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CWPC2024:龍源(北京)新能源工程技術有限公司首席葉片工程師李存義發表《風電機組葉片提質增效技術研究與應用》的演講

2024-04-28 瀏覽數:98

各位領導、各位專家、各位同仁,大家上午好!我匯報的題目是:風電機組葉片提質增效技術研究與應用。主要想和大家分享

各位領導、各位專家、各位同仁,大家上午好!

我匯報的題目是:風電機組葉片提質增效技術研究與應用。主要想和大家分享一下葉片在長期運行過程中面臨的主要問題,以及相關的技術方案探討。

匯報分為以下幾部分:

龍源電力簡介,龍源電力集團股份有限公司成立于1993年,現隸屬于國家能源集團。2009年,在香港主板成功上市,被譽為“中國新能源第一股”。2022年正式在A股上市,成為國內首單H股新能源發電央企回歸A股、首單五大發電集團新能源企業登陸A股資本市場、首單同步實施換股吸收合并、資產出售和資產購買項目。龍源電力是中國最早開發風電的專業化公司,率先開拓了我國海上、低風速、高海拔等風電領域,率先實現我國風電“走出去”,不斷引領行業發展和技術進步。自2015年以來,持續保持世界第一大風電運營商地位。目前,龍源電力已成為一家以開發運營新能源為主的大型綜合性發電集團,擁有風電、光伏、潮汐、生物質、火電、地熱等電源項目,構建了業內領先的新能源工程咨詢設計、前期開發、工程建設管理、工程運維技術、碳資產開發管理、儲能等技術服務體系,業務分布于國內32個省區市以及加拿大、南非、烏克蘭等國家,為全球能源綠色低碳發展和可再生能源利用做出積極貢獻。

下面分享一下我們葉片運維方面的一些經驗,葉片在長達20年甚至更長的長期運行中會面臨諸多的挑戰,例如極端的高溫、低溫、凍雨、沙石、大風、腐蝕,葉片長效、安全、可靠性運行面臨非常巨大的挑戰。我們知道影響葉片氣動發電性能主要是葉尖到葉根1/2-2/3的位置。葉片高效運行面臨的兩大問題:葉片覆冰、前緣腐蝕,都是行業內值得重點關注和亟待解決的問題。

下面,分別就這兩大問題探討一下相關解決方案。

覆冰問題,目前在國外20%的風電廠存在覆冰問題,像丹麥、芬蘭等國家,我國國內超過8萬臺以上風電機組存在這種覆冰問題。覆冰是一個極其復雜的過程,覆冰類型可以分為:雨凇、霧凇、濕雪、混合淞。對發電性能影響的排序,最主要的是雨凇、混合淞、霧凇,其次是濕雪。

覆冰對于機組的影響,改變風機氣動特性,降低發電量。葉片覆冰以后由于葉片每個截面覆冰厚度不一,使得葉片原有的翼型改變,破壞其原有的平衡,從而改變風機的氣動特性,進而影響風機的出力。減少機組的疲勞壽命。由冰塊附加的重量,將導致葉片靜載和動載的改變,減少葉片運行壽命。此外,各葉片的重量可能會存在一定差異,葉片旋轉產生的振動幅值和振動頻率都會和設計工況出現偏差,塔筒的載荷同樣會因此受到影響。葉片覆冰造成葉根處的載荷明顯增加。安全隱患。風機葉片上的積冰會在融化過程中產生甩冰現象。大冰塊的脫落可能會導致嚴重的人員和財產安全危害,特別是位于公路、房舍、輸電線路等附近的風機。

目前國內外主流技術路線主要包括:氣熱、涂料、電熱。我們從2018年就開展了三種主流技術路線研究,選擇國內不同風場、不同覆冰類型開展單一式和組合式方案技術研究探討,我們發現目前這種防冰技術有待進一步突破,特別是綜合考慮不同的覆冰類型、結冰的形態,還有除冰效率和成本方面,才能實現最優的除冰效果。

分享一下目前幾大主流技術研究路線:

涂層方面,超疏水涂層抑制冷凝,在覆冰前期有一定效果,但在大霧情況下效果有待進一步改善;低冰粘附涂層,這種是目前行業里非常具有發展前景的涂層,目前低冰粘附強度可以做到20千帕或者10千帕以內。光熱涂層,這種效果目前在國外做了掛機實驗,國內主要是以實驗室研究階段為主,目前不止可以做到黑色涂料,目前國內可以做成半透明或者透明的涂料。

(圖示)目前這種加熱技改,在役機組如何快速技改,我們2021年采用高空技改,采用真空灌注碳纖維材料,2021年到現在已經運行三年多,目前非常穩定可靠,驗證這種技術路線具有可行性。但這種工藝施工周期比較長,后來我們進行了中間第二代產品的嘗試,將加熱模預制成復合模,地面表面預制,然后采用手糊工藝,降低工期,縮短30%左右。右邊是氣熱比較成熟的方案,氣熱方案在以淞霧為主的覆冰環境下取得不錯的效果。但在溫度比較低的霧凇情況下效果有待進一步論證。

