發電機效率提升的數據分析

序論：好文章的創作是一個不斷探索和完善的過程，我們為您推薦一篇發電機效率提升的數據分析范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質，帶來更深刻的閱讀感受。

中國風電技術歷經幾十年的發展，正在初步過渡到成熟發展階段。現階段，技術條件以及相關的政策條件都在不斷優化與改進。風電企業在發展過程中，實際利潤不斷縮減。在這樣的背景之下，如何提高發電量，切實保障風電企業的經濟效益成為未來風電企業發展過程中亟待解決的問題，也是風電企業最關注的問題。可以說發電效率的提升將是促進整個風電產業實現長久、健康、可持續發展的關鍵。

1風機葉片延長技改相關概述

“十一五”到“十二五”期間，中國風電行業實現了飛速發展，設備由全部進口向國產化轉變。但由于是在擴張初期階段，國產設備相關技術都不夠成熟，具體的施工操作、技術選擇、設備應用等方面都處于初步探索階段。初期發展階段風電場大多塔筒較低、葉片較短，這樣必然會造成發電效率比較低。后期，伴隨著風電市場的不斷發展與技術完善，越來越多的新型技術及新機型出現，從而滿足相關風電企業通過加長風輪葉片來增大掃風面積的要求，實現了低風速情況下發電效率的根本提升，這也成為了現階段風電行業發展的主要趨勢與要求。針對一些已投入運營10a以上的老舊機組來說，市場迫切需要提高設備發電效率，而延長技改是性價比最高的手段。如何在高空完成對葉片的加長改造，從而滿足低風速發電的基本要求，是必須要深入思考的問題。葉片的加長既需要確保葉片本身在運行過程中的安全，也需要保證葉片加長及加重之后的承載能力。因此，開展相關的葉片延長技改工作勢在必行。本項目是對牦牛坪風電場風電機組的葉片進行葉尖延長氣動性能改造，同時配合進行控制策略的調整[1-3]。結合應用兩種方案后，提升的電量滿足目標值（電量提升7%）。技改機組、葉片的型號分別為SE82/1500，SYFB3406。延長技改方案為：葉片延長1.5m，將原始葉片從距離根部39.0m的位置切開，38.5～39.0m為黏接段，延長節長度為3.6m，延長后葉片長度為42.1m，如圖1所示。

2風機葉片延長技改基本原理分析

以南方地區為例進行分析。南方地區夏季的風資源相對于其他季節來說比較薄弱，而葉片較短會造成掃風面積相對較小，這就造成夏季時期風資源的大量浪費。在風力發電機組中，葉片是實現風能轉換的最主要部件，同時對整個發電機組整體性能的影響非常明顯。增加葉片長度可有效增大掃風面積，進而有效提高風機發電功率和效率[4-6]。

3具體技改方案

通過全面分析發電企業的實際情況，結合風力發電組的應用位置，得出發電機組發電功率以及風輪掃風的面積之間是正比例關系。現階段市場上比較常見的葉片增效技改方式為更換長葉片或進行葉尖延長、加裝葉尖小翼、加裝增功氣動附件。對于加裝葉尖小翼，雖然葉尖增加出的小翼可最大限度降低氣流造成的影響，但是在該研究的應用場景中效果不好。對于通過加裝一些增功附件，確實可以降低葉片氣流分離造成的損失，也可以提高升阻比，但是綜合實際情況以及不可控因素造成的影響，通常只會實現1.0%～1.5%的合理提高，因此從性價比的角度來看，該方式的效率提升效果并不顯著，不具有廣泛的推廣價值。更換更長葉片，也可有效提高機組發電量，但是涉及到重新采購、運輸、吊裝葉片等工作，成本較高，成本回收年限長。老舊型號的葉片市場上庫存很少，不易采購；另外運輸葉片可能還需要重新修路。由此可見，更換更長葉片的性價比不高。相比上述提質增效方案，將葉片加長是性價比最好的方式，施工、運輸及成本回收年限都遠遠優于更換更長葉片的方案，因此，更加受到市場的青睞[7-9]。對在役葉片的葉尖進行延長，增大了葉片的有效掃風面積，同時葉片及機組所承受的載荷也相應增大。為此，必須對延長后葉片的結構及根部螺栓的具體強度進行校準與核對；通過理論計算及試驗驗證，確保延長節與原始葉片的黏接強度滿足設計要求；施工過程中使用合理的工裝夾具，確保延長節的黏接膠層厚度滿足要求、黏接后葉片的外形光順。

