目前，中國風(fēng)電行業(yè)整機(jī)生產(chǎn)廠家眾多，競爭激烈。生產(chǎn)廠家為了迎合業(yè)主、滿足低風(fēng)速地區(qū)的風(fēng)電開發(fā)需求，不斷推出長葉片機(jī)型，有的生產(chǎn)廠家為了增加銷量和滿足風(fēng)電企業(yè)的機(jī)組利用小時數(shù)需求，還推出了加長葉片的老機(jī)型改造。但如不顧及風(fēng)電場風(fēng)況條件、機(jī)組及部件壽命、故障率和遠(yuǎn)期維護(hù)成本等因素，而片面地增加葉片長度，必將事與愿違，影響企業(yè)的長期收益，甚至危及行業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展。

根據(jù)中國風(fēng)能協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)， 2008年以前，風(fēng)輪直徑在 70m以下的 1.5MW型機(jī)組的裝機(jī)量一直處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。在 2014年、 2015年安裝和投運(yùn)的機(jī)組中，風(fēng)輪直徑在 93m及以上的 1.5MW機(jī)組已經(jīng)占絕大多數(shù)；風(fēng)輪直徑 82m以下的 2MW風(fēng)電機(jī)組在 2009年以前的新增裝機(jī)容量一直保持高速增長 ,而在 2013年、 2014年、 2015年風(fēng)輪直徑為 100m、105m、108m、110m、114m、115m、116m、 118m、120m、121m的 2MW機(jī)組陸續(xù)問世，并相繼成為主流機(jī)型。

1.5MW和 2MW機(jī)組風(fēng)輪直徑的不斷增加以及風(fēng)電市場對其的反應(yīng)，主要源自于我國對低風(fēng)速風(fēng)區(qū)開發(fā)的重視程度有所增加。大風(fēng)輪直徑的機(jī)組往往被廠商定義為“低風(fēng)速型”、“弱風(fēng)速型”風(fēng)電機(jī)組。我國風(fēng)電招投標(biāo)體制，由于一般以千瓦功率為單位進(jìn)行價格的對比，在短期內(nèi)使葉片長度更長、風(fēng)輪直徑更大的產(chǎn)品受到市場青睞。而一些國際一流廠家則是在葉輪直徑不變的情況下，不惜降低單位千瓦的掃風(fēng)面積，千方百計地提高機(jī)組容量。例如： Vestas的 V164從最初的 7MW提高到了 8MW；Siemens直驅(qū) SWT154則從最初的 6MW提高到了 7MW，在相似的運(yùn)營成本條件下， SWT-7.0-154機(jī)組發(fā)電量比其前代產(chǎn)品 SWT-6.0-154提高了 10%。

從我國 1.5MW和 2MW機(jī)組風(fēng)輪直徑不斷增加趨勢可以很明顯地看出，葉輪直徑的增加，與機(jī)組的生產(chǎn)年份、我國的國情及消費(fèi)者的偏好有著直接的關(guān)系；從趨勢中解讀出來與機(jī)組所處風(fēng)況條件的關(guān)系來看，我國在 2008年以后，所建的風(fēng)電場絕大多數(shù)都應(yīng)屬于“弱風(fēng)速型”風(fēng)電場，事實果真是這樣的嗎？是否有在本屬于Ⅰ、Ⅱ類風(fēng)區(qū)的機(jī)位或風(fēng)電場安裝“弱風(fēng)速型”機(jī)組的問題？因此，葉輪直徑增加可能帶來的隱患和弊端值得引起同行們的重視與思考。

一、風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計流程與設(shè)計周期

風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計流程大致需經(jīng)過：概念設(shè)計、初步設(shè)計、載荷計算、部件分析、詳細(xì)設(shè)計、廠內(nèi)試驗及現(xiàn)場測試。實際整個設(shè)計階段是一個不斷的循環(huán)過程，通常需要三到五次循環(huán)。在詳細(xì)設(shè)計完成后，需要將機(jī)組更為準(zhǔn)確的參數(shù)用于載荷計算和控制器的設(shè)計，在新的載荷出來后又需要對初步設(shè)計的部件進(jìn)行更新，也許原來設(shè)計不能滿足要求，就需要對初步設(shè)計進(jìn)行調(diào)整，再進(jìn)行載荷計算和控制器的設(shè)計，以進(jìn)入下一流程。因此，在機(jī)組進(jìn)行批量生產(chǎn)之前，往往需要較長時間的樣機(jī)試驗，然后才批量投入市場。

