海上風電場應對臺風措施

賈 超

(水電水利規劃設計總院，北京 100120)

0 引言

目前，我國海上風電開發已進入快車道，規模迅速增長。從潮間帶到淺海再到深海，從亞洲第一座110 kV海上升壓站到220 kV深海升壓站，我國海上風電取得突破性進展。數據顯示，2018年我國海上風電新增裝機436臺；新增裝機容量達到1 655 MW，同比增長42.2 %；海上風電累計裝機量4 445 MW，同比增長59.3 %。據國家能源局相關統計，2020年，我國海上風電新增裝機容量為306萬kW，同比增長54.5 %。截止2020年底，我國海上風電累計裝機約900萬kW。海上風電的大規模開發，是機遇也是挑戰。

海上風電的開發條件比陸上風電要差很多，不僅要面對海水的腐蝕、波浪的沖擊，還要考慮防范臺風的問題。我國是世界上受臺風影響最嚴重的國家之一，我國所面臨的西北太平洋(包括南海)是全球熱帶氣旋(臺風為熱帶氣旋的一種)發生頻數最多的海區，熱帶氣旋生成數約占全球生成數的三分之一。

1 統計調研

根據1949—2016年《熱帶氣旋年鑒》(1989年以前為《臺風年鑒》)和中央氣象臺的資料等數據，我國沿海熱帶氣旋登陸情況如表1所示。近10年來登陸我國超強臺風占比，詳見表2。

表1 1949-2018年熱帶氣旋在我國的登陸頻次

表2 2008-2018年登陸我國超強臺風占比

(1) 登錄臺風的數量沒有明顯變化趨勢。1949—2018年期間，共有625個熱帶氣旋登錄我國，年均9個，登陸頻次略有減少的趨勢，但達到臺風級別的并沒有明顯變化。

(2) 臺風的登陸點趨于集中。1949—1981年，登陸和影響我國的熱帶氣旋主要集中在華南沿海和海南，而1982年以后主要集中在華東沿海及臺灣。總體看，臺風的登陸區域更為集中，25°N附近的東南沿海稱為臺風登陸的主要區域，這一區域遭受臺風的襲擊明顯增大。

(3) 臺風登陸時段趨于集中。我國熱帶氣旋登陸季節持續時間平均約4個月，最短不到一個月，最長可達半年。70年來，我國熱帶氣旋登陸季節持續時間縮短了近1個月。

(4) 登陸臺風強度逐年增強。以熱帶氣旋的中心氣壓表示強度，顯示我國熱帶氣旋在登陸時的強度有增加的趨勢，并且登陸臺風中超強臺風所占比重也呈增加的趨勢。

2 熱帶氣旋的危害

熱帶氣旋造成風電機組損壞的主要原因如下。

(1) 風速高，影響范圍廣，持續時間長。臺風從生成到衰亡一般3～8天，但最長可達20天。臺風由臺風眼區、漩渦區、大風區組成，漩渦區是風力最大、破壞力最大的區域，一般寬 10～200 km，風速可達20～80 m/s，甚至有達到 100 m/s的臺風。

(2) 湍流強度大，風向突變。湍流強度是描述風速隨時間和空間變化程度的量，反映脈動風速的相對強度，是描述大氣湍流運動特性的最重要的特征量。臺風過境時，氣流湍流強度明顯增強，這種強烈脈動的氣流可以誘發葉片抖振，對于大功率風機的長葉片抖振會更嚴重一些。風向突變會導致偏航系統不靈敏的風電機組不能及時調整方向，導致葉片受到的氣流攻角加大，有可能使葉片進入扭轉顫振狀態，而一旦進入顫振，機組葉片的損壞則是必然的。

3 防臺風設計

3.1 防臺理念

在風電場的前期設計中，安全和投資是相互矛盾的。風電場的結構設計要求越高，能抵御超強臺風的能力就越強，但投資成本也會大大增加。海上風電項目屬于無人值守的工業項目，結構失效絕大多數情況不涉及人身安全，從這方面來說，可適當降低其結構可靠度。

