低温型风力发电机组技术条件申请备案稿.docx
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低温型风力发电机组技术条件申请备案稿
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条件
Windturbinegeneratorsystemsforcoldenvironments
2012-××-××发布2012-××-××实施
北京鉴衡认证中心发布
目次
前言II
1范围1
2规范性引用文件1
3术语和定义1
4通用要求1
5技术要求2
6检验8
7安装、运行和维护8
前言
为规范我国低温型风力发电机组，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条件
1范围
本标准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。
本标准适用于水平轴并网型风力发电机组。
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。
IEC61400-1风力发电机组设计要求
GB/T2900.53电工术语风力发电机组
GB/T7124胶粘剂拉伸剪切强度的测定
GB18451.1风力发电机组安全要求
GB/T19072风力发电机组塔架
GB/T19073风力发电机组齿轮箱
GB/T19960.1风力发电机组第1部分：
通用技术要求
GB/T19960.2风力发电机组第2部分：
通用试验方法
GB/T25390风力发电机组球墨铸铁件
ISO2533：
1975标准大气压（StandardAtmosphere）
3术语和定义
GB/T2900.53界定的以及下列术语和定义适用于本规范。
3.1运行温度operationtemperature
设备正常运行允许的环境温度范围。
3.2生存温度survivaltemperature
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通用要求
4.1低温型风力发电机组除应满足GB18451.1的要求外，还应满足本技术规范所有条款的要求。
4.2如无特殊声明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。
4.3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对机组的影响，按低温机组设计。
4.4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。
5技术要求
5.1载荷
5.1.1总体
该部分定义低温型风力发电机组载荷计算所需要假定的参数，并按照特定场址条件和通用假定条件两种情况分别规定假定方法。
前者用于特定场址机型设计或标准机型进行特定场址载荷校核时使用；后者可在无确定的环境条件下进行低温型机组设计时使用，这样设计的机组需在安装于具体场址之前针对特定场址环境条件对机组载荷加以校核。
本节规定环境温度及受低温环境影响的空气密度，其他环境条件需按照GB18451.1-2001中第6节（外部条件）假定。
5.1.2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：
年平均温度θmean，多年平均温度；
最低温度θmin1，1小时平均温度的一年一遇最低值；
最高温度θmax1，1小时平均温度的一年一遇最高值；
瞬时最低运行温度θmin,operation；
瞬时最高运行温度θmax,operation。
5.1.3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：
与θmean对应的平均空气密度ρ0；
与最低温度θmin1对应的空气密度ρ1；
与瞬时最低运行温度θmin,operation对应的ρc。
5.1.4低温环境条件参数的确定
5.1.4.1特定场址环境条件低温环境条件
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，测量的方法应符合IEC61400-12-1中3.4节部分的要求，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=287.05J/（kg·K）。
为恰当地确定5.1.2节和5.1.3节所需的环境条件参数，特定场址测量所积累的数据应该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和相应的空气密度具有一定的置信度。
如果制造商认为有必要，可自定义低温环境条件，即不采用特定场址环境条件亦不采用5.1.4.2节的通用低温环境条件，则应当对5.1.2节和5.1.3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机组，应被划为IEC标准的S等级。
5.1.4.2通用低温环境条件
本标准给出通用的低温环境条件供风电机组设计时选用。
0节和0节所需要的计算条件参数可按照本标准定义的“低温型风力发电机组”进行定义，其中的环境温度参数可总结为表1。
表1通用低温环境条件的环境温度参数
低温型风力发电机组
运行环境温度范围
-30℃～+40℃
生存环境温度范围
-40℃～+50℃
θmean
5℃
θmin1
-40℃
θmax1
+50℃
θmin,operation
-30℃
θmax,operation
+40℃
不同海拔高度上，即便是在相同的环境温度下，空气密度也不尽相同，因此按照通用低温环境条件设计的“低温型风力发电机组”，制造商应当明确给定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所列之外的海报高度下的平均气压，可按照GB1920-80（或ISO2533-1975）进行假定。
表2标准大气的各海拔高度与气压的关系（GB1920-80）
海拔高度（m）
平均气压（kpa）
-400
106.220
-200
103.750
0
101.325
200
98.950
400
96.610
600
94.320
800
92.080
1000
89.870
1200
87.720
1400
85.600
1600
83.520
1800
81.490
2000
79.500
2200
77.540
例如，根据表1、表2和公式1，800m海拔高度下的低温型和超低温型风力发电机组用于载荷计算的环境条件参数应假定为表3的形式：
表3800m海拔高度下低温环境条件参数示例
低温型风力发电机组
θmean
5℃
θmin1
-40℃
θmax1
+50℃
θmin,operation
-30℃
θmax,operation
+40℃
ρ0,800
1.174kg/m3
ρ1,800
1.376kg/m3
ρc,800
1.319kg/m3
5.1.5载荷计算及工况定义