對風(fēng)電機(jī)組來說，一種新的機(jī)型，在短期內(nèi)投運(yùn)良好，還不能證明其開發(fā)成功、性能優(yōu)異，可以大批量地投入生產(chǎn)。由于自然條件下風(fēng)的變化性，風(fēng)電機(jī)組的受力情況具有很強(qiáng)的交變性，實際運(yùn)行工況極其復(fù)雜、多變，僅依靠軟件模擬和廠內(nèi)試驗是難以準(zhǔn)確、全面地對機(jī)組性能進(jìn)行準(zhǔn)確評估。再者，在廠內(nèi)試驗不能安裝葉片，許多因變槳和葉片而產(chǎn)生的問題，廠內(nèi)試驗是根本沒辦法發(fā)現(xiàn)的。因此，需要通過在風(fēng)電場的實際樣機(jī)試運(yùn)行，在實際的風(fēng)電場運(yùn)行過程中，對其運(yùn)行狀況進(jìn)行仔細(xì)分析，及時發(fā)現(xiàn)問題，不斷地改進(jìn)和完善，經(jīng)過各種風(fēng)況和充分的風(fēng)電場驗證，等待產(chǎn)品成熟后，再投入批量生產(chǎn)。也只有這樣，才能向市場推出合格、經(jīng)得起長期風(fēng)電場檢驗的機(jī)型。依據(jù)國外風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)經(jīng)驗，從概念設(shè)計到投入批量生產(chǎn)所需要的時間大約為 7年。

然而，從我國風(fēng)電行業(yè) 1.5MW和 2MW的“低風(fēng)速型”、“弱風(fēng)速型”機(jī)組的研發(fā)到批量生產(chǎn)的時間來看，其設(shè)計周期普遍偏短，有的機(jī)型在沒有經(jīng)過樣機(jī)投運(yùn)的情況下，就投入了大批量生產(chǎn)。這樣，機(jī)組的重要部件可能經(jīng)不起長期風(fēng)電場實踐的檢驗，由此帶來的風(fēng)險很大。

二、風(fēng)電機(jī)組與其他發(fā)電設(shè)備在研發(fā)與運(yùn)行上的區(qū)別

風(fēng)電機(jī)組容易受到疲勞載荷的嚴(yán)重影響。在 600kW機(jī)組中，風(fēng)輪在 20年的壽命期內(nèi)會旋轉(zhuǎn) 2×108次。每旋轉(zhuǎn)一周，在低速軸上的受力與作用在葉片上的重力均會出現(xiàn)周期性變化。同時，在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面上，會因風(fēng)剪切力、偏航誤差、軸傾斜、塔架陰影和湍流等效應(yīng)產(chǎn)生循環(huán)變化的載荷。因此，許多風(fēng)電機(jī)組部件的設(shè)計都取決于疲勞載荷而不是極限載荷。

火電、核電等電力設(shè)備，其工況條件受人為控制，且變化范圍不大，其部件設(shè)計主要取決于極限載荷。例如，火電機(jī)組中的汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)，在正常情況下，機(jī)組容量越大，初參數(shù)越高，機(jī)組的效率就越高。在設(shè)計技術(shù)和制造工藝允許的情況下，開發(fā)大容量機(jī)組，無疑有利于機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的提高。在其他條件相同的情況下，只要能研發(fā)出更長的末級葉片，就能使機(jī)組的發(fā)電功率、效率增加，且葉片所受的重力可以忽略不計，對于冷卻水溫度較為恒定的水冷機(jī)組，自然環(huán)境對機(jī)組的影響也基本可以忽略不計。在提高機(jī)組效率上，葉片的生產(chǎn)成本與所能得到的收益相比，基本可以忽略不計。為了提高機(jī)組效率，我們曾經(jīng)在火電汽輪機(jī)上實施過葉片加長及通流改造，實踐證明不僅可行而且是有成效的，只要機(jī)組能順利通過 168h滿負(fù)荷、連續(xù)無故障試運(yùn)行就基本可以證明新機(jī)型的研發(fā)、或改造的成功?；痣娖啓C(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等近似于單件生產(chǎn)，如有個別缺陷可在機(jī)組的試運(yùn)行、運(yùn)行過程不斷完善，不會帶來批量性問題，因此可以不經(jīng)過樣機(jī)試驗，就可以投入商業(yè)生產(chǎn)。