4增功技改的具體措施

4.1技術角度

4.1.1風資源提升方面

從實際的現場實施情況來看，風資源提升可以從單個機組著手，也可以從風場整體的發展入手。單個機組風資源的利用及改善主要可以從移動機組或加高塔筒兩方面入手。移動機組，很顯然在技術改進過程中屬于比較大范圍的操作，并且選擇這種方式大多是因為前期發電機組的選址出現了失誤，所以大范圍移動是必然的。當初步了解項目的地點以及具體落實情況之后，必須分析該項目的必要性，簡言之就是分析移動機組是彌補了從前的損失，還是使得損失進一步擴大。移動的相關方案會涉及到風機的整體拆裝、土建工程、集電線路、采購等一系列工作內容。而對于另外一種方式———加高塔筒，在實際應用過程中也必須進行比較慎重的考量。該方式比較適用于風切變較大的風場，但是在實際應用過程中也必須全面分析和驗證荷載情況以及經濟效益。整個風場風資源的提升一般需要針對整個風場資源的合理調配進行分析，采取扇區管理方案，減少機組之間尾流所造成的相互干擾與影響，確保整個風場發電性能最優。

4.1.2空氣密度利用優化方面

要想實現風場空氣密度利用的最優化，就必須針對機組控制邏輯中的最優增益情況進行優化。現階段增加發電量主要有提高機位局部年平均風速以及提高機組的功率特性兩種途徑，因此通過相應的控制策略以及控制算法，可以有效得出最佳的轉矩數值，同時也可以通過給定的具體轉矩實現整個機組風能的最大化利用與轉換。最優模態增益的計算公式為：Kopt=πρR5Cp/2λ3G3，(1)式(1)中，Kopt為最優增益因子；ρ為空氣密度，kg/m3；R為風輪半徑，m；Cp為最大風能利用系數，表示風力發電機將風能轉化成電能的轉換效率；λ為最佳葉尖速比，葉尖速度與風速的比值為葉尖速比，最高Cp對應的葉尖速比為最佳葉尖速比；G為齒輪箱傳動比。最佳輸出功率Popt的計算公式為：Popt=Tdωg，(2)式(2)中，Td為發電機轉矩設定值，kN·m；ωg為發電機轉速，rad/s。由式(1)可看出Kopt和空氣密度ρ之間有著非常密切的關系。但是現階段多數風力發電機組的控制算法所使用的空氣密度往往為固定值，而實際上空氣密度本身是在不斷變化的，因此采用這樣的方式進行計算就必然會導致轉矩相關結果的測算出現誤差，這對于發電效果是非常不利的。針對上述問題，一般可采集機組實際環境的氣象數據，然后基于得到的數據信息將實時空氣密度引入控制算法中，這樣的計算方式往往比較優化，也可以計算出最佳轉矩的數值，有效提升了機組出力情況。因為冬夏兩季空氣密度變化較大，所以必須要對葉片進行季節性調整，使機組管理工作滿足精細化要求，切實提高發電機發電效率[10-12]。

4.1.3掃風面積提升方面

中國早期建設的風場大多處在風資源相對具有優勢的區域范圍，由于技術條件的制約，這些風場所使用的機組葉片以現階段的判定標準來看尺寸都偏小，同時捕風能力相對較差。為此，這些區域本身所具有的風資源優勢并沒有得到比較充分的利用，發電效率偏低成為了常見的情況。因此必須采取相應措施使這些小葉片機組發揮出更大的價值。加長葉片、增大掃風面積，無疑是提高發電量最為有效的一種方式。根據相關學者研究[13]，直徑102m葉片的掃風面積要比直徑100m葉片的掃風面積增大8%，在同樣的風速條件及風資源情況下，機組獲取的風能就可能會增加8%，因此相對來說提升效果比較顯著，且這種方式在目前市場上的應用比較廣泛。通常可采用葉尖延長或葉根延長兩種方式。格外需要注意的是，無論采取哪種方式都必須在實施方案之前進行非常嚴格的數據計算，主要需要計算載荷能力、強度等。在提高機組發電量以及發電效率的同時，保障機組在實行技改方案后可以安全平穩運行，絕不可以增大實際運行的風險，也不可以影響設備使用壽命。改造后具體的效率提升必須通過準確的計算獲得，也必須滿足經濟性、安全性等諸多要求。

4.2管理角度

對于發電機效率的提升來說，單純的技術保障是遠遠不夠的，科學的管理也是關鍵。一個風電場的發電能力不只與風資源情況、機組質量有關，穩定優秀的運營維護團隊是保障風電場安全運轉的前提。更加科學合理的運營和維護確實可以使機組實現更大程度對風力資源的利用，也可以降低設備出現故障的概率，確保機組始終處于健康、安全、穩定的運行狀態，最終實現發電量最大化的目標與要求。針對發電機組進行必要的檢修與維護非常關鍵，這就需要相關部門分析該地區的風速情況及限電數據信息，科學合理地規劃檢修時間，并選擇出最為合理的技改時間與技改方案。比如對于不限電地區，可安排在小風期開展技改工作，而針對限電地區則應安排在限電比較嚴重的月份開展相關工作。要注重各部門之間的溝通調度工作，將電網調度負荷作為前提，依據風電場設備特點，確定風機運行的具體數量以及風電場負荷指標。還需要整合整個風電系統的信息，分析電氣設備運行的具體特點與方法，開展電氣設備優化工作，這樣才能切實提高電能傳輸效率，降低風電場用電率。

