Опыт монтажа и эксплуатации ветроэнергетических установок

Генератор ВЭУ асинхронный, четырех-шестиполюсный, переключаемый. При мощностях до 100 кВт (скорости ветра до 7 - 8 м/с) генератор работает как шестиполюсный, а при возрастании мощности автоматически переключается в четырехполюсный режим. Кроме того, при пусках генератор включается в двигательном режиме, тем самым достигаются синхронные обороты, а соответственно и синхронная частота с сетью.

Лопасти выполнены из стекловолокна с поворотными концами, которые служат аэродинамическими тормозами при остановке ВЭУ.

Система управления, состоящая из системы программного управления SPS (контроллера) гондолы, системы программного управления SPS (контроллера) башни и промышленного компьютера, которые объединены в единую сеть со скоростью передачи информации 1,2 Мбит/с, позволяет полностью исключить присутствие персонала на станции. С помощью программы удаленного доступа можно осуществлять просмотр работы ВЭУ, вносить корректировки и др.

SPS гондолы управляет: тормозным устройством ротора и системой разворота по ветру, масляным насосом и системами охлаждения масла и генератора, системой подогрева масла. Она также фиксирует все данные, получаемые в зоне гондолы, и передает их в систему программного контроля SPS башни. SPS гондолы осуществляет сбор данных о скорости и направлении ветра, температурах рабочих узлов и передает их в компьютер.

Система программного контроля SPS башни, получая данные от всех узлов ВЭУ, от SPS гондолы и от рабочей ЭВМ, непосредственно запускает и отслеживает выполнение всех рабочих и переходных процессов ВЭУ и отдает SPS гондолы соответствующие приказы. Она контролирует мощностные характеристики и состояние всех систем, находящихся в башне ВЭУ.

В течение 2000-2001 гг. было выполнено проектирование, строительство, пусконаладка станции.

Первоначально планировалось поставить все ВЭУ на свайный фундамент с монолитным железобетонным ростверком, но уже при забивке железобетонных усиленных свай длиной 12 м в пробуренные лидерные скважины для фундамента под ВЭУ № 1 возникли сложности. Сваи не удавалось забить на проектную глубину. Пришлось увеличить их число до 30 и в итоге для ВЭУ № 2 - 4 перейти на фундамент неглубокого заложения с монолитным ростверком по монолитной фундаментной железобетонной плите размерами 7,5 х 7,5 м и толщиной 2 м. Это привело к задержке строительства фундаментов и для ускорения набора прочности последних было применено пропаривание с помощью передвижных паровых установок (ППУ) на базе автомобилей.

Рис. 2.   Конструкция гондолы ВЭУ:

1 - редуктор; 2 - дисковый тормоз; 3 - система смазки редук­тора; 4 - генератор; 5 - система охлаждения генератора и мас­ла редуктора; б - гидравлическая система тормозов и закры­лок; 7- шкаф управления гондолой; 8- система измерения на­правления и скорости ветра; 9 - система разворота по азимуту (на рисунке не видна).

При монтаже установки ЕТ 550 потребовался кран, способный поднять гондолу массой 40 т на высоту 40 м. Подходящий кран на тот момент удалось найти в Республике Татарстан - это 300-тонный кран с разборной фермовой стрелой. Его доставка на место монтажа, сборки и разборки при переходе от одной ВЭУ к другой, организация монтажной площадки из железобетонных плит под кран и простои, связанные с невозможностью работы крана при большой силе ветра, создавали определенные трудности и удлиняли время монтажа.

Следующая трудность возникла при монтаже третьей лопасти к втулке гондолы. Гондолы с прикрепленной втулкой и двумя лопастями были смонтированы и находились на высоте 40 м. Возникла необходимость в двух кранах со стрелой более 45 м. Один - для подъема лопасти, другой -для подъема люльки с людьми для монтажа. При первых попытках монтажа лопасть сильно раскачивало и даже при скорости ветра у земли 1-2 м/с ее монтаж был невозможен. Пришлось делать приспособление, которое крепилось к лопасти и с помощью растяжек позволяло удерживать ее от раскачивания. Все работы по монтажу приходилось выполнять самостоятельно, так как в момент монтажа у фирмы HAG уже не было специалистов по монтажу механической части.

Монтаж, наладка электротехнического оборудования, подготовка к пуску первой ВЭУ и частичное обучение проводились зимой 2000/01 г. под руководством шеф-инженера фирмы HAG, но, когда подошло время пробных пусков, фирма-изготовитель перестала существовать, а инженер HAG отказался брать на себя ответственность по пускам. И в результате, пусконаладочные работы проводились самостоятельно. В мае 2001 г. были запущены все ВЭУ, и до конца года велась проверка режимов работы, их доводка с одновременным самообучением персонала. В начале 2002 г. ВЭС была принята в опытно-промышленную эксплуатацию.

