1 等級，屬于受控環(huán)境，幾乎不會發(fā)生腐蝕。

5）塔筒涂層的失光、變色大部分為1 級，結(jié)構(gòu)件腐蝕情況檢查和涂層檢查均為0 級。