低温型风力发电机组技术规范(备案稿)分解

CGC 北京鉴衡认证中心认证技术规范

CGC/GF023:2012

CNCA/CTS ××××-2012

低温型风力发电机组技术规范

Wind turbine generator system for cold climate Technical Specification

2012-××-××发布2012-××-××实施

北京鉴衡认证中心发布

目次

前言 .............................................................................................................................................. I I

1 范围 (1)

2 规范性引用文件 (1)

3 术语和定义 (1)

4 符号和单位 (1)

5 通用要求 (2)

6 技术要求 (2)

6.1载荷 (2)

6.1.1总体 (2)

6.1.2环境温度 (2)

6.1.3空气密度 (2)

6.1.4低温环境条件参数的确定 (3)

6.1.5载荷计算及工况定义 (4)

6.2结构设计 (6)

6.3 复合材料和其它材料 (7)

6.4 控制保护系统 (7)

6.5 机械部件设计 (7)

6.6 电气系统 (8)

6.7 加热系统 (8)

7 检验 (9)

8 安装、运行和维护 (9)

8.1 安装 (9)

8.2 运行和维护 (9)

前言

为规范低温型风力发电机组的认证，特制订本认证技术规范。

本技术规范由北京鉴衡认证中心提出并归口。

本技术规范由北京鉴衡认证中心负责解释。

本技术规范主要起草单位：北京鉴衡认证中心有限公司、上海电气风电设备有限公司、新疆金风科技股份公司、浙江运达风电股份有限公司、中材科技风电叶片股份有限公司本技术规范主要起草人：张宇、杨洪源、刘琦、叶杭冶、葛俊豪、陈淳、王际广、孙振军、黄志文

低温型风力发电机组技术规范

1范围

本技术规范规定了低温型风力发电机组适用的温度范围、技术要求、检验、安装、运行和维护等。

本技术规范适用于低温型水平轴风力发电机组。

2规范性引用文件

下列文件中的条款通过本技术规范的引用而成为本技术规范的条款。凡是标注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本技术规范，然而，鼓励根据本技术规范达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本技术规范。

GB/T 1040.5 塑料拉伸性能的测定第5部分：单向纤维增强复合材料的的试验条件GB/T 2423.1 电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验A：低温

GB/T 2423.10 电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验Fc：振动(正弦)

GB/T 2567 树脂浇铸体性能试验方法

GB/T 2900.53 电工术语风力发电机组

GB/T 3355 纤维增强塑料纵横剪切试验方法

GB/T 7124 胶粘剂拉伸剪切强度的测定A

GB/T 18451.1 风力发电机组设计要求（IDT IEC 61400-1:2005）

GB/T 18451.2 风力发电机组功率特性测试（IDT IEC61400-12-1:2005）

GB/T 19073 风力发电机组齿轮箱

GB/T 19960.1 风力发电机组第1部分：通用技术要求

GB/T 19960.2 风力发电机组第2部分：通用试验方法

ISO 2533:1975 标准大气（Standard Atmosphere）

3术语和定义

GB/T 2900.53界定的以及下列术语和定义适用于本规范。

3.1 运行温度operation temperature

设备正常运行允许的环境温度范围。

3.2 生存温度survival temperature

设备设计中采用的极端环境温度范围，在该温度范围内设备不会损坏。

4符号和单位

θmean年平均温度（多年平均温度）[℃]θmin1 最低温度（1小时平均温度的一年一遇最低值）[℃]

θmax1 最高温度（1小时平均温度的一年一遇最高值）[℃]θmin,operation 瞬时最低运行温度[℃]θmax,operation 瞬时最高运行温度[℃]ρ0与θmean对应的平均空气密度[kg/m3]ρ1与最低温度θmin1对应的空气密度[kg/m3]ρc与瞬时最低运行温度θmin,operation对应的空气密度[kg/m3]

5通用要求

5.1低温型风力发电机组认证除应满足GB/T 18451.1的要求外，还应满足本技术规范所有条款的要求。

5.2低温型风力发电机组运行温度为-30℃～+40℃；生存温度为-40℃～+50℃。超出此范围的，应明确注明运行温度和生存温度。

5.3确定低温环境时采用小时平均温度，如果多年（至少10年）观测的结果表明平均每年低于-20℃温度的天数大于9天，则该地区的风力发电机组应考虑低温环境的影响。

5.4选用材料和零部件时应考虑风力发电机组的状态和环境温度。低温环境下，可采用适当措施来增加风力发电机组各系统的环境适应性。

6技术要求

6.1载荷

6.1.1总体

该部分对低温型风力发电机组载荷计算所需参数按照特定场址环境条件和通用环境条件两种情况分别进行了规定。前者用于特定场址机型设计及标准机型特定场址载荷校核；后者用于无确定环境条件下低温型风力发电机组设计，基于此设计的机组需在安装于具体场址之前对其进行特定场址环境条件适用性评估。

