【摘　要】為進一步發(fā)掘在運風(fēng)電場的發(fā)電潛能，提升整場發(fā)電量，降低全生命周期的度電成本。應(yīng)用先進的設(shè)計理念和流程，對風(fēng)電機組葉尖延長技術(shù)進行研究，并將該技術(shù)在集團某風(fēng)電場2MW機組進行技改實施。結(jié)果表明，葉尖延長后機組額定風(fēng)速從10m/s降至9.5m/s，并經(jīng)過風(fēng)電場實施后的階段性評估，機組運行穩(wěn)定全場整體發(fā)電量平均提升5%以上，項目投資回收期約為4年。該案例的實施為集團其他風(fēng)電項目開展葉片延長增功提效技改奠定了基礎(chǔ)。

 

　　【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電葉片延長　技術(shù)改造　發(fā)電量

 

 

　　風(fēng)力發(fā)電是新能源發(fā)電技術(shù)中較成熟、具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式。我國風(fēng)電行業(yè)經(jīng)過近幾十年的高速發(fā)展，截至2017年底中國總裝機容量已經(jīng)高居世界第一[1]。風(fēng)電機組的設(shè)計壽命通常是20年，隨時機組運營時間的增長，一些風(fēng)電場運營商開始尋求提升機組整體發(fā)電量、降低全生命周期的度電成本的解決方案。早期風(fēng)機設(shè)計安全裕度較大，機組風(fēng)輪直徑普遍偏小，風(fēng)輪捕風(fēng)能效和投資回報率都有較大的提升空間。同時，葉片作為風(fēng)力發(fā)電機組吸收風(fēng)能的關(guān)鍵部件，通過對風(fēng)機的葉片進行技術(shù)改造可以達到提高發(fā)電量的目的[2]。

 

１.研究現(xiàn)狀

 

　　目前，國內(nèi)外應(yīng)用較廣泛的兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組葉片增效技術(shù)包括氣動附件技術(shù)和葉片延長技術(shù)。其中，氣動附件技術(shù)通過在葉片表面增加渦流發(fā)生器、襟翼或擾流板等[3、4]改變?nèi)~片表面流動特性的方法來提升葉片的風(fēng)能利用率，從而增加風(fēng)機發(fā)電量。Erik[5]、Johansen[6]、LZhang[7]等分別通過風(fēng)洞試驗或數(shù)值模擬的方法研究了渦流發(fā)生器在風(fēng)力機葉片是的機理和應(yīng)用，表明渦流發(fā)生器的形狀參數(shù)和位置參數(shù)對風(fēng)力機發(fā)電量的影響。郝禮書[8]、焦建東[9]等應(yīng)用試驗測量和數(shù)值計算分析了渦流發(fā)生器對風(fēng)力機葉片氣動性能影響。

 

 

圖1：Bonus 1.3MW風(fēng)機葉片加長前后功率曲線對比圖[10]

 

　　葉尖延長增效技術(shù)基于傳統(tǒng)的動量葉素理論，通過增大風(fēng)輪掃風(fēng)面積的方式實現(xiàn)風(fēng)電機組增效，該方案被證明是提高風(fēng)機發(fā)電量經(jīng)濟性較高的可行技術(shù)[4]。德國Energiekontor公司2004年已經(jīng)在不同容量風(fēng)機葉片上安裝葉片葉尖延長節(jié)進行測試，并通過仿真計算的功率曲線與測量的功率曲線對比確認風(fēng)機功率曲線確實得到了改善，如圖1所示。國內(nèi)云南某風(fēng)電場已經(jīng)對某1.5MW機組采用延長葉尖延長1.8m的方式增功提效，測試風(fēng)能Cp從0.483提升到0.485，測算年發(fā)電量提升4.6%[10]。

 

　　但是，對于110米及以上的葉輪直徑風(fēng)機的葉片葉尖延長的研究缺乏理論和工藝指導(dǎo)，通過聯(lián)合主機廠家開展葉片延長設(shè)計和細致的載荷分析，最終形成葉尖延長2米的可行方案，并成功應(yīng)用到現(xiàn)場，獲得了良好的電量提升效果。

