0 引言

风力发电机组是风电场的核心设备，占风电场总投资的74%~82%，风电机组与风能资源特性的匹配程度对于风电场全寿命周期的经济效益有着重要影响。随着风电技术的发展，风机机型不断更新以更好地适应风资源特性^[1]。2013年后，风轮直径大于100 m的低风速机型逐步推广应用，早期投产的低风速风电场只能通过换型改造获得更适应低风速的机型。河北省某风电场建于2009年，受风资源及限电因素影响，2015年之前年均可利用小时数为1237 h，长期处于亏损状态。本文以该风电场低风速机型换型改造为例，对风机换型改造的可行性进行了分析。

1 风机换型改造可行性分析 1.1 风能资源

该风电场位于河北省北部坝上地区，共安装25台H93-2.0MW型风机，轮毂高度为80 m。据风电场可行性研究报告，该地区80 m高度的年均风速为6.3 m/s^[2]，但多年运行监测数据显示，该地区平均风速为4.89 m/s，属ⅢC级风区，适用低风速机型。由于风电场投产较早，风轮直径最大仅为93 m。新改造机型是在原H93-2.0MW机型基础上针对中国弱三类风区市场需求开发的1款新产品，可适应积雪、结冰、沙尘和低浓度盐雾等恶劣环境，能够满足电网并网需求。

1.2 地质结构

风电场所在区域地貌简单，地形平坦，未发现不良地质作用，场地抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，地土表层以河湖静相沉积的黏土、细、中砂为主，土中含有大量有机质，大部分呈硬可塑、硬塑状态，压缩模量较高，为较好的稳定地基持力层，能够满足新机型平均承载力280 kN/m²、边缘承载力375 kN/m²的基础承载设计需求。

1.3 基础载荷

风机基础因工程场区地质条件的差异设计为2种：天然地基扩展基础和灌注桩基承台扩展基础。根据风机厂家提供的风电机组地基设计载荷分别对以上2种风机基础型式进行验算。验算内容包括：地基抗压、抗滑稳定、抗倾覆稳定计算，抗冲切验算，抗弯承载力验算，斜截面受剪验算，裂缝宽度验算，沉降计算，桃基承载力验算，桩身强度验算等。经验算，天然地基风机基础和灌注桩基风机基础的各项力学数据均满足规范要求，地基钢筋用量、水泥标号及浇筑体积均满足新机型基础承载需求。

1.4 塔筒载荷

风电场塔架按IEC TCⅢA风区载荷进行设计，为抗低温型塔架。塔架主体采用锥形钢圆筒结构，塔架底部最大直径为4.2 m，顶部最小直径3 m；塔架与基础、塔架段与段之间及塔架与机舱的连接采用高强度螺栓，塔架法兰采用环锻碾压工艺^[2]。塔架顶端中心和底部中心连线与理想中心线的偏差角度不超过0.3°，底部法兰与理想水平面的倾斜角度不超过0.05°，塔架总长度与理想值的差值为-50~ 10 mm。塔架的防腐设计符合防腐标准要求，腐蚀保护期最少为20 a。塔筒承载力符合新机型塔筒载荷设计要求。

1.5 经济性

项目改造主要资金投入包括风机吊装、工程监理及换型升级设备费用，预算吊装费用820万元、监理费用15万元、换型升级设备费用1800万元、运输费80万元。调取该风电场2012—2014年编号为6296号、6298号2座测风塔15 min实测风速数据，分别对照H93-2.0MW、H111-2.0MW型风机功率曲线进行积分计算，在平均风速为4.93 m/s、不考虑限电因素的情况下，得出2种机型的年利用小时数分别为1576 h、1839 h，改造后年利用小时数增加263 h，提升16.69%（见表 1）。按540元/MWh电价计算，改造后年收益可增加980万元，按机组设计20 a寿命，在寿命周期内预期收益为1.96亿元，投资回报率较高，经济性核算通过^[3-5]。

2 低风速机型换型改造

为提升发电能力，2015年对该风电场单机容量2.0 MW的双馈异步发电机组进行换型改造，将原风轮直径93 m机型更换为直径111 m的低风速机型。原机型风机变频器及风机主控系统位于塔基，主传动系统及从站控制系统位于机舱。改造范围包括风轮、机舱及其附件、塔基控制系统PLC加装改造，塔基内设备及机舱至塔基电缆不更换。根据改造前后机舱、风轮质量及塔筒高度，本次拆装作业采用型号为QUY6500型履带式吊车（主吊，最大起重量140 t）1台，80 t汽车吊1台，配合吊装。

（1）切断风机电源，将风轮叶片调整为垂直向下以具备吊装条件。拆除轮毂和机舱连接螺栓，利用主吊使叶轮和机舱分离，拆装过程需安排专业人员全程监护。

（2）旧机舱拆除前，需检查机舱吊点是否可用，将塔筒内的定转子线全部抽至机舱内。当最大风速不超过10 m/s时，起吊机舱，完成旧机舱拆除工作。

（3）在机舱顶盖安装测风设备支架及避雷针，在机舱内安装行车架，盖好机舱盖并固定。试吊机舱确保各吊点受力均匀，待安装人员撤离至安全位置后方可起吊，完成与塔架顶部法兰对中操作，新机舱吊装完毕。

（4）利用主吊、辅吊使风轮正确、平稳地靠近低速轴法兰平面，完成对中操作。拧紧全部法兰螺栓并检验合格后，在每组法兰连接的内侧涂抹硅胶，防止雨水渗入塔架内，同时密封塔架顶端平台与塔架内壁缝隙，完成新叶轮安装工作。

（5）吊装完成后，将旧机型机舱、风轮叶片拆解装车，运至其他场站，重新进行机组并网调试。

3 改造效果 3.1 风机功率

改造前、后风机功率比较见表 2，风机功率曲线如图 1所示。由表 2数据可以看出，在中、高风速（6~9.5 m/s）时段，风机发电功率提升了30%以上；在其他风速时段，发电功率提升了15%以上，额定风速由原12 m/s降低为10 m/s，同等风速情况下，风机发电功率显著提升，达到了预期效果。

3.2 发电量完成情况

改造前、后风电场发电量及年利用小时数比较见表 3。由表 3可知，通过对该风电场低风速机型换型改造（2015年），在平均风速降低的情况下，发电量、年利用小时数仍提升明显。

4 结语

通过对河北省某风电场低风速机型换型改造实例分析可以看出，在地质结构、基础载荷、经济性测算满足要求的前提下，对早期投产风资源较差的风电场进行低风速机型换型改造，可有效提升风电机组发电能力，投资回报率较高。经验可供同类型风电场改造借鉴。