葉片氣熱除冰技術經(jīng)濟適用性分析

李郝 張朝鋒

2019年5月，國家發(fā)展改革委發(fā)布《關于完善風電上網(wǎng)電價政策的通知》，明確了陸上風電標桿上網(wǎng)電價改為指導價的時間窗口。對于我國南方低風速區(qū)域的風電運營商來說，開發(fā)新項目的價值低于維護提升已有項目的價值，所以，在在運風電場更換機型的具體要求出臺前，用新配置來提高在運風電場的收益率，不失為一個合理且經(jīng)濟的選擇。

我國南方低風速區(qū)域冬季的氣溫相對較高，但凍雨災害頻發(fā)，出現(xiàn)凍雨較多的有貴州、四川、湖南、江西、湖北等省份，加之凍雨多發(fā)于高海拔山區(qū)，對風電場發(fā)電量影響極大。在風電機組葉片各除冰技術中，氣熱除冰技術是一種重要且有效的方法，并獲得了相關基礎技術研究的驗證。在冰凍更嚴重的西歐國家，該技術已得到普遍應用。但在我國，其應用并不十分廣泛。

本文針對我國南方低風速區(qū)域存量市場所面臨的易結冰氣候，介紹了氣熱除冰技術的實際應用情況，并進行經(jīng)濟適用性評估，為氣熱除冰技術在風電存量市場的推廣和應用提供可行性評估依據(jù)。

風電場除冰試驗

氣熱除冰系統(tǒng)主要通過葉根部的裝置加熱空氣，然后通過鼓風機和引風管道將熱空氣輸送到葉片內部以達到除冰、防冰的目的，該系統(tǒng)尤其適用于已裝機的主流葉片的除冰功能技改。圖1中箭頭所指方向為氣流方向，葉片腔內氣體經(jīng)過加熱器加熱后沿紅色箭頭所指方向通過玻璃鋼引風管流向葉尖位置，氣流從葉尖通過與腹板形成的風道形成完整的空氣循環(huán)流動路線。腔內空氣的循環(huán)流動可以有效加熱葉片結冰的前緣重點區(qū)域，并兼顧葉片后緣和葉根段，達到葉片除冰、防冰效果。

本文選取南方某山區(qū)2MW機型葉片為研究對象，在風電機組因葉片覆冰停機情況下開展試驗。融冰過程測試結果表明，該系統(tǒng)在環(huán)境溫度為-10°C左右時（圖2），能夠對葉片進行有效除冰。圖3是風電機組葉片在加熱過程中冰層融化脫落的瞬間。

融冰過程中，將風輪保持在靜止狀態(tài)，用照相設備和熱成像儀對試驗葉片覆冰狀態(tài)和表面溫度分布進行觀察。圖4顯示葉片除冰后在結冰環(huán)境下持續(xù)防冰24h后表面呈現(xiàn)無冰狀態(tài);圖5是在該狀態(tài)下的局部熱成像儀溫度分布檢測，表面的融熔水膜維持在0°C以上。

測試結果表明，該系統(tǒng)在結冰環(huán)境下可以使葉片達到持續(xù)防冰效果，并持續(xù)正常發(fā)電。葉片除冰后使風電機組起機發(fā)電并至滿出力后，觀察風電機組處于結冰環(huán)境下葉片防冰的有效性和可持續(xù)性。發(fā)電量提升評估

通過持續(xù)收集某南方風電場2018年采用氣熱除冰系統(tǒng)的風電機組結冰期的發(fā)電數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)與同風電場普通風電機組的發(fā)電情況進行對比，對比結果如圖6所示。

該風電場處于南方Ⅳ類風區(qū)，氣熱除冰系統(tǒng)的可利用率達到80%以上，通過對數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可知，在2018年冰凍期，采用氣熱除冰系統(tǒng)的風電機組與普通風電機組相比，增發(fā)18萬千瓦時電量。經(jīng)濟性評估及可行性論證

