風(fēng)電機(jī)組葉片增功組件研究與實(shí)踐

文|劉峰

攝影：任永紅

在風(fēng)電機(jī)組葉片根部、迎風(fēng)面等位置黏貼相關(guān)組件，可以改善風(fēng)電機(jī)組葉片的氣動(dòng)性能、抑制失速，提高風(fēng)能利用系數(shù)。2014 年初以來(lái)，我們小組比對(duì)了國(guó)內(nèi)外葉片增功組件文獻(xiàn)，并對(duì)國(guó)內(nèi)葉片增功組件的應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)研論證，自主設(shè)計(jì)完成了三種型式的增功組件，在某風(fēng)電場(chǎng)的2臺(tái)機(jī)組上分別進(jìn)行安裝試驗(yàn)。安裝增功組件前后的發(fā)電量數(shù)據(jù)對(duì)比顯示，葉片安裝增功組件后發(fā)電量顯著提升。本文將重點(diǎn)說(shuō)明葉片增功組件的結(jié)構(gòu)型式、工藝流程、數(shù)據(jù)分析及比較結(jié)果，為下一步增功組件的深入優(yōu)化和推廣應(yīng)用提供參考方法和數(shù)據(jù)支持。

增功組件的結(jié)構(gòu)型式

一、渦流發(fā)生器

我們?cè)诿恐~片上布置有一到兩列渦流發(fā)生器，呈條狀安裝在葉片吸力面根部過(guò)渡段至葉展中部區(qū)域，覆蓋面超過(guò)葉展一定比例，位于弦向某位置附近處。為更好地抑制葉片表面氣流失速現(xiàn)象（針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際情況），本次設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)將渦流發(fā)生器的安裝位置向前緣方向進(jìn)行了調(diào)整。前期設(shè)計(jì)中明確了渦流發(fā)生器的結(jié)構(gòu)尺寸（見(jiàn)圖1），對(duì)高度H、間隔Z、長(zhǎng)度L、間距S、傾角β、底座寬、距前緣距離等參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。

二、阻力板

阻力板由與葉片同材質(zhì)的復(fù)合材料制成。每支葉片安裝多塊擾流板，呈“一字型”固定在葉片壓力面根部位置，與前緣方向呈一定夾角。單塊阻力板尺寸、重量、各板間距、厚度等參數(shù)都經(jīng)過(guò)認(rèn)真計(jì)算和施工工藝考慮確定。擾流板底座總體呈長(zhǎng)方形，尺寸根據(jù)葉片型式不同而不同，使用專(zhuān)用膠固定（有一定弧度以便粘接）在葉片上。沿展向從距葉根一定位置處開(kāi)始安裝，對(duì)起點(diǎn)距后緣的距離、終點(diǎn)距后緣的距離都進(jìn)行了明確規(guī)定。

三、格尼襟翼

圖1 渦流發(fā)生器外形及尺寸定義

格尼襟翼由與葉片同材質(zhì)的復(fù)合材料制成。每支葉片安裝多塊格尼襟翼，呈弧形一字排列在葉片尾緣最大弦長(zhǎng)處。為保證強(qiáng)度，在后緣處預(yù)留了一定距離，沿葉展方向與T 型擾流板相鄰，詳見(jiàn)圖2。每塊襟翼夾角為直角，固定安裝間距，使用專(zhuān)用膠粘接固定在葉片上。

安全性分析

本次研究，為保證葉片安裝增功組件后重要部位載荷不超允許范圍，研究人員根據(jù)GL 規(guī)范，利用Blade 軟件對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)77/1500 機(jī)組模型LM37.3 葉片帶渦流發(fā)生器以及不帶渦流發(fā)生器在同一風(fēng)區(qū)下(IEC IIA)，分別根據(jù)葉片坐標(biāo)系、輪轂坐標(biāo)系、塔架坐標(biāo)系進(jìn)行了載荷計(jì)算，對(duì)比結(jié)果分別見(jiàn)圖3、圖4、圖5。

圖2 格尼襟翼外形圖

圖3 葉片坐標(biāo)系下帶與不帶渦流發(fā)生器各方向力矩及受力圖表

圖4 輪轂坐標(biāo)系下帶與不帶渦流發(fā)生器各方向力矩與受力圖表

圖5 塔架坐標(biāo)系下帶與不帶渦流發(fā)生器各方向力矩與受力圖表

比較可得，對(duì)于LM37.3 葉片帶渦流發(fā)生器以及不帶渦流發(fā)生器，極限載荷以及疲勞載荷，葉根Mx、My、Mxy，輪轂中心My、Mz、Myz，塔頂載荷My、Mxy，塔底載荷My、Mxy 等主要載荷變化幅度最大在2%左右。這遠(yuǎn)小于風(fēng)電機(jī)組在設(shè)計(jì)過(guò)程中預(yù)留的15%－35%的載荷余量，所以在葉片上安裝渦流發(fā)生器等小型增功組件對(duì)風(fēng)電機(jī)組載荷影響不大，在其允許載荷范圍內(nèi)。