抗臺風設計應避免整體顛覆性破壞。因為顛覆性倒塔破壞不僅機組、塔筒、基礎徹底失效，其運輸、安裝、輸變電工程也受影響，修復費用會超過建設期安裝、購買機組的全部費用。為有效避免顛覆性破壞，可以根據機組各部件失效造成的損失來確定各部件的安全系數。比如：基礎、塔筒、機艙、輪轂、葉片，依據其重要性決定安全系數的高低。謹慎考慮葉片的設計強度，在超過設計風速的超強臺風中應允許屈服破壞，降低風機的整體風荷載。

3.2 規劃選址

在風電場的規劃選址時，應給予臺風等自然災害因子賦予影響經濟指標的較大權重，對于臺風登陸頻繁的地區宜暫緩開發，待抗臺風技術成熟后再陸續開展前期工作。

規劃場址處于受臺風影響的地區，在進行正常氣象條件下風資源數據采集的同時，還需要收集與本區域相關的多年臺風登陸數據，以便進行分析處理，也為風電機組和輸變電設備提供50年一遇的極端氣象資料。

風機機位微觀選址時，盡量將風機布置在風機高度范圍內風垂直切變值及地面粗糙度都較小、各種風況下都不容易形成湍流的地方，在海上，一般主要避免風機之間形成較大的湍流。

避免在灘槽變化海域開發風電。因為對于灘涂和近海風電場，潮流沖刷槽和沖擊灘之間反復變換，且易受臺風浪和風暴潮的破壞，易導致基礎結構因自振頻率的改變而損壞。

3.3 基礎、塔基設計

海上風機基礎受波浪、海流、風荷載等多種荷載作用，具有重心高、海洋環境荷載復雜、承受水平風力和傾覆彎矩大的特點，是保證風電機組安全、穩定運行的關鍵。

在臺風高發區如何選擇高強度、高剛度的風機支承結構，確保整體結構的頻率特性以及在極端海況下的結構的轉角、位移滿足要求，需要在風機基礎設計時加以考慮。充分了解地基土層的成因、構造及其物理力學性質，避免擴大安全系數或安全系數達不到標準，有針對性地做出合理的設計、施工方案。

在設計時，要使用專業臺風安全系數修正后的極端荷載，對塔架的各承重部件進行強度校核，綜合考慮足夠強度的壁厚配置。對螺栓、法蘭、焊縫等也根據荷載報告進行極限強度校核，確保適合極限工況。結構設計嚴格按規范進行風荷載的取值。將基礎設計的安全水平提高其實是造價和安全的博弈問題。

3.4 葉片設計

葉片是風電機組的“靈魂”，其性能決定了風電機組獲取風能的效率，也影響著風電機組的安全。高風速下，葉片的空氣動力性能不斷增強，反而會影響機組的穩定性甚至導致發生破壞性事故。強風荷載是造成風電機組不穩定、安全性無法保證的根本原因，也是機組被臺風損毀的主要原因。

葉片的選用應考慮抗臺風、防鹽霧、抗雨和抗沙塵的措施。葉片材料自身具備抗腐蝕和抗鹽霧能力，同時葉片有充分的涂層，其前緣做了防腐蝕處理。其外表涂敷丙烯酸聚氨酯抗紫外線涂層，有效地提高了葉片抗老化性能。

為改善葉片的受力狀況，采用碳纖維、柔性、智能化葉片是未來的發展趨勢。

減少葉片的數目能降低葉輪鎖所受風荷載。單葉片風機采用專門的停機方式，將單葉片停放在塔架前后，可達到拆下風輪的效果，最大限度地減少臺風載荷。缺點是，需要一個配重塊，運行時噪音很大。

3.5 控制策略選擇

風電機組的變槳系統、偏航系統、制動系統這個三個系統是保障臺風時風電機組安全的主要控制系統。

3.5.1 保障順槳

在主電源供電失效后，變槳系統需要有備用電源供電來進行變槳操作。因變槳機構故障，造成風電機組嚴重超速甚至飛車事故的原因主要有：蓄電池原因、信號滑環原因、超速模塊原因。應采取可靠的備用電源，對滑環定期清理，增加超速軟件的冗余性等措施來保障變槳機構的正常工作。