5風機葉片延長技改發電機效率提升相關數據

針對牦牛坪風電場葉尖延長項目，以葉片延長后機組功率曲線實驗數據和歷史數據為基礎依據進行對比分析，通過自身不同時間段的同期歷史數據對比可以有效消除機組的線性差異。通過功率曲線對比可看出機組延長技改后，性能有較大的改善，在相同風速條件下，進行了葉片延長技改的機組可顯著提高發電量[14-18]。具體可參考表1內容進一步定量分析機組性能的提升（2021年為技改前，2022年為技改后）。21號機組技改前后功率曲線對比如圖2所示。結合技改前后功率曲線變化和表1中實際統計發電量提升量分析，技改前后平均功率曲線都有大幅度提升。同風速下的發電功率有明顯提升，且在全部驗證實驗中發電總量有大幅度提升。通過數據分析可知，機組發電量提升效果明顯，葉片延長技改能很好地為風電場增值提效。特別是葉尖延長和程序優化的綜合方案，該方案性能較穩定，機位點適應性強，收益率較高[13，19-21]。

6結語

客觀分析和全面探究風機葉片延長技改實行之后發電機效率提升的情況，可更為全面地分析此種技改在未來的推廣趨勢和意義。以實際的風電場技改作為案例進行分析，大量數據說明風機葉片延長技改后，發電效率及經濟效益明顯提高。但也需要格外注意，在發電機組葉片加長的改造過程中，必須進行科學的規劃與分析，尤其需要做好相應的防護工作，在確保風電機組可靠性的前提下進行延長作業，保證提高風能利用系數的同時，確保機組設備的使用壽命不受影響，同時安全性不會受損，確保發電機組發電量及風場經濟效益都有明顯提升。

參考文獻：

［1］鄭正.基于時序數據特征挖掘的風機葉片故障診斷方法研究［D］.秦皇島：燕山大學，2021.

［2］李偉.計及自然接地體作用的風機雷擊暫態特性分析及防護研究［D］.合肥：合肥工業大學，2021.

［3］雷宇航.基于雷電先導理論的風機葉片引雷能力評估及風機防雷間距研究［D］.吉林：東北電力大學，2021.

［4］鄭丁翡.風機葉片疲勞約束下的風電場有功調節優化研究［D］.沈陽：沈陽工業大學，2020.

［5］左廣宇.極區獨立可再生能源供電系統關鍵技術研究［D］.太原：太原理工大學，2020.

［6］代禮葵.環境因素下玻纖增強樹脂基復合材料沖蝕損傷行為［D］.烏魯木齊：新疆大學，2019.

［7］張紹廣.XQ斜槽式離心風機流場仿真及關鍵部件的改進設計［D］.沈陽：沈陽航空航天大學，2018.

［8］金偉晨.浮式風機基礎-塔柱-葉片的可靠性分析與整機風險評價［D］.天津：天津大學，2018.

［9］管東波.幾種表面防凍粘涂料的制備及涂層性能試驗研究［D］.長春：吉林大學，2017.

［10］代文豪.風機葉片氧乙炔熱噴焊Ni基WC復合涂層工藝及性能研究［D］.西安：陜西科技大學，2017.

［11］趙文超.海上風機氣動性能和浮式平臺水動力計算分析［D］.上海：上海交通大學，2015.

［12］朱先俊.含塵離心風機葉片磨損機理與減磨途徑的研究［D］.濟南：山東大學，2012.

［13］宋海彬，鞠蘇榮，魏惠春.挖掘在役風電機組潛能助力“雙碳”目標［J］.能源與節能，2021(12)：100-104.

［14］楊春燕，劉紅好.風機葉片生產中阻聚劑的應用［J］.中國新技術新產品，2011(19)：20.

［15］姚星.適用風力發電機葉片的環氧乙烯基酯樹脂合成及應用研究［D］.上海：華東理工大學，2011.

［16］劉艷艷.風篩式清選裝置中離心風機的試驗研究及仿真分析［D］.鎮江：江蘇大學，2009.

［17］卜照軍.靈泉發電廠4#爐引風機磨損問題的研究［D］.北京：華北電力大學（北京），2006.

［18］郝柏林.Fe—05耐磨堆焊合金在引風機上的應用［J］.焊接，1993(11)：24.

［19］陽世江.K35風機葉片改造成功［J］.節能，1993，12(4)：10.

［20］李興漢.F—301節能涂料［J］.有色礦山，1989，18(3)：58.

［21］張卓英.引風機葉片抗磨新方法［J］.冶金動力，1987(3)：71.

作者:張繼全 陳建林 吳偉 朱繼新 單位:華電 （云南） 新能源發電有限公司