За время эксплуатации в 2002 - 2003 гг. ВЭС выработала 2,5 млн. кВт-ч, при этом коэффициент использования установленной мощности составил 6,4%. Столь малая выработка связана с многочисленными поломками отдельных узлов, заводскими дефектами и конструктивными недостатками ВЭУ (из четырех ВЭУ одна всегда, а временами и две, находятся в ремонте), а не с ошибкой при выборе площадки. Средняя скорость ветра на высоте оси ветроколеса составила 6,1 м/с, что соответствует расчетной. Например для ВЭУ № 4, которая меньше всего простаивала из-за дефектов, выработка составила чуть более 1 млн. кВт-ч и коэффициент использования установленной мощности составил 10%, что почти в 2 раза выше, чем у ВЭУ №1,3.

При эксплуатации выявились недостатки, отсутствие которых, даже несмотря на поломки, позволило бы увеличить ежегодную выработку ВЭС на 30-40%.

Первый недостаток - неправильная установка под руководством шеф-инженера угла атаки лопастей, приводящая к несоблюдению рабочей характеристики ВЭУ (рис. 3). При скорости ветра более 15 м/с ВЭУ вместо того, чтобы держать мощность в диапазоне 550 - 600 кВт, набирает мощность более 600 кВт и в результате останавливается защитой генератора по максимальной мощности. Данный недостаток устраним, если установить лопасти на больший угол атаки или изменить конструкцию ВЭУ и применить систему автоматического изменения угла атаки лопастей.

Второй недостаток - это недостаток программы управления. ВЭУ в автоматическом режиме из состояния покоя запускается только в шестиполюсный режим работы генератора. В случае, когда ВЭУ по какой-либо причине остановилась и скорость ветра более 10 м/с, она не может запуститься. При скорости ветра более 10 м/с при пуске мгновенная мощность ВЭУ составляет более 180 кВт, что приводит к срабатыванию защиты от перегрузки генератора в шестиполюсном режиме. Поэтому существует верхняя уставка для пуска по скорости ветра, равная 10 м/с. А пуск ВЭУ в режиме четырехполюсного генератора, минуя шестиполюсный, в программе не реализован.

Октябрьскими электрическими сетями Башкир-энерго совместно со службой перспективного развития Башкирэнерго опробована доработанная программа контроллера, которая в целом позволяет запускать ВЭУ при скорости ветра более 8 м/с в четырехполюсный режим работы. Но и в этом случае при скорости ветра более 15 м/с ток генератора на оборотах синхронизации во время запуска слишком большой, и в результате генератор отключается от сети.

При отсутствии первого недостатка второй можно было бы не устранять, так как при большой скорости ветра ВЭУ не останавливалась бы из-за перегрузки генератора и не возникала бы необходимость пускать установки при снижении скорости ветра до 10 - 12 м/с.

Применение системы автоматического регулирования угла атаки лопастей позволило бы организовать с помощью АСУ ТП ВЭУ переход при низкой скорости ветра установки в режим авторотации. В результате значительно сократилось бы время на остановы, пуски и выполнение пусковых условий, т.е. практически исключаются понятия "пуск" и "останов" ВЭУ. Такая система, например, организована на ВЭУ датской фирмы Vestas V29.

Есть также ряд других недостатков в программе контроллера. Например, функция "прогон масла редуктора по замкнутому контуру" реализована как функция времени, а не как функция температуры масла редуктора. Поэтому приходится изменять эту функцию в зимнее время. Также отсутствует возможность перевода ВЭУ из "ручного" сразу в "автоматический" режим работы без перехода в режим полной остановки. Не активизированы команды о переводе из шестиполюсного режима в четырехполюсный режим работы и наоборот вручную; эти команды прописаны в программе и выполняются только автоматически.

Третий недостаток - невозможность работы ВЭУ при температурах ниже минус 20°С, что связано в основном с выполнением втулки ветроколеса из материала, не рассчитанного на работу при низких температурах. Остальные недостатки, связанные с низкими температурами, устранимы с помощью ряда доработок.

Во время эксплуатации часто происходят износ тормозных колодок и даже вырывание их из посадочных мест и повреждение самих тормозов; требуется замена гидравлических шлангов внутри лопастей (для чего привлекались сотрудники МЧС), возникают также поломки заводских и изготовленных новых тормозных муфт для системы разворота гондолы по азимуту, валов для редукторов в той же системе. Существуют проблемы с системой гидравлики, которая плохо работает при темпера­турах ниже минус 5°С. Кроме того, отсутствует возможность открывать базу данных по ретроспективе, что не позволяет детально анализировать работу ВЭУ и заранее предотвращать поломки и неисправности. База данных ведется в формате Oracle 7.0, а структура базы неизвестна.

Рассмотрим более детально некоторые из перечисленных недостатков.