增功組件的安裝工藝流程

分別選定某風(fēng)電場(chǎng)306 機(jī)組、103 機(jī)組作為改造機(jī)組。同類(lèi)增功組件采用批次安裝方法，以便分析單一種類(lèi)增功組件的作用效果。即，首先在306 機(jī)組上安裝渦流發(fā)生器；然后安裝103 機(jī)組的三類(lèi)增功組件，同時(shí)收集306 機(jī)組的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；最后安裝306 機(jī)組的T 型擾流板和格尼襟翼。

安裝施工采用吊籃作業(yè)方法，未使用大型吊裝設(shè)備，節(jié)省了成本和時(shí)間。開(kāi)工前對(duì)安全措施、原材料、工具、施工機(jī)械進(jìn)行了檢查。通過(guò)劃線、打磨、粘貼、烘干、膠衣修復(fù)、固化等作業(yè)工序，用10天時(shí)間完成了2臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的增功組件安裝。

一、定位與粘貼的質(zhì)量控制

葉片安裝增功組件的工藝難點(diǎn)在于確定安裝位置和保證粘貼質(zhì)量。葉片表面是曲率變化的曲面，為了精確找到設(shè)計(jì)的安裝點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)制作了專(zhuān)用的測(cè)量工具，用于在葉片上定位。為保證粘貼質(zhì)量，施工對(duì)粘接劑的厚度和均勻程度均進(jìn)行了控制，其中對(duì)渦流發(fā)生器、阻力板和格尼襟翼的膠層厚度均進(jìn)行了不同標(biāo)準(zhǔn)限定，并對(duì)烘干溫度和固化時(shí)間進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定。這些數(shù)據(jù)均來(lái)源于地面上預(yù)先進(jìn)行的粘貼試驗(yàn)和拉力測(cè)試。

二、施工環(huán)境條件控制

施工期為10 月27 日至11 月12 日，施工期間某風(fēng)電場(chǎng)的氣溫均在10℃以上，滿足施工條件。施工方案中針對(duì)下雨采取了防范措施，為保證葉片原有纖維的強(qiáng)度，表面打磨和膠衣修復(fù)工作均控制在晴朗天氣條件下進(jìn)行。部分施工過(guò)程及安裝效果見(jiàn)圖6。11 月12 日，成功完成了2 臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的增功組件安裝。

安裝前后數(shù)據(jù)對(duì)比分析

一、機(jī)位選擇

試驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)位于沿海灘涂區(qū)，裝機(jī)容量49.5MW，安裝有33 臺(tái)1.5MW 風(fēng)電機(jī)組。其中，19 臺(tái)使用昆山華風(fēng)葉片，12 臺(tái)使用丹麥艾爾姆LM37.3P2 型葉片，其余2 臺(tái)使用東汽自產(chǎn)葉片。改造風(fēng)電機(jī)組和對(duì)比風(fēng)電機(jī)組的選擇原則為：

（1）風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行情況良好且無(wú)限電，發(fā)電能力接近。

（2）風(fēng)電機(jī)組位置在風(fēng)電場(chǎng)具有代表性，與對(duì)比風(fēng)電機(jī)組間距大于5 倍－6 倍風(fēng)輪直徑。

（3）風(fēng)電機(jī)組主風(fēng)向10 倍風(fēng)輪直徑內(nèi)無(wú)其他風(fēng)電機(jī)組或障礙物。

（4）風(fēng)電機(jī)組所處地形平坦。

綜合考慮以上因素及施工場(chǎng)地條件，確定在臨海一側(cè)的306 機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)西南邊緣的103 機(jī)組上安裝增功組件。在對(duì)比風(fēng)電機(jī)組的選擇上，306 機(jī)組與臨近307 機(jī)組對(duì)比，103 機(jī)組與臨近102 機(jī)組對(duì)比。其中，306 機(jī)組和307 機(jī)組采用昆山華風(fēng)葉片，102 機(jī)組和103 機(jī)組采用LM 葉片。

