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挖掘价值 举一反三 风电事故分析应该这么做

日期:2022-05-20    来源:鉴衡认证

国际风力发电网

2022
05/20
09:30
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关键词: 风电事故 风电技术 风电产业

随着风电技术的进步和配套产业链的逐步完善,我国风电设备制造、项目开发都达到了全球先进水平。尽管如此,近年风电事故时有报道,作为以新能源为主体的新型电力系统中不可或缺的组成部分,从有限的事故经验中充分挖掘价值,采取有效措施举一反三,进而建立风电机组安全风险防控机制、加强安全薄弱环节的监管工作,不仅是风电产业健康有序发展的必要手段,更有助于建设安全稳定的新能源电力系统。

本文将从宏观统计角度、事故分析角度、风险防控合作机制等开展分析,并提出解决方案供探讨。

一、事故类型

通过收录和分析国内外案例,鉴衡建立了我国最全的风电事故数据库(截止到2022年5月)之一。基于数据库,我们对风电事故特征及根因进行分析,以期为预防事故发生、提升项目质量寻找可行性解决方案。

从类型看,风电事故类型主要分为风机倒塔、部件失效、机舱着火、其他故障,对应占比分别为27%、52%、8%、13%,其中失效部件主要包括叶片、塔架、高强螺栓、齿轮箱、发电机、主轴承、基础、偏航、其他部件,对应占比分别为44%、10%、11%、7%、7%、6%、5%、3%、7%。近些年风电事故类型虽然众多,但主要事故类型相对集中,研究解决倒塔和主要几类部件失效便可以消除绝大多数风电事故。

从事故原因看,引起各类事故的主要原因以及其分布各不相同,但都包含在环境、设计、制造、控制&安全链、运输、安装、运维等因素中。以两类占比最大的事故类型为例,风机倒塔按照上述因素分类占比分别为8%、14%、20%、35%、1%、17%、5%,部件失效按照上述因素分类占比分别为11%、9%、47%、10%、4%、14%、5%。数据库结果显示风机倒塔原因主要分布在控制&安全链、制造、安装三个因素,部件失效原因主要分布在制造、安装、环境三个因素,剩余其他因素分布相对均衡。

同时可以看出,风电机组靠研发设计和型式认证保证安全性的认知是片面的,必须从风电全生命周期出发,通过特定场址评估、风电项目评估认证、吊装监督等系列配套措施为风电安全提供保障。

二、如何开展事故分析

当风电场运行过程中遇到具体事故,开展分析应遵循以下两个原则:

快速、准确得出结论,为保险理赔、恢复生产等提供足够时间与技术支撑;

尽可能降低用户损失,分析过程既不能一叶障目仅关注具体损坏部件,也不能把所有环节和系统部件全部排查;事故分析的结论应具备可操作性,有助于项目恢复、设备复用及相关机型的事故预防。

首先,全面分解风电机组可能引发失效与事故的可能因素,并将这些因素结合专业技术分类,建立既相对独立又有机联结的分析模块。这一步至关重要,决定了后续分析方向正确性与分析效率,需由对风电技术具备全面且深入理解的专业人员完成。

其次,对在各个模块内同步开展调查分析工作,这一步是事故分析中最主要的工作内容。通常情况下分析模块涉及的专业较多并且分析必须具有专业深度,需要承担分析工作的团队具有非常完备的技术储备。

第三步,对各个模块结论进行综合分析得出结论,经历上述过程通常能得出所需根因,极少数未得出所需结论的情况可通过迭代进行第二轮分析。

最后对事故过程进行还原复现,针对事故根因以及复现出的环节薄弱点,提出系统性的整改措施和计划的建议,用于建立完整的事故预防屏障。

需要注意的是,风电机组事故发生后,并非所有部件系统均失效,多数部件仍可复用,但必须经过专业的可用性分析评价。专业的评价能够在保证安全性的前提下,提高复用率,减少事故损失。

三、案例分析

以鉴衡开展的一项事故分析为例。

2021年某风电场1.5MW风电机组发生倒塌事故,鉴衡根据了解到的机组倒塌情况和相关背景信息,采用故障树分析方法(Fault Tree Analysis, FTA)对该机组倒塌事件失效原因进行分解,建立了材质检测、运行数据分析、载荷仿真、结构校核等分析模块。

对塔架相关的材质进行检测分析,包含筒体本身、螺栓、断口,具体取样需依据现场塔架具体破坏位置及形式进行取样分析。

例图:螺栓疲劳断口宏观和微观特征

机组数据可还原机组事故当时及之前的状态、过程,并对原因判断提供重要依据;对机组的PLC数据进行提取,并对收集到的事故机组及风电场其他机组的SCADA、PLC、故障记录数据进行分析。

例图:倒塔前后时刻振动与变桨数据时序图

依据现场勘查、材质检测、数据分析的结果,确定事故前、事故当时机组所处的运行状态、风况条件等信息,并通过载荷仿真的手段,依据机组设计标准,仿真分析计算机组事故前及事故当时各个主要位置(塔架、轮毂、叶片等)所承受的载荷情况,用于后续的结构计算工作。