風(fēng)電機(jī)組與其他大型發(fā)電設(shè)備相比，有明顯的不同：

第一，工況條件不受人為控制，運(yùn)行條件復(fù)雜、多變，且影響因數(shù)眾多。

第二，在增大葉輪直徑、實施葉片加長改造時，葉片成本是考慮的重要因素，而且，葉輪直徑的增加不僅要受到葉片制造技術(shù)的制約，更重要的是還要受到機(jī)組的風(fēng)況，及其他機(jī)組部件的技術(shù)、強(qiáng)度、壽命等條件的制約，因此，綜合考慮各種因素，在通常情況下，實施加大葉輪直徑改造帶來的社會資源的浪費(fèi)大于所能得到的社會收益。因種種原因，有的風(fēng)電場實施了 Mita控制器的主控改造，不少風(fēng)電場在改造之前，主控（ WP3100）、變頻器（ ALstom）、通訊控制器（ IC500）以及與變槳控制器（ L&B）之間的硬件接口完全相同，并且主控、變頻器與通訊控制器之間的通訊協(xié)議也相同，主控程序完善、使用方便。在改造之后，造成了機(jī)組部件之間的軟硬件不兼容，維修與使用不便，不利風(fēng)電場的集中監(jiān)控，區(qū)域維修，因此，從機(jī)組維護(hù)與維修的角度來看，這不僅造成了主控使用的極大不便，維護(hù)、維修成本增加，同時也是社會資源的一大浪費(fèi)，所以，加大葉輪直徑及機(jī)組改造時應(yīng)全面評估。

第三，風(fēng)電機(jī)組絕大部分的部件設(shè)計主要取決于所承受的疲勞載荷，然而，疲勞損壞往往需要長時間的運(yùn)行才會出現(xiàn)，因此，機(jī)組順利通過了風(fēng)電場試運(yùn)行及滿負(fù)荷試驗并不能證明機(jī)組設(shè)計完善、運(yùn)行可靠，也不能說明將來機(jī)組的故障幾率一定很低。

第四，風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計理念是在無人監(jiān)管下的全自動運(yùn)行，而對于大型風(fēng)電機(jī)組來說，其控制和保護(hù)措施更是不計其數(shù)，此外，在短時間之內(nèi)，也很難證明機(jī)組就一定沒有重大設(shè)計缺陷與安全隱患，因此在研發(fā)時需要樣機(jī)運(yùn)行的檢驗，在風(fēng)電場運(yùn)行時還需要專家們的遠(yuǎn)程指導(dǎo)與故障診斷，以避免風(fēng)電機(jī)組重大事故的再次發(fā)生。

第五，在通常情況下，風(fēng)電機(jī)組的生產(chǎn)屬于批量生產(chǎn)，為了盡可能地減少設(shè)計缺陷，避免在新機(jī)型開發(fā)時埋下隱患，因此，需要通過樣機(jī)的長時間風(fēng)電場運(yùn)行進(jìn)行完善。

由于當(dāng)今中國的整機(jī)廠商眾多，市場競爭激烈，且社會普遍存在著浮躁、冒進(jìn)的心態(tài)，不少風(fēng)電整機(jī)廠商在新機(jī)型研發(fā)時，其“弱風(fēng)速型”的機(jī)組設(shè)計驗證，通常僅是通過數(shù)字計算、仿真及廠內(nèi)試驗得到，沒有經(jīng)過樣機(jī)的風(fēng)電場試驗，就投入了大批量生產(chǎn)。

