從兩個方面提高海上風電機組整機防腐能力

2017年，中國海上風電取得突破進展，新增裝機共319臺，新增裝機容量達到116萬千瓦，同比增長97%;截至2017年底，海上風電機組裝機容量已到279萬千瓦。由于海上風電機組長期處于高鹽霧、高濕度環(huán)境運行，因此海上風電機組在防腐設計上應遠高于陸上風電機組。目前海上風電機組主要從兩個方面提高整機防腐能力：(1)主動防腐，即提高整機各個零部件運行環(huán)境;(2)被動防腐，即提高各個零部件的自身防腐等級。

風電機組主要由風輪、機艙、塔筒組成。根據(jù)ISO20340-2009[1]、DIN EN ISO12944[2]、IEC61400-SER-2010[3]中關于海上風電機組防腐等級如表1所示。

表1風輪、機艙、塔筒防腐等級

1風輪防腐

1.1主動防腐

海上風電機組風輪系統(tǒng)的設計采用了迷宮式密封結構，能夠有效阻擋外部高鹽霧、高濕度氣體進入風輪內(nèi)部，如圖1所示。根據(jù)鋼鐵腐蝕速率可知，如圖2所示，當濕度大于60%時，鋼鐵腐蝕速率急速增長。由于風輪與機艙相連，機艙內(nèi)部設置有除濕系統(tǒng)，風輪與機艙之間有密封機構，因此可以有效保證風輪和機艙的環(huán)境濕度低于50%，從而保證風輪系統(tǒng)內(nèi)部零部件防腐在C4等級。

1.導流罩 2.導流罩密封環(huán) 3.葉片密封環(huán)4.葉片5.毛刷 6.機艙罩密封環(huán)7.導流罩換氣機構

圖1 風輪密封結構圖

圖2 鋼鐵腐蝕速率

1.2被動防腐

風輪系統(tǒng)內(nèi)部被動防腐根據(jù)表2要求執(zhí)行：

表2 風輪系統(tǒng)防腐設計要求

2機艙防腐

海上風電機組設計機艙采用環(huán)境控制技術。通過控制機艙內(nèi)部的環(huán)境，促使機艙內(nèi)環(huán)境的腐蝕因子含量不高于陸上環(huán)境的指標，以達到艙內(nèi)零部件的防腐等級與陸上風電機組零部件防腐等級一致，從而保證海上風電機組艙內(nèi)零部件安全可靠運行。

2.1主動防腐

2.1.1鹽霧濃度控制

海上風電機組機艙和塔筒相連，塔筒內(nèi)部設置有鹽霧過濾系統(tǒng)，可以保證風電機組整機內(nèi)部處于微正壓狀態(tài)，并且整機各個連接部位通過迷宮密封+密封圈的密封方式進行密封。通過微正壓技術和迷宮密封+密封圈的密封方式，可以有效保證機組整機的密封結構，同時能保證鹽霧顆粒折向沉積以阻止其進入艙內(nèi)。

2.1.2濕度控制

通過控制風力發(fā)電機組艙內(nèi)環(huán)境空氣的相對濕度以阻止鹽霧腐蝕的發(fā)生。鹽霧腐蝕本質(zhì)是電化學腐蝕，當艙內(nèi)環(huán)境空氣濕度低于金屬的臨界相對濕度時便可阻止電化學腐蝕的發(fā)生，如圖2所示。海上風電機組在艙內(nèi)設置有除濕系統(tǒng)，配合機艙在鹽霧濃度控制技術的基礎上，可以有效保證機艙和風輪內(nèi)部濕度小于等于50%，以阻止艙內(nèi)金屬零部件腐蝕的發(fā)生。

2.1.3環(huán)境溫度控制

風電機組機艙內(nèi)部設置有空空冷卻系統(tǒng)，空空冷卻系統(tǒng)由內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)組成，運行時兩個循環(huán)獨立，機艙內(nèi)外空氣互不干擾，只是由外循環(huán)空氣將內(nèi)循環(huán)空氣熱量帶出機艙，從而可以將機艙內(nèi)部環(huán)境溫度控制在40℃以內(nèi)，避免機艙內(nèi)部零部件在高溫下運行從而導致腐蝕加劇，如圖3所示。