本节内容在GB18451.1-2001第7节内容基础上给出。
5.1.5.1功率曲线及运行控制算法
低温环境条件下的空气密度对功率曲线的影响应该在载荷计算中予以考虑，因此，应该在载荷仿真计算时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。
5.1.5.2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机组传动链的性能，如传动链阻尼、机械刹车性能等，则应该在载荷计算中对这些影响加以分析。
5.1.5.3传动链特性
低温环境条件下，如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，可能由于润滑油粘度增加而增加风轮空转时的阻力，在这种情况下机组处于空转状态下的载荷应当予以考虑这种影响。
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温度下的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TN的0.5倍估计；一级行星轮传动的传动链形式则可按TN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（见GB/T18451.1-2012）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中（如果DLC7.1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。
5.1.5.4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。
通用低温环境条件不对结冰程度做强制要求。
叶片上由于结冰产生的附加质量可参考GL2010第4.2.4.2.2节予以考虑，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。
建议在载荷计算时以适当方式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。
通用低温环境条件下的结冰工况，包括极限工况和疲劳工况，环境温度及其对应的空气密度应根据表1、表2和公式1，按照0℃加以考虑。
5.1.5.5工况组合
环境温度（对于载荷来讲，尤指相应的空气密度）与工况组合通常情况下按照下述原则加以考虑：
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。
机组正常运行状态下应考虑与θmin,operation的组合。
如果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、维护工况由制造商在相关操作手册中定义的环境温度限定的极值加以考虑。
如果不存在这些定义，则按照θmin1考虑。
表4给出了一般情况下，风力发电机组设计标准（GB/T18451.1-2012）中规定的各种载荷工况与环境温度的组合。
表4载荷工况与环境温度的组合
载荷工况
对应的环境温度
DCL1.1,DLC1.2,DLC1.3,DLC1.4,DLC1.5,DLC2.4,DLC3.1,DLC4.1,DLC6.1,DLC6.2,DLC6.3,DLC6.4,DLC8.2
θmean
DLC7.1
θmin1
DLC2.1,DLC2.2,DLC2.3,DLC3.2,DLC3.3,DLC4.2,DLC5.1
θmin,operation（或θmin1，见6.2.5）
DLC8.1
制造商自定义（或θmin1，见6.2.5）
5.2结构设计
5.2.1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。
5.2.2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。
5.2.3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。
5.2.4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。
5.2.5基础和塔架设计，应按机组的最低温度θmin1，采用满足低温环境使用要求金属件和混凝土。
同时应制定低温环境的施工工艺。
5.2.6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。
5.2.7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。
5.2.8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。
5.2.9对于温度梯度较大和/或由不同热膨胀系数材料构成的结构，应考虑由于温度引起的应力影响。
5.2.10对于转动系，应进行热胀差的计算，特别是主轴承系统，内、外圈以及保持架，在整个生存温度范围内，不应由于热胀差，产生内应力。
5.2.11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，特别是轴承游隙的选择。
5.2.12在特定地理位置（如高湿度地区）可考虑在风场或机组上安装结冰探测装置。
5.2.13人员抵达的地方应考虑防滑设计。
5.2.14电气设备应考虑低温凝露对爬电距离的影响。
5.3复合材料和其它材料
5.3.1纤维增强塑料:
—树脂和胶粘剂应按GB/T7124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/T1040.2进行生存温度下单向层合板垂直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/T3355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。
5.3.2纤维增强塑料中纤维和基体热膨胀系数不同，材料内部可能产生内应力和微裂纹，应考虑其对材料性能和结构强度等的影响。
5.3.3润滑脂、润滑油和冷却液应满足低温要求。
5.3.4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。
5.3.5保温材料应有高阻燃性。
5.4控制保护系统
5.4.1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。
5.4.2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。
5.4.3控制系统应具备关键部位温度监控功能。
5.4.4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。
5.4.5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。