6.1.2和6.1.3节分别规定了应由制造商明确定义的环境温度及受环境温度影响的空气密度，其他环境条件应按照GB/T 18451.1-2012第6节中的假定。

6.1.2环境温度

以下外部环境温度应该由制造商明确定义，这些参数将在载荷计算中作为计算条件：θmean，θmin1，θmax1，θmin,operation和θmax,operation。

6.1.3空气密度

以下空气密度指标应由制造商明确定义，这些参数将在载荷计算中作为计算条件：ρ0，ρ1，ρc。

6.1.4低温环境条件参数的确定

6.1.4.1特定场址环境条件

特定场址环境条件的温度和空气密度应该采用场址实测数据，空气密度测量的方法应符合GB/T 18451.2-2012中6.4节的要求，空气密度由公式（1）计算：

（1）

其中ρ10min为计算出的10分钟平均空气密度（kg/m3），B10min为测量的10分钟平均气压（Pa），T10min为测量的10分钟绝对温度（K，其中0℃=273.15K），R为气体常数，R=287.05 J/(kg·K)。

为恰当地确定6.1.2节和6.1.3节所需的环境条件参数，特定场址测量数据应足够多或使用具有良好相关性的长期气象数据进行修正，以保证所得出的最低温度θmin1和相应的空气密度ρ1具有一定的置信度。

如制造商认为有必要，也可自定义低温环境条件，即不采用特定场址环境条件也不采用6.1.4.2节的通用低温环境条件，此时应当对6.1.2节和6.1.3节需要的计算条件参数进行明确定义，并给出合理的定义理由或方法。

按照特定场址环境条件或者自定义低温环境条件设计的低温型风力发电机组，应被划为GB/T 18451.1-2012标准的S等级。

6.1.4.2通用低温环境条件

本节给出通用的低温环境条件，供风力发电机组设计时选用。6.1.5节所需要的计算条件参数可按照本节定义的不同等级低温型风力发电机组进行确定，其中环境温度参数和结冰天数可总结为表1，表中的结冰天数指风轮上带冰的天数。

表1 通用低温环境条件的环境温度参数

制造商还应明确给定风力发电机组设计时预期的海拔高度。表2给出通用情况下，各海拔高度上标准大气的平均气压。当环境温度设定不同时，应使用根据公式1和表2给定的气压计算修订后的空气密度，这种修订假定了气压只随海拔高度而变化。表2所列之外海拔高度下的平均气压，可按照ISO 2533-1975进行假定。

表2 标准大气的各海拔高度与气压的关系

6.1.5载荷计算及工况定义

本节内容在GB/T 18451.1-2012第7章内容基础上给出。

6.1.5.1功率曲线及运行控制算法

在载荷计算中应考虑低温环境条件下空气密度对功率曲线的影响，因此，在载荷仿真计算时应使用根据低温环境条件下空气密度修订过的运行控制算法。该算法应与确定的环境条件相对应。

6.1.5.2机械性能

对温度变化敏感的复合材料部件、橡胶、弹性部件等在低温环境条件下机械性能可能发生改变，从而影响到这些部件的刚度、弹性力以及阻尼等，这些影响应当在确定部件载荷时予以适当地考虑。如果这些影响涉及到风力发电机组传动链的性能，如传动链阻尼、机械刹车性能等，则在载荷计算中应对这些影响加以分析。

6.1.5.3传动链特性

低温环境条件下，如风力发电机组在停机或电网断电情况下机舱内及传动链无法加热，则传动链温度最低可达到θmin1，此时由于润滑油粘度增加会导致风轮空转时的阻力增加，在这种情况下机组处于空转状态时的载荷应当考虑这种影响。如无确切的数据，对于一级行星轮传动、二级平行传动的传动链形式，θmin1温度下低速轴上的传动链机械损失可按照齿轮箱输入端额定扭矩的0.5倍估计；一级行星轮传动的传动链形式则可按额定扭矩的0.4倍估计。其他传动链形式在这种情况下的机械损失应与认证机构协商确定。