根據(jù)以上風電場實際運行數(shù)據(jù)，以及得出的發(fā)電量提升結論，再以湖北某風電場項目為例，進行經(jīng)濟性評估及可行性論證。

該項目容量為8萬千瓦，準備安裝32臺2.5MW級的風電機組。根據(jù)風電場的氣象、場址等資料得知覆冰期大約為兩個月，因此，按照風電場年覆冰期60天進行計算。

一、評估方法

由于葉片結冰的形狀無法預測，結冰造成的后果難以估算，對發(fā)電量造成的影響難以預測，因此，無法做到對風電場的精確測算。為使評估方法盡量科學合理，本文采用統(tǒng)計學方法進行評估，方法如下：

（1）核算風電場葉片覆冰期時長，包括氣候結冰期和融冰期。

（2）根據(jù)風電場結冰時長假設結冰期完全不發(fā)電，和加裝氣熱除冰裝置完全發(fā)電兩種極端情況。

（3）根據(jù)兩種極端情況核算對應的利用小時數(shù)，得出最高利用小時數(shù)和最低利用小時數(shù)的區(qū)間。

（4）按照上述利用小時數(shù)的區(qū)間核算20年凈收益（NPV）的區(qū)間，同時考慮因安裝氣熱除冰裝置增加的成本，計算20年凈收益（NPV）的區(qū)間。對比凈收益相同條件下，兩種情況發(fā)電量的差值，即安裝氣熱除冰裝置后最少需要增加的利用小時數(shù)。

（5）根據(jù)發(fā)電量的差值進行概率估算，得出氣熱除冰方案達到該效果的概率，進而得出氣熱除冰方案適用于該風電場的可能性。

二、案例概算

以湖北某風電場為例，測算條件設置如下：

（1）假設覆冰期為60天。

（2）通過風能資源計算，假設覆冰期機組滿發(fā)得到的利用小時數(shù)為1971小時，假設覆冰期機組停機得到的利用小時數(shù)為1651小時。

（3）因此，全覆冰期期間機組滿發(fā)與機組停機相差320小時。

（4）按照建設成本7500元/千瓦、貼現(xiàn)率6%，核算20年后扣除投資后凈收益區(qū)間：除冰系統(tǒng)設備成本按照150元/千瓦、200元/千瓦、250元/千瓦三種情況，核算扣除投資后凈收益區(qū)間，如表1所示。

（5）通過圖7可以得出橫坐標相同（收益一致）情況下，電量的差距即為結冰會造成的影響。

由圖表可知：

（1）假設葉片除冰方案為150元/千瓦，安裝除冰系統(tǒng)后利用小時數(shù)增加30小時即可回本。在假設風電場60天結冰期的情況下，該事件發(fā)生的概率為100%。

（2）假設葉片除冰方案為200元/千瓦，安裝除冰系統(tǒng)后利用小時數(shù)增加40小時即可回本。在假設風電場60天結冰期的情況下，該事件發(fā)生的概率為100%。

（3）假設葉片除冰方案為250元/千瓦，安裝除冰系統(tǒng)后利用小時數(shù)增加50小時即可回本。在假設風電場60天結冰期的情況下，該事件發(fā)生的概率為100%。

因此，從概率上來看，即使考慮機位的海拔變化，風電場安裝氣熱除冰裝置后提升發(fā)電量超過50小時的概率為100%，由于50小時只占年利用小時數(shù)的2.5%，即覆冰天數(shù)只需達到10天即可滿足收益要求。同時，因安裝葉片除冰裝置所增加的運維成本，對于整體項目的影響微乎其微，即使按照每年增加50萬元運維成本，整個風電場只需再增加10小時發(fā)電量就可以達到平衡。

上述情況考慮的是風電場安裝氣熱除冰方案20年才能回本的情況，如果考慮5年回本，在折現(xiàn)率為6%的情況下，僅僅計算前5年的NPV，再減去由安裝除冰系統(tǒng)增加的成本，結果如表2、圖8所示。