在風(fēng)電機(jī)組風(fēng)況及氣象環(huán)境條件不變的情況下，隨著機(jī)組的風(fēng)輪直徑增大，葉片重量大大增加，要求其葉片螺栓強(qiáng)度、變槳軸承、變槳系統(tǒng)、主軸軸承、主齒輪箱、偏航電機(jī)、偏航液壓剎車器等重要零部件的功率、質(zhì)量相應(yīng)提高，或強(qiáng)度、疲勞壽命增加，另外，塔筒、澆筑基礎(chǔ)的強(qiáng)度也需要相應(yīng)提高。因此，在通常情況下，生產(chǎn)和安裝大葉輪直徑機(jī)組將會使成本大大增加。

然而，目前我國不少的整機(jī)生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)大葉輪直徑機(jī)組時，除加大風(fēng)輪直徑外，機(jī)組其他部件的質(zhì)量和強(qiáng)度并未提高，或者說他們生產(chǎn)的“弱風(fēng)速型”機(jī)組與其生產(chǎn)的他機(jī)組相比，僅是葉片長度不同而已，因此，生產(chǎn)大葉輪直徑機(jī)組的成本可以大大降低；且不經(jīng)過樣機(jī)試驗就大批量地投入生產(chǎn)，其“弱風(fēng)速型”機(jī)組的開發(fā)時間也就大大縮短，但是，由此帶來的機(jī)組和部件壽命大大縮短，可能隱藏的眾多設(shè)計缺陷和安全隱患等問題，則不容忽視。

我國的絕大多數(shù)“弱風(fēng)速型”風(fēng)電場地處山地，其風(fēng)況和地形條件復(fù)雜，不同機(jī)位之間的風(fēng)況差別很大。如今興建的不少風(fēng)電場，雖然年平均風(fēng)速很低，但是，其極端風(fēng)速和大風(fēng)期的最高風(fēng)速卻很高，有不少風(fēng)電場的這兩項指標(biāo)并不低于Ⅰ、Ⅱ類風(fēng)區(qū)的極端風(fēng)速和 10min最大平均風(fēng)速，由于業(yè)內(nèi)普遍對風(fēng)電場微觀選址的重要意義認(rèn)識不足，沒能引起投資商的足夠重視。例如，因風(fēng)電場地處山地，不同機(jī)位之間的風(fēng)況差別很大，遠(yuǎn)超過一種機(jī)型的承受能力，本應(yīng)按照各機(jī)位的風(fēng)況條件選擇多種機(jī)型與之相對應(yīng)，然而，在實際機(jī)組安裝時，不少地方整個一期，甚至幾期機(jī)組均選用同種機(jī)型，對風(fēng)電場微觀選址不夠重視或流于形式。

一般地，風(fēng)電場選址需要兩年時間，使用測風(fēng)塔和評估軟件等對選址內(nèi)的風(fēng)資源分布情況進(jìn)行詳細(xì)勘察。國內(nèi)外的經(jīng)驗教訓(xùn)表明，風(fēng)電場選址的失誤造成發(fā)電量損失和增加維修費(fèi)用等將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對場址進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查的費(fèi)用。因此，風(fēng)電場選址對于風(fēng)電場的建設(shè)是至關(guān)重要的。

在微觀選址時，僅有氣象資料提供的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)是不夠的，一般要在裝機(jī)地點(diǎn)附近有代表性的位置用 (一個或多個 )測風(fēng)塔進(jìn)行一年以上的現(xiàn)場測風(fēng)，測量風(fēng)向、風(fēng)速、溫度和湍流強(qiáng)度等。然后根據(jù)這些測量數(shù)據(jù)，利用軟件評估整個風(fēng)電場的風(fēng)資源分布情況。如果地形復(fù)雜，則需要布置多個測風(fēng)塔 ,通過測風(fēng)塔和模擬軟件的評估，可使風(fēng)能資源評估誤差在 5%以內(nèi)。

因此，如今不少新機(jī)組在投運(yùn)之后，葉片螺栓斷裂頻發(fā)，葉片斷裂事故時有發(fā)生，齒輪箱等大部件批量損壞，機(jī)組的故障幾率極高，這與微觀選址、機(jī)組選型有著緊密的聯(lián)系。

按照風(fēng)況和技術(shù)條件合理地選擇機(jī)組容量與葉輪直徑，以期達(dá)到在機(jī)組壽命期內(nèi)的度電成本最低，增加企業(yè)的長期收益，這才是我們應(yīng)當(dāng)追求的目標(biāo)。