对于应用特定场址环境条件的载荷计算，如果极端风速与环境温度的相关性是明确的，那么可在DLC6.1-DLC6.4工况（见GB/T 18451.1-2012）中根据极端风速与环境温度的组合考虑是否应当施加这样的机械损失。如果无法明确极端风速与环境温度的相关性或是采用通用低温环境条件进行载荷计算，则在DLC7.1工况中（如DLC7.1工况按照控制保护系统设计使机组处于空转状态进行计算）应该考虑这种传动链阻力的增加。

6.1.5.4结冰

特定场址环境条件的结冰程度应该根据当地的气象观察进行假定。通常，越往叶尖方向结冰厚度越大。

叶片结冰产生的附加质量应按照下面的方法进行计算：

● 机组裸露在外的非旋转部分假设在其表面形成30mm 厚的冰，且冰的密度为700kg/m 3。对处于静止状态的风轮叶片需要核实结冰程度；

● 风轮旋转状态需要考虑所有叶片结冰及一叶片不结冰两种情况。并需假设叶片前缘结冰的线密度。从轮毂中心位置开始到风轮半径1/2处，冰的线密度从0线性增长到E μ；风轮半径1/2处到风轮外缘，冰的线密度为常数E μ。E μ按照下式进行计算：

min max min ()E E k c c c μρ=??+ （2）

式中，E μ：叶片前缘结冰的线密度（kg/m ）;

E ρ：冰密度（700kg/m 3）

10.006750.3exp(0.32/)k R R =+-[-]；

R ：风轮半径[m]；

1R ：1米[m];

max c ：最大弦长[m];

min c ：由叶片外形轮廓线性推算得到的叶尖弦长[m]

建议制造商根据设计需求自行定义结冰厚度以及结冰时的风轮最大不平衡质量，其中最小弦长min c 应不小于叶片沿展向95%处的弦长。

在载荷计算时宜考虑结冰对叶片翼型气动性能的影响。所作的结冰工况假定和计算方法应与认证机构协商明确。

低温环境条件下的结冰工况，包括极限工况和疲劳工况。

6.1.5.5工况组合

环境温度及对应的空气密度与工况的组合通常情况下按照下述原则加以考虑：

风力发电机组正常运行状态下的疲劳工况及相关的极限工况，在θmean 温度下计算； 极限工况中的正常风况（NTM ，NWP ）应考虑与θmin1的组合可能。风力发电机组正常运行状态应考虑与θmin,operation 的组合。如果风力发电机组的控制系统用于监测环境温度的传感器会受到加热部件的干扰，致使机组可能在低于θmin,operation 温度情况下仍然运行的，这些工况的环境温度应按θmin1考虑；

使用50年一遇风况条件的工况，应与θmean 组合。在特定场址环境条件计算时，如果极端风速与环境温度的相关性可以明确，则应使用相关组合；

如计算地震等特殊环境条件的工况，这些工况应与θmean 组合；

运输、安装和维护工况按制造商在相关操作手册中给出的环境温度限定值加以考虑。如未定义，则按照θmin1考虑。

参考GB/T 18451.1-2012，表3给出了一般情况下低温型风力发电机组各种载荷工况与环境温度和空气密度的组合。

注：考虑结冰情况时应增加DLC1.10工况，该工况用于极限载荷统计和疲劳载荷累计，风况为NWP，疲劳载荷累计时不同等级风力发电机组的结冰天数应符合表1的定义。

6.2结构设计

6.2.1应通过计算或试验来验证低温型风力发电机组结构部件在生存温度范围内的完整性。

6.2.2结构强度设计时应考虑低温环境引起的风力发电机组载荷和结构承载能力的变化。低温环境引起的载荷变化主要在本规范5.1节中考虑，另外还应注意低温环境引起的结构内部载荷增大和重新分布。结构承载能力的变化主要取决于低温对材料特性，如弹性模量、泊松比、热膨胀系数等的影响，如果温度对材料性能有显著的影响，并影响结构可靠性，则应验证在生存温度范围内结构是安全的，且对相关部件的影响在可接受范围内。

6.2.3如果结构部件设计选用的材料性能不同于相关材料标准规定的温度范围，则材料的性能要求应在图纸或技术规范中明确，并通过试验验证。

6.2.4应保证低温环境下结构的断裂韧性要求。对于承受动载荷的铸铁件、锻件、铸钢件和不锈钢件，在其受动载时可能处于的最低环境温度下，材料应满足相关标准规定的低温冲击功要求。对于锻件、铸钢件和不锈钢件，若无标准值，低温冲击功应满足KV≥27J，对于铸铁件，低温冲击功应满足平均值KV≥10J，最小值不得小于7J。

