本文對海上風電及其所處環(huán)境進行了介紹,分析了海洋環(huán)境不同區(qū)域的腐蝕特征,并結合海洋風電機組的各部分,介紹了相應的防腐蝕解決方案, 并對海上風電防腐提出了應注意的相關問題。
在當前煤炭、石油等化石能源資源日益匱乏,溫室氣體排放威脅人類生存環(huán)境的嚴峻形勢下,風能作為自然界中能夠不斷再生、可持續(xù)利用的綠色能源資源,以其蘊藏量巨大、分布廣泛、無污染等優(yōu)勢,越來越受到世界各國的重視。自1991 年世界首座海上風電場在丹麥建成以來 , 海上風電已經(jīng)成為世界可再生能源發(fā)展的重點領域。經(jīng)過 20 多年的發(fā)展,海上風電技術日趨成熟,已進入大規(guī)模開發(fā)階段。到 2014 年底,歐洲 11 個國家共建設了 84 個海上風電場,總裝機容量11,027MW。我國 2010 年并網(wǎng)發(fā)電的東海大橋 100MW 海上風電場是亞洲第一個大型海上風電項目,到 2013 年底我國海上風電總裝機容量達到 428.58MW。據(jù)報道,我國可開發(fā)和利用的陸地上風能儲量 2.53 億千瓦,近海可開發(fā)和利用的風能儲量有 7.5 億千瓦,海上風能儲量遠遠大于陸地,有廣闊的發(fā)展空間。同時,我國東部沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達,能源緊缺,開發(fā)豐富的海上風能資源將有效改善能源供應結構。因此,盡管我國海上風電起步較晚,但發(fā)展?jié)摿薮蟆?br />
與陸上風電相比,海上風電所處環(huán)境更為復雜,海洋大氣區(qū)高濕度、高鹽霧、長日照,浪花飛濺區(qū)干濕交替,水下區(qū)海水浸泡、生物附著等,腐蝕環(huán)境非常苛刻,對海上風電設備的腐蝕防護提出了嚴峻挑戰(zhàn),同時海上風電由于其特殊的地理環(huán)境和技術要求,維修費用極高。因此,海洋腐蝕不但給海上風電機組帶來巨大安全隱患,縮短機組運營壽命,也大大增加了風電的建設投資和運行維護成本。防腐蝕是海上風電必須考慮的突出問題, 防腐蝕設計成為海上風電場設計的重要環(huán)節(jié)之一。
海上風電機組
海上風電機組主要由水下基礎、塔架、機艙、輪轂和葉片等部分組成,具體構造上不同廠家的風機存在一些區(qū)別,大部分廠家將主軸、軸承座、齒輪箱、聯(lián)軸器、機械剎車、發(fā)電機、變壓器、變槳系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等集成在機艙和輪轂內部,以減少現(xiàn)場安裝工作量。
水下基礎從材料角度主要有鋼結構基礎和鋼筋混凝土結構基礎;從結構形式分主要有重力式基礎、單樁基礎、群樁基礎、導管架基礎、吸力式筒形基礎等固定式基礎和漂浮式基礎等。
我國東海大橋海上風電場采用的是群樁承臺基礎。
目前海上風機的高度一般在 80 ~ 110m 的范圍內,按部位劃分,風機基礎結構處于浪花飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)及海泥區(qū), 風機的機艙、 輪轂、 葉片和塔架等處于海洋大氣區(qū)范圍內。
單樁基礎的海上風電結構圖
海上風電機組的腐蝕分析
海上風電機組一般位于離岸 15Km 以內的近海,從機組、塔架到水下基礎,相應處于海洋大氣、浪花飛濺、潮差、全浸及海泥五個區(qū),每個區(qū)的腐蝕環(huán)境不同,其腐蝕特征也不同。下面對每個區(qū)的腐蝕特征分別進行介紹。
1、海洋大氣區(qū)
高濕、高鹽是海洋大氣的特點,海洋大氣中的水蒸氣在毛細管作用、吸附作用和化學凝結作用等的影響下,容易附著在鋼鐵表面形成一層肉眼看不到的水膜,水膜中有溶解氧、氯離子、 硫酸根離子和其它一些鹽分, 是導電性很強的電解質溶液。鋼鐵表面的不均勻使得表面形成腐蝕電池, 從而引起鋼鐵腐蝕。研究結果表明,鋼在濕度 70% 時腐蝕最為嚴重。另外晝夜的干濕交替,對腐蝕有加速作用。
水膜中氯離子具有穿透作用,它能加速鋼鐵的點蝕、應力腐蝕、晶間腐蝕和縫隙腐蝕等局部腐蝕,使得鋼鐵表面難以形成長期穩(wěn)定的致密銹層,導致腐蝕率上升。
2、浪花飛濺區(qū)
在浪花飛濺區(qū),海水膜潤濕時間長、干濕交替頻率快、海鹽離子大量積聚,同時飛濺的海浪粒子沖擊和海風等使得供氧充分,是造成腐蝕速度加劇的重要因素。飛濺海水中的氣泡會沖擊破壞材料表面, 使得該部分的防腐涂層很容易脫落。 因此在整個海洋環(huán)境中,浪花飛濺區(qū)是腐蝕最為嚴重的區(qū)域。
鋼樁在海洋環(huán)境各區(qū)域的腐蝕速率示意圖