例图 事故前后塔架折断高度位置载荷情况

依据载荷分析计算的结果,采用有限元分析或工程算法的方式,针对塔架进行重新建模,利用风电场剩余寿命周期内的场址载荷条件,进行塔架结构强度校核工作,确定塔架在当时载荷下是否发生破坏。

例表  超速情况与正常情况下机组极限载荷对比

结论:通过上述模块分析,现场机组未对风轮转速进行监测,机组运行中出现异常,导致风轮超速,进而机组出现大的极限载荷致使塔架屈曲失效,是本次事件的主要原因。

(*信息涉密缘故,未描述各个模块具体分析过程)

事故过程复现:

齿轮箱扭力臂螺栓发生疲劳断裂,扭力臂发生位移错动,导致联轴器承受异常载荷并断裂失效,发电机端输入扭矩丢失,此时叶片未顺桨,因此风轮转速快速上升风轮超速,随着转速不断上升,机组触发安全链停机,在风轮超转速和安全链停机动作下,机组出现超极限载荷和振动,使得塔架在屈曲薄弱位置处发生屈曲失效,机组随后倒塌。

齿轮箱弹性支撑连接螺栓疲劳断裂可能的原因为弹性支撑老化失效后螺栓预紧力松弛、机组或传动链异常载荷、螺栓设计强度不够、装配缺陷等。

事故整改措施建议:

对同一风电场其他机组增加风轮转速监控,当风轮转速超速时可进行告警、报故障和安全停机。

对风电场其它机组联轴器、齿轮箱弹性支撑及其连接螺栓进行排查,以确定是否存在异常情况。

对传动系统振动进行监测,以确定机组运行过程中传动系统是否存在异常振动。

虽然事件发生时机组报出了振动异常,但在事件发生前并未见机组明显振动异常,振动传感器的灵敏度存在疑问,建议对振动传感器进行校验,以确认其测试的准确性。同时,根据参考校验结果对振动保护定值进行优化,目前振动保护值偏大。

事故后可用性分析:

对该机组现有基础的状态进行检测,基础承载能力满足要求、基础环水平度满足后续使用要求、混凝土抗压强度满足施工图设计文件C35混凝土的强度要求。

对基础锚栓及基础环进行无损探伤工作, 风力发电机组的基础环上法兰环缝和筒体纵缝(露出混凝土地面500mm范围的纵缝)焊接接头的超声波和磁粉检测,结果分别符合NB/T 47013.3-2015Ⅰ级要求和NB/T 47013.4-2015Ⅰ级要求。同时指出检查中发现的问题并提出优化措施。

例图:风机基础可用性检测

四、事故分析联席合作机制

风电开发涉及相关方众多,除了开发商、总包方、设备厂商,还会涉及政府、保险等机构,事故发生后如何组织事故根因分析的工作是各方都在考量的问题。这时通常由第三方开展事故分析,能够减少各方信息壁垒,消除各方顾虑。如何选择合适的第三方,需要从以下三点考虑:

开展分析的技术团队的专业性是否足够全面、深入,这是保证事故分析顺利开展最基本的条件;

开展相关事故分析的经验和数据积累是否丰富,拥有完善的事故分析机制和失效数据库支撑;

深度融合风电行业,有能力和条件从行业层面举一反三,减少整个行业事故的发生。

技术防控体系+联席合作机制

鉴衡开展风电设备认证、检验检测工作及相关标准研究近20年,对超10000台在役机组进行了检验检测,并积累了全球超300例事故案例数据,形成了独有的风电故障类型及失效成因数据库,今年鉴衡提出了完善的Bow-Tie事故原因分析与风险防控体系,建立完善的事故分析、风险预防、风险管控机制,开展事故根因分析和定损定责、协助政府开展安全监管、推动风电技术完善。

凭借高效公正的事故鉴定技术能力,鉴衡在部分风电保险的招标环节即锁定【定责人】角色。事故分析报告的高效采信,能够快速推动风电场恢复生产,并且支持保险机构的理赔流程闭环,为风电开发企业最大限度降低事故损失提供了技术与协调支撑。

鉴衡数字化工具linkWind基于标准归整上述运营数据,并结合独有的各机型设计期望数据,形成受监管风电场“机型数据库+运行数据库+检测数据库”,为安全风险诊断、安全事故预警、安全问题督办等政府安监工作提供数字化基础,为“红线监督管理”提供技术工具。

尾声

我国风电行业历经近40年的发展,逐步开始引领全球风电的发展,如今已成为实现碳达峰碳中和目标不可替代的能源形式之一。事故的发生,究其根本原因,既有产业高速发展过程中底层技术不够扎实的缘由,也有产业链配合机制、监管机制不完善带来的挑战,事故分析只是第一步,汲取事故教训、挖掘事故价值,从而建立足够的止损机制、风险防控机制才是产业发展的核心命题。面对势不可挡的形势,既要顺应历史趋势加速发展,更要正视发展中面临的挑战,在难题的解决中推动风电成为安全稳定主力能源。

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