6.2.5结构的断裂韧性也可以通过断裂力学方法来验证，采用断裂力学方法时初始缺陷尺寸应与无损检测要求相适应，并考虑设计寿命期内裂纹的扩展。

6.2.6 应保证焊接结构在最低生存温度下的断裂韧性要求。其中焊接工艺、焊接材料的选取、焊缝检验以及焊后热处理应符合相关标准的规定，并满足低温环境要求。焊接结构的母材应保证最低生存温度下的断裂韧性，这可以通过选材来实现。

6.2.7应保证高强度螺栓在最低生存温度下的断裂韧性要求，如果最低生存温度低于螺栓标准给出的温度范围，需验证螺栓的适用性。

6.2.8塔架和基础设计，应按风力发电机组的最低温度θmin1采用满足低温环境使用要求的材料。同时应参照相关标准制定低温环境下的施工工艺。

6.2.9应考虑低温环境预应力和装配配合量发生变化对结构设计的影响。

6.2.10人员抵达的地方应考虑防滑设计。

6.2.11电气设备应考虑低温凝露对爬电距离的影响。

6.3 复合材料和其它材料

6.3.1纤维增强塑料

纤维增强塑料除满足相关标准中的性能指标要求外，还应满足如下要求：

—树脂和胶粘剂应分别按GB/T 2567和GB/T 7124进行生存温度下拉伸剪切强度测试；

—单向纤维增强塑料应按GB/T 1040.5进行生存温度下单向层合板平行于纤维方向拉伸测试，确定其抗拉强度、失效应变和弹性模量；

—双轴向纤维增强塑料应按GB/T 3355进行生存温度下±45°层合板纵横剪切测试，确定其剪切应力和剪切模量。

—低温环境下，基体树脂的断裂延伸率应不小于增强材料断裂延伸率的1.5倍。

—低温环境下，胶黏剂的断裂延伸率应与叶片的最大变形匹配。

6.3.2润滑脂、润滑油和冷却液应满足低温要求。

6.3.3风力发电机组的密封材料（毛刷、密封垫和密封胶等）在风力发电机组生存温度下不应失效。

6.3.5保温材料应具备阻燃性。

6.4 控制保护系统

6.4.1控制与保护系统应在低温型风力发电机组运行温度范围内正常工作，在低温型风力发电机组生存温度范围内不应丧失保护功能。

6.4.2控制系统应对各系统进行检测和判断，各系统内部温度应高于各自运行温度。

6.4.3控制系统应具备关键部位温度监控功能。

6.4.4保护系统应考虑加热装置和温度测量装置可能发生的故障。

6.4.5配有机舱加热器的低温型风力发电机组，机舱内应设置火灾报警装置，火灾报警信号应送至控制系统进行监控。

6.4.6风力发电机组处于低温环境时，宜降低启停次数，优化制动过程降低冲击载荷。

6.4.7风力发电机组应制定低温启动、运行、停机控制策略。

6.5 机械部件设计

6.5.1应考虑温度对轴承游隙选取和润滑剂性能的影响。在生存温度范围内润滑剂应满足轴承润滑要求和防腐要求。

6.5.2齿轮箱应符合GB/T 19073的要求。

6.5.3风力发电机组进行型式认证时，齿轮箱在机组低温启动时的起动功能应通过试验验证，试验中应尽可能模拟实际的环境条件和安装情况，如考虑机舱内辐射和对流产生的加热影响、安装角度等。

6.5.4设计变桨和偏航驱动时应考虑低温环境下润滑脂性能和油脂黏度变化对变桨和偏航力矩的影响，风力发电机组进行型式认证时，变桨和偏航驱动在设计运行温度下的起动性能应通过试验验证。

6.5.5如果通过变桨实现安全功能，设计运行温度范围内的变桨性能应通过试验验证。

6.5.6液压系统应满足低温要求。在运行温度下应对液压系统进行功能测试和压力水平测试；在生存温度下应对液压系统进行耐低温生存检测。

6.5.7刹车系统应满足设计使用温度下的要求。应验证机械刹车制动在运行温度下的摩擦值。

6.5.8自动润滑系统应满足低温环境下油泵和油路的正常工作。

6.5.9机舱设计应满足低温环境下的保温和密封，同时考虑通风散热。

6.5.10冷却系统防冻液冰点应低于低温型风力发电机组最低生存温度5℃。

6.5.11橡胶弹性减振装置，应保证在生存温度下的机械性能。

6.6 电气系统

6.6.1电气元器件应满足低温型风力发电机组生存温度要求。在电气各子系统启动前，各子系统的环境温度应达到其允许的运行温度。温度试验方法应符合GB/T 2423.1规定。

