风电叶片维护研究进展 一． 风电叶片维护的必要性 我国风电快速发展始于2006年，当时国内风机以600kw，700kw机型为主，2007年3月，我国首台1.5MW直驱永磁发电机组在新疆投运，拉开了兆瓦级风力发电发展的序幕。随着风电市场的逐渐成熟，大型风力发电机组相继出现，叶片长度也由原来的30-40m增加至60-70m。叶片长度的不断增长，同时带来叶片重量的增加，但是叶片设计使用寿命为20年，如何在叶片20年的生命周期内保持其高效运行至关重要。 风力发电叶片一般安装于偏远的地区，运行环境恶劣，如较大的风沙侵袭，-30℃至50℃的循环温差，以及强紫外光的老化等。目前2.5MW-50.3m的叶片，叶尖运行速度高达300公里/小时，在这样高转速下，风沙和雨滴对风电叶片的侵蚀相当于等离子切割，叶片表面容易形成空洞。研究表明，叶片表面粗糙度的增加以及缺陷的累积将导致发电效率降低5%-30%，还可能导致叶片运行失稳造成齿轮箱的故障。叶片小的缺陷如果没有及时发现并进行专业修复，将导致裂纹延伸至叶尖，造成叶片大面积的开裂，不得不进行大型修补或者返厂处理，给风场业主带来重大经济损失。 二． 风电叶片常见的损伤 风电叶片虽然在设计时，赋予它足够的强度和刚度，但是在其20年的使用寿命中，也会像其他复合材料部件一样，出现各种各样的问题。风电叶片从生产厂家生产，通过长距离的运输到达风场，使用大吨位吊车进行安装。风电叶片在上述每一个步骤都可能发生损伤破坏。一旦风电叶片开始运行，将受到雨水，风沙以及大气的腐蚀，同时还要经受强紫外的老化。在风压和旋转持续疲劳载荷的作用下，隐藏在叶片内部的缺陷，如分层，气泡，叶片组件之间的粘合缺陷将会逐渐显现出来。 风机正常运行情况下，叶片会在不同年限出现相应的受损状况： 2年：表面胶衣出现磨损，脱落现象，甚至出现小的砂眼。 3年：叶片出现大量砂眼，叶片前缘尤为严重，风机运行产生阻力，事故隐患开始显示。 4年：表面胶衣脱落至极限，叶片前缘出现通透的砂眼，横向裂纹开始出现，运行阻力增加，叶片防雷指数降低。 5年：是叶片事故高发年，叶片外部补强材料磨损严重，叶片合模缝已露出，叶片在疲劳载荷下，横向裂纹加深延长，内粘合处出现裂纹，防雷指数降低等。 2.1根据损伤产生原因进行分类 2.1.1生产原因 1．为了降低制造成本，设计部门减少安全余量。 2．由于成本压力，生产厂家纷纷更换为价格低廉的不满足设计要求的原材料。 3．由于生产提速，树脂固化不良产生的“早产儿”叶片。 4．生产过程中，未探测出的加工缺陷，如叶片内部的分层，白斑，粘接过程中的虚粘等。 2.1.2运输原因 1．运输过程中，叶片与周边物体的碰撞刮擦。 2．由于操作不当，造成的叶片跌落撞击。 3．叶片调运过程中，叶片工装位置的损伤。 4．叶片吊装时容易造成叶片后缘损伤。 2.1.3自然原因 1．雷击是造成叶片运行过程中损伤的主要原因之一。雷击这种自然现象是不可避免的，但是避雷系统工作不正常和叶尖排水孔堵塞是造成叶片雷击破坏的主要原因。 2．叶片在高速运行过程中，雨滴，沙石和气流对叶片前缘的磨损不可避免，特别是叶尖位置。研究表明，叶片的叶尖每年以0.5cm的速度缩减。 3．主机产生的油污，一方面会附着在叶片表面，影响叶片气动性能，另一方面，可能渗入叶片内部微裂纹，造成叶片分层，开裂。 2.2叶片产生缺陷的类型 2.2.1前缘腐蚀 前缘腐蚀导致翼型的变化，造成发电效率降低，应尽早进行修补。 2.2.2前缘开裂 如果前缘腐蚀得不到及时修复，湿气将侵入前缘空洞中，一旦结冰将导致前缘出现开裂。前缘出现开裂，必须进行停机进行修复，不然将造成蒙皮大面积的撕裂，导致叶片报废。一般来说，超过2m以上的开裂就需要对叶片进行大型的修补或者直接导致叶片报废。 2.2.3后缘损伤 由于叶片后缘厚度较薄，特别是叶尖区域，小于3mm。所以，叶片运输和安装过程中，稍不注意，将会造成叶片后缘分层或者开裂。此类缺陷一般范围较小，但需要及时进行修补，不然损伤位置会沿着叶片弦向撕开，直至梁的位置，这样叶片距离灾难性的实效也就不远了。 2.2.4表面裂纹 当叶片表面出现裂纹以后，水或者湿气将会渗入复合材料中，对复合材料产生一定的影响。特别是叶片balsa三明治夹心区域，水分会腐蚀balsa芯材，导致叶片结构失稳，叶片破坏。 2.2.5雷击损伤 叶片雷击会导致叶片的损伤，同时也会导致避雷器的丢失或者避雷系统的损坏，当雷击再度发生时，叶片很容易遭到破坏。所以叶片遭受雷击后，对叶片避雷系统的检查必不可少。 三． 国内外风电叶片维护现状 3.1叶片维护类型 风电叶片的维护分成两种。一种是头痛医头，脚痛医脚的机动修补；另一种是定期维护。国外成熟风电场的统计数据表明，定期维护的费用比机动修补节省66%。 3.1.1机动修补 当叶片在运行过程中发现非常明显的缺陷后，停运机组，解决叶片的问题。