二、提效情況分析

（一）306 風(fēng)電機(jī)組改造前后數(shù)據(jù)分析

圖7 給出了改造前后的發(fā)電量曲線。需要指出的是，盡管采用了批次安裝增功組件的方式以便分離各類(lèi)組件的增升作用，由于SCADA 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄及安裝時(shí)間問(wèn)題，僅收集到部分風(fēng)速段下單獨(dú)安裝渦流發(fā)生器后的發(fā)電量。

根據(jù)某風(fēng)電場(chǎng)代表年的風(fēng)頻威布爾分布數(shù)據(jù)圖，結(jié)合增功組件安裝前后各風(fēng)速段的發(fā)電量計(jì)算結(jié)果，計(jì)算得出306 風(fēng)電機(jī)組改造前后的年發(fā)電量提升了3.37%。其中，改造后采樣點(diǎn)不足處，按照風(fēng)速高于12.5m/s 后發(fā)出額定功率計(jì)算。

圖6 吊籃、劃線與打磨

圖7 306風(fēng)電機(jī)組改造前后功率曲線對(duì)比

（二）103 風(fēng)電機(jī)組改造前后數(shù)據(jù)分析

按照目前的運(yùn)行情況，利用某風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電場(chǎng)代表年的風(fēng)頻威布爾分布數(shù)據(jù)，計(jì)算得出103 風(fēng)電機(jī)組改造后的年度發(fā)電量提升3.63%，如圖8。

（三）改造風(fēng)電機(jī)組與鄰近風(fēng)電機(jī)組的對(duì)比

科學(xué)的數(shù)據(jù)分析方法是驗(yàn)證風(fēng)電機(jī)組提效結(jié)果的重要因素。因此在進(jìn)行同一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組改造前后的縱向?qū)Ρ群?，研究小組還進(jìn)行了與鄰近機(jī)組的橫向數(shù)據(jù)對(duì)比。在進(jìn)行橫向?qū)Ρ戎?，主要考慮了以下幾方面因素：

（1）忽略可能的尾流影響區(qū)域。根據(jù)IEC61400－12 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，307 機(jī)組在306 機(jī)組北偏西方向15°，兩風(fēng)電機(jī)組直線距離590 m，需剔除風(fēng)向（340°－350°）及（160°－170°）的兩臺(tái)風(fēng)電機(jī)組互相影響扇區(qū)內(nèi)的功率點(diǎn)；103 機(jī)組在102 機(jī)組的西偏北10 度，因此剔除風(fēng)向（275°－285°）及（95°－105°）扇區(qū)的功率點(diǎn)。

（2）改造風(fēng)電機(jī)組與對(duì)比風(fēng)電機(jī)組中任一臺(tái)機(jī)組故障時(shí)，均剔除此時(shí)段兩臺(tái)機(jī)組的數(shù)據(jù)。

（3）根據(jù)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)代碼，剔除風(fēng)電機(jī)組解纜、維護(hù)、限電時(shí)的數(shù)據(jù)。

根據(jù)風(fēng)能利用公式，風(fēng)電機(jī)組輸出的功率為：

式中 Cp－風(fēng)電機(jī)組的功率系數(shù)，A－風(fēng)電機(jī)組的掃掠面積，ρ－空氣密度，v－風(fēng)速。

風(fēng)電機(jī)組葉片安裝增功組件后，風(fēng)電機(jī)組的掃風(fēng)面積A 沒(méi)有發(fā)生變化；空氣密度在改造前后的時(shí)間段內(nèi)變化也不大（這也是要求盡量采用時(shí)間段較近的區(qū)間進(jìn)行功率比較的原因）；而對(duì)于橫向?qū)Ρ鹊娘L(fēng)電機(jī)組，兩臺(tái)臨近風(fēng)電機(jī)組同一時(shí)間空氣密度基本一致。只有兩臺(tái)風(fēng)電機(jī)組同一時(shí)間測(cè)得的風(fēng)速略有差異?？梢酝ㄟ^(guò)剔除尾流扇區(qū)影響和選擇臨近且地面粗糙度接近的風(fēng)電機(jī)組來(lái)減小風(fēng)速差異。

由于葉片安裝增功組件是改變?nèi)~片的風(fēng)能利用系數(shù)Cp值來(lái)提高發(fā)電效率的，因此我們將306 機(jī)組與307 機(jī)組在10 月1 日至11 月30 日期間滿足上述條件的日發(fā)電量與當(dāng)日平均風(fēng)速的立方相除。用以評(píng)價(jià)306 機(jī)組在改造前（10月27 日開(kāi)工）與改造后（11 月6 日完工）風(fēng)能利用情況（詳見(jiàn)圖9）。