6.6.2 对于CC1和CC2等级的低温型风力发电机组，控制系统宜能监测关键部位的结冰情况；对于裸露在机组外部的风速、风向仪，在低温环境下应能正常工作。

6.6.3安装在柜体内部的电气设备，应满足在低温环境下的生存能力，当温度升高到起运行温度时，电气设备不应失效。

6.6.4电气柜：

—电气柜可配备加热系统将电气柜内部温度加热至元器件所需的运行温度；

—电气柜应配置适当的密封和保护罩以控制内部温度达到相对稳定；

—应通过计算或测试确定电气柜内加热系统的合理容量。

—电气柜内部，各种材料应具备阻燃能力。

6.6.5发电机、电动机应满足相应的低温要求。发电机启动前应监测温度并充分预热。

6.6.6电气元器件应能在低温环境下正常运行，特别是下列元器件：

—开关装置；

—各种蓄电装置；

—传感器（包括测风传感器、转速传感器、振动传感器、温度传感器、电压互感器、电流互感器等）。

控制单元和测量装置应考虑工作温度，对于无法满足运行温度的控制单元和测量装置应采取适当加热措施。控制单元和测量装置应在低温型风力发电机组生存温度下生存。

6.7 加热系统

6.7.1加热器应具备过热保护功能。加热系统控制装置应有可靠的超温保护及必要的电气保护设施。

6.7.2适当布置加热器和选用适当加热功率，保证加热部件具有适合的温度和温度上升速率。

6.7.3加热器振动试验应符合GB/T 2423.10规定。

6.7.4加热系统应在-30℃能投运，在-40℃生存。

6.7.5低温型风力发电机组在低温时段停机时机舱加热装置可保持运行状态，以保证齿轮箱、发电机、主控制系统、变桨控制系统、变流器、滑环等部件不致损伤。

6.7.6低温加热系统应能将齿轮箱、发电机、电控柜等部件升温至预定温度，满足风力发电机组冷启动和再启动条件。

6.7.7加热器故障信号及温度传感器故障信号应传至控制室，运行人员应参与监控。

6.7.8温度传感器应能准确检测-45℃以下的低温，精确度在±1℃内。温度传感器避免安装在热源直接热辐射范围内。

6.7.9机舱加热系统发热装置应远离电缆、橡胶、工程塑料、油料等。

7检验

7.1低温型风力发电机组出厂时应按表4进行出厂检验，型式认证时应按表4进行型式检验。表中的型式检验外部环境温度应小于等于-25℃。

7.2其它应符合GB/T 19960.1和GB/T 19960.2的规定。

8安装、运行和维护

8.1 安装

8.1.1应考虑低温环境和冰雪环境中作业时的人员安全。

8.1.2低温环境下，工具和设备的使用应符合相应的规范和要求。

8.1.3应根据供应商规定的扭矩或拉力安装紧固件。如果环境温度超过规定的安装温度范围，应按实际情况对安装力矩或拉力进行适当调整。

8.2 运行和维护

8.2.1编制低温环境工作人员安全规定，应注意风力发电机组表面覆冰情况。

8.2.2低温环境下维护，维护人员应进行安全技能培训，并佩戴低温安全防护设备。

8.2.3风力发电机组安全标识应增加低温专用标识，例如防冻或防烫标识。

8.2.4运行手册中应规定冷启动和再启动的机舱温度条件（如果有）或/和其它局部加热装置的温度条件。

8.2.5低温环境下运行应注意火灾报警信号、结冰信号（如果有）、加热器故障信号和温度传感器故障信号，一旦出现，应由操作者监控。

8.2.6维护手册中应增加低温环境下风力发电机组调试、运行、检查和维护程序。

8.2.7风力发电机组内部维护工作一般宜在环境温度不低于-30℃下进行，外部维护工作一般宜在环境温度不低于-25℃下进行。

8.2.8由于结冰加大结构损坏风险，低温运行中，应规定覆冰停机条件，增加巡查次数，制订应急计划。

8.2.9风电场内应设置落冰警示标志。叶片结冰和落冰期避免人畜接近风力发电机组。