3.5.2 加強偏航系統

臺風作用在風輪和機艙的傾覆力通過偏航系統傳遞給塔架，同時變化的風向也會增加偏航系統剎車的荷載，因此偏航系統必須能承受臺風帶來的巨大荷載。應采用臺風修正后的荷載對偏航系統進行調整，驅動齒輪盡量選用行星減速齒輪箱，避免采用渦輪渦桿減速齒輪，以避免在極端情況下機艙被迫轉向而損壞偏航系統。

采用系統失電后可以自然偏航的系統。

3.5.3 優化機械制動

受臺風影響，電網易損壞而斷電，機械剎車的液壓系統會因停電而抱死，風可能從最不利方向吹來，使葉片劇烈震蕩而損壞，在破壞葉片的同時引起輪轂內變槳機構的損壞，進而改變葉片的變槳位置并發生飛車事故。優化控制邏輯或加裝備用電源，在葉片順槳、正常停機時松開剎車，讓順槳的風輪處于自由轉動狀態，使葉片盡量受力均勻。

4 施工期防臺

海上風電場的建設周期長，通常至少會跨越一個臺風季，在臺風過境時如果尚未調試并網，無法受控制系統的保護，遭受臺風破壞的概率會更高。施工期風電場工程項目能否安全順利度過臺風，一方面取決于設備的抗臺風能力，另一方面取決于施工質量、安全措施及應急能力。

臺風來臨前，啟動臺風應急預案，嚴格按照規定停止作業。對吊裝設備、腳手架、作業吊籃、集裝箱倉庫、建筑材料、臨時施工機械等進行檢查、加固；制定船舶靠岸計劃，儲備應急物資、建立信息平臺，保持通信指揮系統暢通。

臺風過境時，必須切斷現場施工總電源；嚴禁進行設備吊裝、結構安裝、混凝土澆筑、管道焊接、安裝等工作；所有施工人員應全部退場，保持通信暢通。

臺風過境后，首先統計人員安全情況，對破壞現場進行取證，及時獲得承包商的認可。對建設現場進行全面的檢查和清理，完善應急物資。針對暴露出來的問題，及時總結經驗教訓，研究落實具體整改措施。

5 運行期防臺

5.1 臺風季前準備

運行的海上風電場應在每年臺風季節之前完成例行的檢查工作。全面分析風電場各風電機組所處海域，并結合臺風特點，篩選出臺風時受影響最大、風險度最高的風電機組進行重點監測防護。

臺風季到來之前，根據監控信息開展針對性維護計劃，保障風電機組基礎和機組本身狀態良好，對安全順利度過臺風過程具有重要意義。避免因微小原因造成臺風期間風電機組主體結構的破壞或影響風電機組正常運行，從而保證風電機組的正常使用壽命和安全性。

5.2 應急防護

組建專業高效的災害防御和應急救援隊伍是降低臺風期間災害影響的重要因素。海上風電場應成立防臺風的組織機構和應急救援隊伍。

組織機構由總指揮、安全保障人員、維護保障人員、物資保障人員、后勤保障人員、信息保障人員等組成。

臺風來臨前，分48 h和24 h預警，各崗位人員各司其職。臺風過境時，加強遠程監測，確保風電機組進入“抗臺狀態”，避免“緊急停機狀態”；所有人員待命，隨時準備應急。臺風過后，首先統計人員安全情況，及時安排出海巡檢和消缺，逐臺登機檢查。具體以風機廠家的臺風過后風機啟動程序為準。組成災后評估小組，及時理賠。針對抗臺中暴露的問題，及時總結，嚴格落實整改。

6 措施建議

(1) 開展臺風風險評估。對海上風電機組，建議根據場址所在區域多年的臺風觀測數據進行臺風風險評估。風電場前期測風時應加裝一套強風儀。

(2) 選用抗臺風電機組。由于IEC的標準中明確說明不適用于臺風區域的風電機組，因此機組選型應選擇抗臺風的S型等級。在選用抗臺技術設備同時，統籌把握安全性和經濟性的平衡。

(3) 制定超強臺風應急預案。因超強臺風極具毀滅性，根據超強臺風的特點和海上風電場各自的特點，制定完善詳細、可操作性強的防御方案，重點落實人員轉移和安置方案。

(4) 購買保險轉移風險。財產一切險可為因保險單責任以外的任何自然災害或意外事故造成的物質損壞或滅失負責，因此可通過購買此類保險來轉移因臺風可能帶來的巨大損失。