圖3 機艙環(huán)境控制系統(tǒng)

2.2被動防腐

被動防腐根據(jù)表3要求執(zhí)行：

表3 風輪系統(tǒng)防腐設計要求

2.3應用及效果

目前該環(huán)境控制技術已在海上風電機組上運行，并在樣機上進行了“防腐掛片”實驗。機艙頂部設置有3塊實驗“鋼片”，用于測試機艙外腐蝕速率。機艙內(nèi)部設置有4塊實驗“鋼板”，用于測試機艙內(nèi)腐蝕速率。

實驗結果如圖4所示。通過采用該環(huán)境控制技術，機艙內(nèi)部環(huán)境等級明顯高于機艙外側。在相同時間內(nèi)對比可知，機艙內(nèi)部鋼片表面呈現(xiàn)金屬光澤，無銹蝕點、銹斑出現(xiàn);機艙外側鋼片在3個月時，整個鋼片表面基本已全部銹蝕，隨著時間的推移，鋼片腐蝕逐漸加深，表面顏色也從紅褐色變?yōu)楹诤稚饾u加深，鋼片腐蝕度更為嚴重。

對實驗1年后鋼片進一步檢測可知，如表4所示。艙外鋼片腐蝕速率分別為(328、341、311)g/(m2.a);平均點蝕深度為(0.098、0.077、0.111)mm;對應最大點蝕深度已達到(0.15、0.11、0.30)mm。對于艙內(nèi)鋼片其腐蝕速率不到艙外十分之一，并且鋼片表面保持原有金屬光澤，表面無點蝕存在。因此由上述實驗可知，采用該環(huán)境控制技術后，艙內(nèi)環(huán)境很好，零部件腐蝕速率較低，艙內(nèi)防腐等級達到C3等級以上。

圖4 防腐掛片實驗

表4 防腐掛片實驗結果

3塔筒防腐

3.1主動防腐

塔筒采用全鋼制結構，與機艙連接部位采用迷宮結構密封，因此塔筒筒體縫隙基本可忽略。外部鹽霧空氣只能通過塔筒門及門縫隙進入塔筒內(nèi)部，為防止鹽霧空氣進入塔筒內(nèi)部，塔筒門采用船用風雨密單扇鋼質(zhì)門設計，并參照GB/T3477中A級門進行設計，保證其密閉性能，有效降低塔筒及基礎內(nèi)部的鹽霧濃度。

增加進門隔間設計。塔筒門是進入機組的唯一通道，為減少維護人員進出機組而帶來的這種偶然性腐蝕環(huán)境惡化，海上風電機組采用了進門隔間設計，有效地減少了進入機組的外部空氣。

塔筒內(nèi)部設置有除濕系統(tǒng)和鹽霧過濾系統(tǒng)，除濕系統(tǒng)可將塔筒內(nèi)部濕度控制在50%以內(nèi)，鹽霧過濾系統(tǒng)在塔筒密閉的情況下，通過為塔筒內(nèi)部補充新風，從而保證塔筒、機艙、風輪系統(tǒng)長期處于微正壓狀態(tài)，可以有效減少因開門而進入機組內(nèi)部的鹽霧空氣。采用該環(huán)境控制技術后，塔筒防腐等級達到C3等級以上。

3.2被動防腐

被動防腐根據(jù)表5要求執(zhí)行：

表5 塔筒、基礎防腐設計要求

4結語

本文海上風電機組風輪、機艙、塔筒采用主動防腐和被動防腐兩種方式，能有效降低風電機組內(nèi)部防腐等級。通過“防腐掛片”實驗可將知，采用該種環(huán)境控制技術，風電機組風輪、機艙、塔筒防腐等級分別可達到C4、C3、C3，比ISO20340-2009[1]、DIN EN ISO12944[2]、IEC61400-SER-2010[3]標準中所規(guī)定防腐等級高，因此能降低風電機組內(nèi)部的腐蝕速率，延長零部件的使用壽命。