通過圖表可以得出如下結論：

（1）假設除冰方案價格為150元/千瓦，安裝除冰系統(tǒng)后利用小時數(shù)增加75小時即可5年回本。

（2）假設葉片除冰方案為200元/千瓦，安裝除冰系統(tǒng)后利用小時數(shù)增加100小時即可5年回本。

（3）假設葉片除冰方案為250元/千瓦，安裝除冰系統(tǒng)后利用小時數(shù)增加125小時即可5年回本，相當于23天的覆冰天數(shù);如果考慮運維成本增加，利用小時數(shù)增加135小時即可5年回本;按80%可利用率和10%的自耗電，實際要求覆冰期達到35天。根據(jù)風電場的實際情況，該事件發(fā)生的概率為100%。

如果再縮短回本期，假設3年就能回本（因為時間較短，所以不考慮貼現(xiàn)率，第一年投資直接用三年的發(fā)電收入平攤），其結果為：

（1）假設除冰方案價格為150元/千瓦，安裝除冰系統(tǒng)后利用小時數(shù)增加111小時即可3年回本。

（2）假設除冰方案價格為200元/千瓦，安裝除冰系統(tǒng)后利用小時數(shù)增加150小時即可3年回本。

（3）假設除冰方案價格為250元/千瓦，安裝除冰系統(tǒng)后利用小時數(shù)增加185小時即可3年回本，相當于34天的覆冰天數(shù);按80%可利用率和10%的自耗電，實際要求覆冰期達到47天。根據(jù)風電場的實際情況，該事件發(fā)生的概率為95%。

因此，根據(jù)以上情況，該風電場安裝葉片除冰裝置所獲得的發(fā)電量收益可觀，安裝方案可行。

全國各省份氣熱除冰系統(tǒng)適用區(qū)域

根據(jù)《國家電網(wǎng)公司電網(wǎng)冰區(qū)分布圖》收集到了除南方電網(wǎng)負責區(qū)域的冰區(qū)分布圖，同時收集到了云南等地冰區(qū)分布圖。其中，海南為熱帶地區(qū)，不予考慮;根據(jù)相關數(shù)據(jù)，北京、天津、河北、山西、山東、江蘇、遼寧、吉林、黑龍江、內蒙古、西藏等地無較厚的結冰情況，也不予考慮。

案例中風電場場址大體位置如圖9所示，結冰等級為15～20毫米。結合湖北省風速情況，根據(jù)結冰情況及風速情況等于或高于風電場場址區(qū)域的遴選原則，可以獲得適合安裝葉片除冰裝置的區(qū)域，如圖10紅色圓圈區(qū)域所示。該區(qū)域主要集中在湖北的西南以及中西部地區(qū)。

依此測算其他省份的情況：湖南適合安裝葉片除冰裝置的區(qū)域主要集中在該省南部、西南、東北、西北等地區(qū)。江西適合安裝葉片除冰裝置的區(qū)域主要集中在該省南部、東北等地區(qū)。四川適合安裝葉片除冰裝置的區(qū)域主要集中在該省西部地區(qū)，且面積巨大。浙江適合安裝葉片除冰裝置的區(qū)域主要集中在該省西南、西北等地區(qū)。安徽適合安裝葉片除冰裝置的區(qū)域主要集中在該省西南、東南等地區(qū)。云南適合安裝葉片除冰裝置的區(qū)域主要集中該省的西北以及東部地區(qū)。

總結

本文針對我國南方低風速區(qū)域存量市場所面臨的易結冰氣候，介紹了氣熱抗冰技術實際應用情況以及發(fā)電量提升情況，并據(jù)此得出了經(jīng)濟適用范圍，進而推算出全國各地適合安裝該除冰裝置的區(qū)域。研究得出的主要結論為：

假設覆冰期為60天，利用小時數(shù)為2000小時，其中在氣熱除冰方案成本為250元/千瓦的情況下。20年內回本相當于覆冰期間有14天實現(xiàn)滿發(fā)，從概率角度分析，有100%的把握認為能實現(xiàn)：5年內回本相當于覆冰期間有34天滿發(fā)，從概率角度分析，有100%的把握認為能實現(xiàn);3年內回本相當于覆冰期間有47天滿發(fā)，從概率角度分析，有95%的把握認為能實現(xiàn)。同時根據(jù)目前收集的結冰圖以及風速圖，進行對比得出擁有較大市場的省份為湖南、四川、云南，擁有一定市場的省份為湖北、江西，擁有少量市場的省份為安徽、浙江。