風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率提升解決方案
——葉片前緣貼膜

劉軼 董旭 王中偉 呂偉周 高福偉 張華 楊國兵 鄧?yán)?/p>

1 國華瑞豐（榮成）風(fēng)力發(fā)電有限公司, 2 中外天利（北京）風(fēng)電科技有限公司

葉片是風(fēng)電機(jī)組將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的重要部件之一，是獲取較高風(fēng)能利用系數(shù)和經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)，作為捕獲風(fēng)能的唯一構(gòu)件，葉片狀態(tài)的好壞直接影響到整機(jī)的性能和發(fā)電效率。葉片前緣由于長期受到風(fēng)力的摩擦以及沙粒、鹽霧、雨水的沖擊，是風(fēng)電葉片上最容易出現(xiàn)腐蝕的部位[1]。特別是葉片的葉尖前緣部位，由于比較薄且葉尖運(yùn)轉(zhuǎn)的線速度很大，該部位的腐蝕是整個葉片中最為嚴(yán)重的。風(fēng)電葉片前緣出現(xiàn)腐蝕之后，風(fēng)電葉片的氣動性能將受到影響，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量效率下降[2]。葉片前緣腐蝕問題如果不及時解決，隨著時間的推移，葉片會發(fā)生更為嚴(yán)重的損傷[3]，隨時都會發(fā)生意外損傷甚至事故，直接影響風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行和風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)效益。

本文從葉片前緣部位腐蝕的問題出發(fā)，由國華瑞豐（榮成）風(fēng)力發(fā)電有限公司和中外天利（北京）風(fēng)電科技有限公司共同提出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率提升解決方案——葉片前緣貼膜，用于國華瑞豐（榮成）風(fēng)力發(fā)電（一期）項(xiàng)目風(fēng)機(jī)葉片前緣防護(hù)，進(jìn)而達(dá)到提升機(jī)組功率。

1 風(fēng)電場及葉片概況

國華瑞豐（榮成）風(fēng)力發(fā)電有限公司投資建設(shè)的國華瑞豐（榮成）風(fēng)力發(fā)電（一期）項(xiàng)目位于山東省榮成市北部沿岸地區(qū)（如圖1所示）。榮成市位于山東半島最東端，三面環(huán)海，海岸線長487 公里，屬于北溫帶季風(fēng)型大陸性氣候，四季變化的季風(fēng)進(jìn)退都比較明顯。風(fēng)電場輪轂安裝高度為70m ，年平均風(fēng)速為6.62m/s，年平均風(fēng)功率密度為331.8W/m2，風(fēng)速在3m/s～25m/s 間的出現(xiàn)頻率占93.07%，風(fēng)電場的主風(fēng)向和主風(fēng)能風(fēng)向均為NW。于2006年開始建設(shè)，2007年并網(wǎng)發(fā)電。

圖1：國華瑞豐（榮成）風(fēng)力發(fā)電（一期）項(xiàng)目地理位置

本工程風(fēng)電場位于榮成市東北方向成山鎮(zhèn)沿海地帶，所有風(fēng)機(jī)擬布置環(huán)海公路邊，氣候潮濕、多雨、有鹽霧。三面環(huán)海，受海洋調(diào)節(jié)顯著，海洋氣候特點(diǎn)表現(xiàn)突出，具有四季分明、氣候溫和、冬少嚴(yán)寒、夏無酷暑、季風(fēng)明顯、空氣濕潤、降水集中等特點(diǎn)。且風(fēng)電場場址位于渤海灣南岸，渤海灣是我國著名的鹽工業(yè)基地，該地區(qū)降雨量小，蒸發(fā)量大，沿岸地區(qū)鹽霧較重，對風(fēng)機(jī)的金屬材料、電氣設(shè)備、葉片造成一定的危害。

鹽霧給風(fēng)力發(fā)電機(jī)組帶來的危害主要為：鹽霧與空氣中的其他顆粒物在葉片靜電的作用下，在葉片表面形成覆蓋層，嚴(yán)重的影響葉片氣動性能，產(chǎn)生噪音污染和影響美觀，且會導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效率下降；經(jīng)過一系列的化學(xué)反應(yīng)后使設(shè)備原有的強(qiáng)度遭到破壞，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片承受最大載荷的能力大大降低，使設(shè)備不能達(dá)到設(shè)計(jì)運(yùn)行要求，給設(shè)備安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重后果。

風(fēng)電場風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從2007年到2017年已10年時間，經(jīng)過實(shí)地考察，由于風(fēng)機(jī)所在地理位置鹽霧較重，以及葉片修復(fù)周期較長的問題。通過對風(fēng)機(jī)的葉片進(jìn)行檢查，都存在前緣腐蝕問題（如圖2所示）：

圖2：風(fēng)機(jī)葉片腐蝕情況

上述檢查說明風(fēng)電場的鹽霧腐蝕較為嚴(yán)重，葉片前緣已呈現(xiàn)成片連續(xù)的溝槽狀缺陷，前緣涂層完全剝落，同時部分前緣基體出現(xiàn)破損。不同程度的前緣腐蝕，最終導(dǎo)致葉片氣動性能下降，進(jìn)而風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效率下降，如不及時處理修復(fù)，可能致使葉片斷裂失效、開裂失效等損壞，而給設(shè)備安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重后果。