 

2.葉片增功理論

 

　　葉片增功的效果主要通過年發(fā)電量提升量進行評估，其取決于風(fēng)電機組的輸出功率與風(fēng)電場的風(fēng)速分布。

 

2.1 輸出功率

 

　　葉片延長增效技術(shù)原理是基于傳統(tǒng)的動量葉素理論，通過增大風(fēng)輪掃風(fēng)面積實現(xiàn)葉片的增效。在風(fēng)力發(fā)電機組葉片設(shè)計中，風(fēng)力發(fā)電機的理論功率輸出表示為：

 

（1）

 

　　式中：P為風(fēng)力發(fā)電機組的有效功率；為設(shè)計空氣密度；v為風(fēng)輪來流風(fēng)速；S為風(fēng)輪掃風(fēng)面積；為風(fēng)能利用系數(shù)。

 

　　由公式可知，在一定風(fēng)速和空氣密度下，風(fēng)力機的輸出功率P取決于Cp和風(fēng)輪掃風(fēng)面積。當(dāng)通過優(yōu)化葉片設(shè)計實現(xiàn)Cp最大時，影響機組輸出功率的核心因素是風(fēng)輪掃風(fēng)面積。兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組葉片葉尖延長后將增加葉片長度，增大風(fēng)輪掃風(fēng)面積，達到風(fēng)力發(fā)電機組增功的目的。

 

2.2 風(fēng)速分布

 

　　風(fēng)速分布作為風(fēng)電機組設(shè)計的重要參考因素，GL2010標準提供了威布爾函數(shù)和瑞利函數(shù)兩種分布函數(shù)，其中威布爾分布是目前應(yīng)用最廣泛的風(fēng)資料概率分布。本文以威布爾函數(shù)進行載荷和年發(fā)電量的計算，其表達式為：

 

　（2）

 

　（3）

 

　　式中，V輪轂高度風(fēng)速，p(V)風(fēng)速V出現(xiàn)的概率，威布爾函數(shù)尺寸參數(shù)，威布爾函數(shù)形狀參數(shù)，輪轂高度處年平均風(fēng)速。

 

2.3 年發(fā)電量

 

　　風(fēng)電機組的年發(fā)電量不僅取決于風(fēng)電機組自身的輸出功率，還與風(fēng)場風(fēng)況有密切的關(guān)系。年發(fā)電量計算公式可表示為：

 

　　（4）

 

　　式中，為年發(fā)電量，為切入風(fēng)速，為切出風(fēng)速，為輪轂高度處風(fēng)速，為機組在風(fēng)速V的功率，為風(fēng)速V出現(xiàn)的概率。

 

3.葉尖延長方案分析計算

 

3.1延長葉尖設(shè)計技術(shù)

 

　　同等條件下，葉輪直徑?jīng)Q定風(fēng)機輸出功率，葉輪直徑的選取又與當(dāng)?shù)仫L(fēng)況、風(fēng)剪切系數(shù)有關(guān)系。因此，某一機型選取合適的葉片長度需要有效利用當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)資源，通過最優(yōu)發(fā)電量的多次迭代設(shè)計出成本最優(yōu)氣動效率高的葉片[11]。

 

　　結(jié)合集團某風(fēng)電場2.0MW機組所處的地理位置，對該機組安裝2.0MW-54A1葉型進行葉尖延長改造的可行性進行分析，原機組的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

 

表1：原機組相關(guān)參數(shù)（輪轂中心數(shù)據(jù)）

 

　　該機型葉片的延長方案應(yīng)用先進的設(shè)計理念，通過驗證原機組的載荷裕量，初步確定延長長度、延長起點、延長節(jié)的外形參數(shù)（翼型、扭角和弦長等），經(jīng)過多次結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化和載荷迭代計算，確定延長節(jié)外形參數(shù)設(shè)計，如圖2-4所示。

 

 

圖2：延長前后葉片弦長對比

 

 