防覆冰技術還有一個比較核心的,如何進行防覆冰系統的啟停。各大主機都在做防冰保護策略,基本上降低60%-70%理論功率,持續半小時或1小時進行停機。除冰系統如何在機組停機之前介入,實現除冰是非常關鍵的,還是影響除冰整體效果核心的問題。因此我們結合龍源在氣象方面研究的積累,針對不同風場建立的覆冰預測模型,現在已經實現在全國不同區域、不同風場、不同時刻結冰的預警,實現防覆冰系統機型提前預警。我們進行了單一和組合式方案對比,組合式方案里電熱貢獻很大,50%以上,氣熱30%左右,涂層是6%左右,不同區域有一定差異,也驗證了電熱效果非常優異的。很多業內人士覺得涂層沒有一定效果,我想說涂層也有一定效果。

(圖示)這是我們實際測的效果,在風場延緩結冰時長6小時左右,有一定發電量提升。比較核心的是如何選對風場結冰類型,還有涂層的性能,還有葉片涂覆位置,這是非常核心和關鍵的。

前緣腐蝕問題,也是目前行業內比較存在的問題,前緣腐蝕和降雨量呈相關性比較強。我們統計了全國不同區域前緣腐蝕問題,通過無人機采集到的照片,我們發現在廣西、貴州、福建、上海等區域,降雨量比較大的區域確實前緣腐蝕是更嚴重的。然后在西北,像降雨量比較少的風場,主要還是以沙石為主,對于氣動性能方面影響還是更弱一些。目前行業內前緣腐蝕解決方案主要是兩大類:前緣保護膜、前緣保護涂料。前緣保護膜性能非常優異,兩個問題亟待突破:成本問題、工藝問題。前緣保護涂層應用是非常廣泛的,但這個涂層實際上能不能用到大家所說的5年或者更長時間,有一些掛機效果并沒有達到這么好。

我們聯合一些廠商和科研院所也在做一個國產前緣保護膜替代性產品的嘗試。我們發現在實際前緣腐蝕設計可以達到10年或者20年免維護,但通過掛機測試,我們發現偏差很大,有的5年,有的不到5年已經損壞了。針對存在的問題分析了一下可能存在兩方面原因:雨蝕測試規范提到了雨滴直徑、降雨速率和實際偏差非常大;雨蝕是其中一個因素,還有紫外、高低溫循環的作用會加速前緣腐蝕問題。我們發現實際掛機效果有點問題的情況下,有可能工藝控制有待進一步改善。因為這種材料也是“3分材料、7分工藝”,因素占比非常大。為此我們在去年年底,在能源局立項了前緣保護改造技術規程,從前緣保護性能標準、相關施工工藝提供一些規范,以期實現產品的規范,還有選型,還有施工運行維護做一些指導。

最后是相關技術的展望,防冰技術,目前防冰有很多技術點亟待突破。從大量實踐經驗發現,防冰技術路線電熱和涂層還是非常具有發展前景的,而且復合式方案是未來或者一段時間內重點研究方向。電熱方案效果非常好,最核心是葉尖5-10米范圍之內無法突破,95%雷擊概念都在葉尖部分。如何平衡電熱除冰效率和雷擊風險是綜合設計需要考慮的因素,所以葉尖問題我們在實際發現有很多情況葉尖沒有鋪設,或者鋪設不合理的話,很有可能在運行過程中電熱位置是沒有結冰,但風機還是運轉不起來。葉尖問題可以有幾種方案,涂層是一種方案;還有氣熱方案,在流道比較好情況下也是一個好的補充方案。針對前緣腐蝕問題,目前隨著葉片大型化發展前緣腐蝕問題會越來越突出。特別是在運行階段加強葉片前緣腐蝕問題的巡檢,通過無人機或者一些其他智能化手段定期做一些檢查,發現問題及時修補,可以避免大的損壞或者葉片大的質量問題,可以精細化維護,實現全生命周期的發電量提升。

隨著葉片大型化發展,葉片前緣腐蝕問題會更加凸顯,葉片運行階段應重視葉片前緣腐蝕問題,及時發現和處理問題,避免葉片大修、更換等大問題的處理,精細化維修可實現全壽命周期發電量提升。在一些較嚴重腐蝕區域,采用前緣保護膜與前緣保護漆結合的方案可降低壽命周期成本。防冰技術、前緣保護技術相關的標準體系有待進一步完善。防冰和前緣相關技術研究希望行業里上下游一起共同努力,無論是從技術標準制定還是技術聯合創新,這方面大家一起推動才能實現風電的高質量發展。

謝謝大家!   


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