用同樣的分析方法，將103 機(jī)組改造前（10 月1 日至11 月6 日）改造后（11 月11 日至11 月30 日）的有效電量與風(fēng)速立方的比值與臨近的102 機(jī)組對(duì)比，得到圖10 中的曲線。

圖8 103風(fēng)電機(jī)組改造前后功率曲線對(duì)比

圖9 306風(fēng)電機(jī)組改造前后風(fēng)能利用情況與307風(fēng)電機(jī)組對(duì)比圖

圖10 103風(fēng)電機(jī)組改造前后風(fēng)能利用情況與102風(fēng)電機(jī)組對(duì)比圖

（四）經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

風(fēng)電場(chǎng)2012 年－2013 年平均利用小時(shí)為1630 h，按上網(wǎng)綜合電價(jià)為0.67 元/kWh 計(jì)算，按照平均提效3%保守計(jì)算，風(fēng)電場(chǎng)33 臺(tái)風(fēng)電機(jī)組全部改造后，年增加收益為1630×4.95×3%×0.67 ＝162.18 萬(wàn)元。

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了在某試驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組上安裝渦流發(fā)生器、阻力板和格尼襟翼三種增功組件的結(jié)構(gòu)形式、安裝位置、施工工藝，闡述了數(shù)據(jù)收集、效果對(duì)比的方法。結(jié)果顯示，在風(fēng)電機(jī)組上安裝渦流發(fā)生器、阻力板和格尼襟翼3 種增功組件可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電量提升。風(fēng)電場(chǎng)2 臺(tái)機(jī)組安裝3 種增功組件前后的發(fā)電量數(shù)據(jù)顯示，其年發(fā)電量預(yù)計(jì)可增加3%以上（其中306 機(jī)組提升3.37%，103 機(jī)組提升3.63%）。風(fēng)電場(chǎng)全部改造后，年增加收益約為162.18 萬(wàn)元人民幣，預(yù)計(jì)投資回收期不足2 年，按照風(fēng)電機(jī)組還剩15 年的使用壽命計(jì)算，某風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電場(chǎng)在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)可增加收入162.18×15－40.2 ＝2392.5 萬(wàn)元。其中，40.2 萬(wàn)元是3 臺(tái)風(fēng)電機(jī)組安裝過(guò)程中扣除的電量損失費(fèi)用。

同時(shí)，本次研究存在以下不足：

（1）由于風(fēng)電場(chǎng)SCADA 系統(tǒng)的限制，同一時(shí)間只能錄波一臺(tái)機(jī)組的秒級(jí)數(shù)據(jù)；加之施工時(shí)段接近11 月，時(shí)間限制僅收集到部分風(fēng)速段下的渦流發(fā)生器數(shù)據(jù)，因此報(bào)告中單獨(dú)加裝渦流發(fā)生器的作用無(wú)法分析獲得其獨(dú)立的提效效果。

（2）為了獲得提效結(jié)果，需要改造前后全風(fēng)速段的發(fā)電量數(shù)據(jù)?？捎玫拿爰?jí)數(shù)據(jù)風(fēng)速覆蓋不全，盡管如此仍然要處理近300M 的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理消耗了大量的時(shí)間和精力，這也為今后開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)處理軟件提出了應(yīng)用需求。

攝影：鄒大勇

（3）數(shù)據(jù)分析使用了葉片安裝增功組件前后共2 個(gè)月的數(shù)據(jù)值，通過(guò)歷年氣象數(shù)據(jù)計(jì)算某風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電場(chǎng)在10 月－11 月期間空氣密度變化不大。根據(jù)日平均氣溫為最高氣溫和最低氣溫的平均值，月平均氣溫為該月各日平均氣溫的平均值，可以計(jì)算得出山東某風(fēng)電場(chǎng)2014 年10月和11 月的平均氣溫分別為16.73℃和16.57℃。結(jié)合空氣密度公式，空氣密度＝1.293×(實(shí)際壓力/標(biāo)準(zhǔn)物理大氣壓)×(273.15/實(shí)際絕對(duì)溫度)，絕對(duì)溫度＝攝氏溫度＋273.15。且20 攝氏度時(shí)，空氣密度為1.205kg/m3。計(jì)算得出：某風(fēng)電場(chǎng)10 月份平均溫度對(duì)應(yīng)空氣密度1.2186kg/m3；11 月份對(duì)應(yīng)空氣密度1.2193kg/m3。空氣密度影響因素為1.2193/1.2186－1 ＝0.057%。因此數(shù)據(jù)處理中忽略了空氣密度對(duì)功率值的影響。