圖3：延長前后葉片扭角對比

 

 

圖4：延長前后葉片相對厚度對比

 

　　多次迭代計算的目的是在整機匹配性和葉片發(fā)電表現(xiàn)之間尋求一個平衡點，保證在有限的延長長度前提下，最大限度增加發(fā)電量，最終確定安全的設(shè)計方案。設(shè)計流程如圖5所示。

 

 

圖5：延長節(jié)設(shè)計流程

 

圖6：葉尖延長模型示意圖

 

　　根據(jù)優(yōu)化后的葉片參數(shù)對Bladed整機模型進行設(shè)置，將技改后的葉片模型輸入到Bladed中，采用FOCUS與ANSYS軟件進行強度校核，確定2.0MW-54A1葉型葉片延長至56m。葉片延長模式示意如圖6，白色部分為原始葉片，藍色部分是延長葉片葉尖部分。延長部分設(shè)計有以下特點：

 

　　（1）葉片延長部分采用NACA0018高升阻比層流翼型，保證葉尖具有優(yōu)秀的氣動性能。

 

　　（2）葉片連接部分采用貝塞爾三次擬合曲線，保證葉尖延長部分與原葉片過渡平滑，使得葉片氣動載荷不突變，確保葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性與安全性。

 

 

圖7：靜態(tài)功率曲線對比

 

3.2發(fā)電量增益評估

 

　　通過Bladed仿真計算出原54m葉片和技改后56m葉片機組的靜態(tài)功率曲線，對比得出56m葉片機組的理論靜態(tài)功率曲線在達到額定功率之前明顯優(yōu)于原54m葉片機組，靜態(tài)功率曲線對比如圖7所示。

 

　　技改后56m葉片機組額定風(fēng)速從10m/s減小到9.5m/s，其主要原因在于葉尖延長節(jié)增大了風(fēng)輪掃風(fēng)面積的同時，也提高了風(fēng)電機組葉片的最大功率系數(shù)由0.484提升到0.486，從而使得風(fēng)電機組在更低的風(fēng)速下達到額定功率。

 

　　根據(jù)靜態(tài)功率曲線，結(jié)合公式（1）——（4）計算風(fēng)電機組技改前后在不同年平均風(fēng)速下的年理論發(fā)電量增益結(jié)果如表2所示。

 

表2：理論年發(fā)電量增益表

 

 

　　從表2可以看出，隨著年平均風(fēng)速的增加，年發(fā)電量增益逐漸減少。其中，年平均風(fēng)速為5m/s時，年發(fā)電量增益最大為5.73%。因此，葉尖延長技改方案將對低風(fēng)速地區(qū)的風(fēng)電機組提供可觀的年發(fā)電量增益。

 

4.延長葉尖工藝

 

　　本文中描述的葉尖延長方案主要針對在線安裝，因此安裝的工藝和流程也大大增加方案的可實施性。本產(chǎn)品采用小葉尖對接的安裝工藝，主梁與腹板膠接作為主要承載方式，先將原葉片切除一定長度并留下原腹板，然后將已生產(chǎn)好的單腹板小葉尖粘接在原葉片葉尖，然后將PS蓋板對接到相應(yīng)位置用于封閉PS面。延長葉尖工藝示意圖如圖8所示。

 

 

圖8：延長葉尖工藝示意圖

 

 

圖9：葉片延長整體施工流程

 

4.1延長葉尖工藝流程

 

　　（1）原葉片葉尖截斷：將原葉片52m\52.3m處切斷葉尖并保留一定長度的腹板；

 

　　（2）延長小葉片制作：小葉尖為單腹板結(jié)構(gòu)，SS面為L52-56m，PS面為L52.45-56m；

 

　　（3）小葉尖在線對接：先將SS面連接，制作PS蓋板與PS面殼體粘接；

 

　　（4）連接處表面修型：對接完成后，打磨平整，刮膩子，刷漆。

 

　　整體的施工流程圖詳見圖9。

 

4.2工藝尺寸校核

 