这种方式虽然节省了日常的检查费用，但是问题很可能发生的盛风期，机组的停机将减少风电场的收入。另外，由于损伤较大，需要高额的修补费用才能完成修复，还有可能缺陷发现的不及时导致叶片需要返厂修补，这样造成的经济损失将不可估计。 3.1.2定期维护 在风较小的季节，对风电场的叶片定期进行检查，并形成维护台账。针对前缘腐蚀以及叶片避雷系统进行检查，维护和修补。这样，叶片的损伤程度较为轻微，修补费用相对较低。同时，由于叶片表面的修补，提高了叶片的气动性能，使盛风期具有更高的发电效率。 3.2国内风电叶片维护现状 虽然中国风电装机容量规模增长迅速，但是由于风电入网难，发电能力受风速限制等问题的影响，风电利用率不足1/3。从第一台兆瓦级叶片下线至今，兆瓦级叶片运行时间不足5年，风电叶片的质保期为5年，兆瓦级叶片的事故多发期还没有到来，即使3,5支叶片出现问题，叶片生产厂家也负责包干。以上两个原因造成，国内风电场运行不成熟，风电业主也还没有真正感受风机停机和叶片维修给他们带来的经济上的巨大损失。国内绝大多数风电场，采用机动修补解决叶片运行过程中出现的问题。 目前，由于大部分兆瓦级叶片还在保质期内，叶片运行时间较短，叶片的质量问题还没有完全暴露出来，所以国内风场主要以叶片的售后厂家为主，但是大型的叶片厂均没有把叶片维护保养作为一个重要的业务来做，企业的宣传资料很少提及此部分业务，只有内蒙古航天亿久在网站有所提及，还展示部分案例。 专门从事叶片维护和修补的企业比较典型的企业有3S Lift，沈阳绿新风能设备维护有限公司和上海长知实业有限公司三家公司。 3S lift从事叶片检修平台的生产，获得欧盟颁发的CE安全认证和ISO9000质量管理体系的认证，在北美和欧洲拥有全球合作公司，凭借此平台，成为LM全球战略合作伙伴，Repower长期合作伙伴，其客户还包括TPI，GE，Acciona，Dawntine，华锐，金凤，东汽，北重等。 沈阳绿新风能设备维护有限公司具有十余年的从事风机维修和维护的经验，制定了叶片维修企业标准，发明叶片维修和维护方面的专利四项，公司总经理王玉良在《风能设备》和《风能资源》做过风机叶片维护方面的专题报告，是国内风机维护私营企业代表之一。 上海长知实业有限公司从事风机叶片维修6年以上，成功维修叶片1000支以上，所有维修工程师均通过世界上最大的叶片生产厂商的专业培训。2012年8月24日通过了TUV颁发的ISO9001质量管理体系认证证书，是龙源风电公司在叶片维修领域的长期合作伙伴。 3.3国外风电叶片维护现状 欧洲的风电场运行时间最久，也是世界上最成熟的风电场。欧洲风电业主普遍认为，每两年需要对叶片进行一次检查十分必要，合适的维护从定期对叶片进行检查做起。叶片的预防性检查和外形管理是保证风力发电机在额定功率发电的必要条件。据丹麦一项研究表明：一套风机每年平均维护费用约为1.5%-2%风电设备投资。如果风机定期进行保养，每年将规律支出固定的费用，但是换来的是风机在其寿命周期内保持高效的运行。所以这是一个支出与产出的平衡问题。 损伤的修补和缺陷的处理没有统一的维修模式，也不能仅仅凭以往的经验进行。它需要充分理解叶片结构，叶片的制造工艺以及叶片气动原理。风电叶片的检查，清洁和修补必须由专业人员完成。大部分风电叶片是复合材料制作的，许多情况下，叶片的缺陷是不能够凭肉眼观测发现的，但是内部缺陷很容易在材料内部扩展，导致叶片报废。 目前，在风电叶片的维护和维修方面，技术人员引进了大量先进的技术，降低叶片的维护费用的同时，提高叶片维护和维修的效率，保证风电业主的最大收益。叶片修补的过程中，保证叶片修补效率和修补质量非常重要，但是，随着叶片的不断增大，维修作业人员的安全越来越引起人们的关注。 Bladefence作为专业的叶片检测，维护和维修公司，是北欧第一家获得GL认证的维修公司。GL认证要求其维修质量，维修人员素质，工作方式，维修用材料以及文档系统均符合GL的标准。 WES是美国最大的叶片维护公司之一，专注叶片维护25年，进行叶片定期维护，叶片质保期检查，吊装前检查，专业叶片停机维修和叶片返厂维修等业务。拥有先进的测试设备用于叶片检测，继承MFG64年复合材料加工制造经验和25年叶片代工经验，拥有自己的研发中心和检测中心，自主的复合材料设计能力。 数码透镜摄像机 热像检测仪 数显式低阻欧姆计 超声波转化器 德国弗劳恩霍恩研究所（Fraunhofer institute for factory operation and Automation）开发的RIWEA-叶片清洁机器人，用一条绳子维持自己在叶片的移动，自动喷水清洁叶片表面的污垢，机器人还配备了多种高性能的传感器，包括红外辐射，高清热成像设备以及超声波检测设备等。这样仅需要64min就可以清洁并检测一片叶片，比人工清洁叶片节省3小时的时间。