因此，為解決風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片腐蝕存在的諸多問題，選擇葉片前緣保護(hù)膜作為葉片前緣耐腐保護(hù)材料，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片進(jìn)行耐腐改造，從而達(dá)到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率提升的目的。

2 葉片前緣保護(hù)膜技術(shù)特性

葉片前緣保護(hù)膜可以用來保護(hù)風(fēng)電葉片表面，防止雨水，沙粒及鹽霧等物體對葉片表面的撞擊和侵蝕。保護(hù)膜是由防穿刺，耐磨損透明的聚氨酯彈性體構(gòu)成，具有良好的耐紫外性能。滿足葉片前緣耐腐技術(shù)及工程施工要求，徹底解決葉片前緣腐蝕問題，實(shí)現(xiàn)對葉片前緣的保護(hù)，達(dá)到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率提升的目的（如圖3所示）。

圖3：葉片前緣保護(hù)膜

葉片前緣保護(hù)膜具有以下特點(diǎn)：高的耐久性，確保長的使用壽命；基于超過40年以上的航空器應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)；風(fēng)電行業(yè)超過20年以上的葉片應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)；各種顏色、尺寸的選擇。

葉片前緣保護(hù)膜參數(shù)：

葉片前緣保護(hù)膜具有以下優(yōu)點(diǎn)：均一的膜層厚度，保證卓越、一致、持久的防護(hù)性能；具有良好的抗紫外線老化性能；具有高斷裂伸長率；該產(chǎn)品質(zhì)地柔軟，柔韌性和延展性優(yōu)異；服役溫度區(qū)間大，能夠滿足國內(nèi)各地風(fēng)場的要求；良好的回彈特性能夠?qū)⑦\(yùn)動顆粒（雨滴、沙粒等）對葉片保護(hù)膜的沖擊力分散到附近區(qū)域，從而具備優(yōu)異的抗磨蝕性能；提升葉片維護(hù)周期；方便快捷的施工適用風(fēng)場現(xiàn)場維修；寬廣的安裝環(huán)境要求可以在嚴(yán)酷的環(huán)境下施工。

3 葉片前緣保護(hù)膜的應(yīng)用

國華瑞豐（榮成）風(fēng)力發(fā)電有限公司和中外天利（北京）風(fēng)電科技有限公司經(jīng)過前期葉片檢查數(shù)據(jù)，共同選擇23臺機(jī)組進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率提升解決方案——葉片前緣貼膜改造。

貼膜區(qū)域的葉片表面質(zhì)量會影響到保護(hù)膜的貼覆性能，因此在貼膜前要確保貼膜區(qū)域的表面油漆完全固化，并且確保表面是光滑和清潔的狀態(tài)。

根據(jù)前期對機(jī)組葉片檢查數(shù)據(jù)，制定技改流程，進(jìn)行現(xiàn)場施工：

針對葉片的腐蝕缺陷進(jìn)行修復(fù)，進(jìn)行打磨和刷膩?zhàn)樱鐖D4所示：

圖4：葉片打磨（左）刷膩?zhàn)庸袒ㄓ遥?/p>

葉片膩?zhàn)庸袒?，進(jìn)行找平和刷油漆，如圖5所示：

圖5：膩?zhàn)诱移剑ㄗ螅┧⒂推峁袒ㄓ遥?/p>

刷油漆完成后至少要等待24小時才能進(jìn)行葉片前緣貼膜的后續(xù)工作，進(jìn)行油漆找平打磨并清洗葉片表面，如圖6。

葉片表面清洗風(fēng)干后，貼葉片保護(hù)膜及刮平，不允許有微小氣泡，如圖7。

圖6：打磨清洗葉片表面

圖7：葉片貼保護(hù)膜及刮平

圖8：葉片保護(hù)膜封邊

葉片保護(hù)膜封邊，如圖8所示：

完成葉片前緣貼膜工程，機(jī)組運(yùn)行半年后，對貼膜葉片前緣表面進(jìn)行檢查，表面完好，保護(hù)膜對葉片前緣起到良好的保護(hù)作用；進(jìn)行機(jī)組數(shù)據(jù)采集，對比技改前后機(jī)組運(yùn)行情況，功率提升最高達(dá)到2%，幾臺機(jī)組曲線對比如下圖所示：

圖9：4#機(jī)組貼膜前后功率對比

4 結(jié)論

圖10：5#機(jī)組貼膜前后功率對比

圖11：10#機(jī)組貼膜前后功率對比

圖12：24#機(jī)組貼膜前后功率對比

經(jīng)葉片前緣貼膜在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用后對葉片前緣表面檢查，與未進(jìn)行葉片前緣貼膜的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比發(fā)現(xiàn)，起到了對葉片前緣防護(hù)的效果，可以預(yù)防雨滴、冰雹、鹽霧、灰塵/砂石以及野外高空飛蟲及生物等的腐蝕，可以預(yù)防紫外光及濕氣等的老化，避免對設(shè)備安全運(yùn)行造成影響，進(jìn)而產(chǎn)生安全事故；對機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)分析、功率曲線對比，葉片前緣貼膜避免了葉片前緣腐蝕而造成的發(fā)電量效率下降，影響機(jī)組出功，從而達(dá)到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率提升的作用，具有在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片前緣改造中推廣應(yīng)用的價值。