　　葉尖延長重點在于主梁的連接，在連接位置的打磨尺寸與修補尺寸方面，依據(jù)GL規(guī)范要求執(zhí)行，搭接長度需要滿足公式（5）（GL2015，Section9.2.3）：

 

（5）

 

　　打磨尺寸計算：最小錯層尺寸為60.9mm，方案中的打磨錯層尺寸都是80mm，滿足規(guī)范要求。

 

　　修補尺寸計算：最小錯層尺寸為83.3mm，方案中的錯層尺寸都是93mm，滿足規(guī)范要求。

 

　　小葉尖對接完成后的示意圖如10所示。

 

 

圖10：主梁連接示意圖

 

5.應(yīng)用案例

 

　　2019年將葉尖延長的技術(shù)方案在安徽某風(fēng)電場2MW機組實施應(yīng)用。施工過程中由于現(xiàn)場情況多變復(fù)雜，首支葉片的施工經(jīng)歷3次工藝和施工次序優(yōu)化，并且經(jīng)過二次載荷校核，在原葉尖延長工藝的基礎(chǔ)上進行了葉片中段兩面的補強工作，最終單臺總工期22.5天。在現(xiàn)場對安全、工藝等程序嚴格控制下，順利完成了機組的葉片延長施工項目。圖11為現(xiàn)場施工作業(yè)圖，圖12為施工完成后的葉尖情況。葉片延長項目在2019年12月施工完成，并進入考核期運行階段。

 

 

圖11：葉尖延長現(xiàn)場作業(yè)圖

 

 

圖12：施工完成后的葉尖

 

　　技改完成后，每月進行葉片的巡視檢查工作，運行至今未發(fā)現(xiàn)葉片有異常情況，機組運行穩(wěn)定。按照功率曲線評估標準中的方法進行了技改提效的階段性分析，即應(yīng)用技改前后同期的實際功率曲線和2018年、2019年風(fēng)場的實際風(fēng)頻分布進行階段性發(fā)電量提升評估，全場整體平均提升約5%，詳細如表3所示。

 

表3：風(fēng)電場風(fēng)速與發(fā)電量提升數(shù)據(jù)

 

 

　　按照技改項目的上網(wǎng)電價，結(jié)合當(dāng)?shù)仄骄眯r數(shù)和發(fā)電量提升百分比，葉片延長技改項目投資回收期約為4年。

 

6.結(jié)論

 

　　本文針對某風(fēng)電場2.0MW機組葉尖延長技術(shù)改造（葉片長度由54m增加到56m）展開研究，對技改機組的設(shè)計、工藝和年發(fā)電量等方面進行評估。結(jié)果表明：

 

　　（1）葉片延長部分采用NACA0018高升阻比層流翼型，經(jīng)核算技改后機組安全可靠。

 

　　（2）研究表明，計劃實施風(fēng)電場機組的額定風(fēng)速從10m/s減小到9.5m/s。

 

　　（3）葉尖延長技術(shù)方案實施后，機組運行穩(wěn)定，經(jīng)過階段性評估，全場整體發(fā)電量平均提升約5%。

 

 

　　[1]何政洋.渦流發(fā)生器參數(shù)對風(fēng)力機葉片氣動特性影響的數(shù)值模擬研究[D].重慶大學(xué),2016.

 

　　[2]王飛.國外典型風(fēng)電機組葉片技術(shù)改造方法簡介[J].水電與新能源,2015(11):69-71.

 

　　[3]童彤.風(fēng)電機組葉片技術(shù)升級改造辦法的探討[C].風(fēng)能產(chǎn)業(yè)（2016年第8期總第85期）.

 

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　　[9]焦建東.加裝渦流發(fā)生器風(fēng)力機葉片的氣動性能研究[D].華北電力大學(xué),2014.

 

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　　[11]趙萍,鐘賢和.風(fēng)電葉片長度的設(shè)計及影響因素[J].電氣技術(shù),2009(08):71-74.

 

　　作者：協(xié)合新能源集團有限公司 姚志偉 張瑩博 紀賢濤

 

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