Тормозные колодки, изготовленные в Германии, свой ресурс в 2 года исчерпали. Мы были вынуждены ставить тормозные колодки, изготовленные на отечественном предприятии, с применением фрикционного материала "ферродо", имеющего другие характеристики. Материал "ферродо" тормозных колодок плохо выдерживает нагрузки на высоких оборотах, что приводит к быстрому истиранию слоев (примерно через 1 мес); большой запыленности тормозов ротора (более частого техобслуживания); излому по местам крепления "ферродо" с помощью заклепок к основе тормозной колодки. Кроме того возникает еще одна проблема: заклепки изготовлены из алюминия, который при нагреве становится вязким и налипает на тормозной диск, т.е. диск становится шероховатым, что опять приводит к быстрому износу колодок.

При колебаниях гондолы относительно башни возникают поперечные нагрузки на поршень гидроцилиндра тормоза системы разворота гондолы по азимуту, вызывающие заглубление рабочей поверхности боковых стенок поршня и гидроцилиндра. Это приводит к последующему заклиниванию поршня внутри гидроцилиндра и к необходимости ремонта тормозов. Поэтому необходимы меры по снижению вибрации и ее последствий для уменьшения расходов на ремонт оборудования. Первоначально мы считали, что высокая вибрация происходит при остановах ВЭУ и это связано со свайным выполнением фундамента. Но уже в процессе длительной эксплуатации выяснилось, что причина повышенной вибрации в неправильном угле атаки у одной лопасти (отличном от угла на двух других лопастях) из-за неправильной установки (наклейки) на данной лопасти лимба на заводе-изготовителе и вследствие этого - неправильного монтажа.

Гидроцилиндры гидравлической системы при отрицательной температуре постепенно начинают течь, что можно объяснить двумя причинами. Первая - непредусмотренный производителями диапазон температур атмосферного воздуха в России. А так как материалы, из которых изготовлены гидроцилиндр и поршень, имеют различные коэффициенты расширения, то образуется зазор, с которым не может справиться прокладка, и в результате появляется течь. Но этот случай наблюдается крайне редко при температуре ниже минус 30°С. Второй из возможных причин течи гидравлической жидкости (масла) является ее гигроскопичность. Применяется масло отечественного производства, и проверка на наличие воды показала ее присутствие. В этом случае происходит кристаллизация льда на стенках гидроцилиндра, что при перемещении поршня приводит к деформации прокладок с последующей утечкой масла.

При монтаже ВЭУ были поставлены управляющие ВЭУ компьютеры с оперативной системой, не работающей после 2000 г. Два компьютера заменила фирма - производитель ВЭУ и два других компьютера были заменены поставщиками ВЭУ

Также при эксплуатации потребовалась гарантийная замена электромагнитных клапанов в гидравлических системах, устройства регулировки пусковых токов и др.

Все перечисленные проблемы осложняют работу ВЭУ и снижают показатели выработки электроэнергии. По нашему мнению, если бы были правильно установлены углы атаки лопастей и не возникали бы дефекты из-за хранения установок в течение 5 лет на складе изготовителем, то выработка ВЭС была бы в 2 - 2,5 раза больше существующей.

Несмотря на многочисленные трудности, возникшие при эксплуатации первой ВЭС в республике, Башкирэнерго продолжает прорабатывать вопросы, связанные со строительством ВЭС. В течение 2 лет на юго-востоке республики, в Зауралье ведется изучение ветрового потенциала и выбор мест возможной установки новых ВЭУ, для чего применяется автоматизированный измерительный комплекс, позволяющий определить скорости ветра на высотах 20, 30 и 40 м.

На основании полученного опыта эксплуатации Башкирэнерго составило требования (критерии), которым должны соответствовать ВЭУ для районов Урала. Основными из них являются:

1. Номинальная мощность 200 - 300 кВт, высота башни не более 40 м и масса гондолы не более 30 т - это в большей степени связано с трудностями в поиске крана необходимой грузоподъемности и транспортировки ВЭУ.

2. Номинальная скорость ветра ВЭУ - 11-13 м/с, скорость ветра включения ВЭУ - 2,5-3,5 м/с, генератор четырех-шестиполюсный или многополюсный совместно с инвертором, регулирование скорости вращения (мощности) - изменением угла атаки лопастей (pitch control). Это позволяет обеспечить максимальную выработку как при малых, так и при больших скоростях ветра.

3. Минимальная рабочая температура до минус 30°С (большинство иностранных ВЭУ могут работать до минус 15°С).

Выводы

1. В отдельных районах Республики Башкортостан, где среднегодовая скорость ветра около 6 м/с, возможно строительство ВЭС.

2. ОАО Башкирэнерго получило неоценимый опыт монтажа, пусконаладки и эксплуатации ВЭУ.

3. На основе опыта монтажа и эксплуатации разработаны требования к ВЭУ при их выборе.