5.4.6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。
5.4.7低温机组，应制定低温启动、运行、停机控制策略。
5.5机械部件设计
5.5.1应考虑温度对轴承润滑剂性能的影响，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。
5.5.2齿轮箱应符合GB/T19073的要求。
5.5.3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。
5.5.4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，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。
5.5.5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。
5.5.6液压系统应满足低温要求。
在运行温度下对液压系统进行功能测试和压力水平测试；在生存温度下对液压系统进行耐低温生存检测。
5.5.7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。
5.5.8自动润滑系统应满足低温环境下油泵和油路的正常工作。
5.5.9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。
5.5.10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℃。
5.5.11橡胶弹性减振装置，应保证在生存温度下的机械性能。
5.6电气系统
5.6.1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/T2423.1规定。
5.6.2裸露在机组外部的仪器，应满足低温环境下正常工作，同时应具备加热功能。
5.6.3安装在柜体内部的仪器，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，仪器不应失效。
5.6.4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；
—应计算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。
5.6.5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。
加热温度的上升速率应适当。
5.6.6应选用适用低温环境的电涌保护器。
5.6.7下列电气元件器应在低温环境下正常运行：
—开关装置，满足使用寿命、闭合容量、断流容量以及短路承受力等；
—所有电线、电缆绝缘层，特别是扭缆，验收标准应符合GB/T2951.14规定；
—电缆终端套管，电缆保护管，电缆标记和连接件；
—显示屏和数据存储设备；
—各种蓄电装置；
—传感器（包括测风传感器、温度传感器、电压互感器、电流互感器等）。
测风传感器应有自动加热系统防止冰冻。
—按钮、开关、指示灯、照明灯具、电气辅件等。
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。
5.7加热系统
5.7.1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。
5.7.2加热器在使用时要求发热均匀。
5.7.3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。
5.7.4加热器振动试验应符合GB/T2423.10规定。
5.7.5加热系统应在-45℃能投运，在-50℃生存。
5.7.6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。
5.7.7低温加热系统应能将机舱温度从环境温度升温至预定温度，满足风力发电机组冷启动和再启动条件。
5.7.8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。
5.7.9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。
5.7.10机舱加热系统发热装置应远离电缆、橡胶、工程塑料、油料等。
6检验
6.1低温型风力发电机组低温检验项目和检验方法见表5，表中的样机型式试验外部温度≤-25℃。
6.2其它应符合GB/T19960.1和GB/T19960.2规定。
表5低温型风力发电机组的低温检验项目和检验方法
序号
检验项目（如果有）
出厂检验
样机型式检验
1
机舱加热系统性能试验
启动△
性能△
2
塔底加热系统性能试验
启动△
性能△
3
齿轮油液加热性能试验
启动△
性能△
4
液压系统性能试验
启动△
性能△
5
冷却系统性能试验
启动△
性能△
6
低温刹车系统性能试验
※
性能△
7
发电机加热系统性能试验
启动△
性能△
8
电气柜内加热系统性能试验
启动△
性能△
9
测风传感器抗冰冻试验
※
性能△
10
冷启动程序试验
※
△
注：
表中“※”表示该项为可选性，“△”表示该项为必选项。
5安装、运行和维护
7.1安装
7.1.1应考虑低温环境和冰雪环境中作业时的人员安全。
7.1.2低温环境下，工具和设备的使用应符合相应的规范和要求。
7.1.3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。
7.1.4基础的施工，应确定其工作温度，并严格执行。
7.2运行和维护
7.2.1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。
7.2.2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。
7.2.3机组安全标识应增加低温专用标识，例如防冻或防烫标识。
7.2.4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。
7.2.5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。
7.2.6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。
7.2.7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。
7.2.8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。
7.2.9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。
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