發(fā)電機效率提升的數(shù)據(jù)分析

序論：好文章的創(chuàng)作是一個不斷探索和完善的過程，我們?yōu)槟扑]一篇發(fā)電機效率提升的數(shù)據(jù)分析范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質(zhì)，帶來更深刻的閱讀感受。

中國風電技術(shù)歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，正在初步過渡到成熟發(fā)展階段。現(xiàn)階段，技術(shù)條件以及相關(guān)的政策條件都在不斷優(yōu)化與改進。風電企業(yè)在發(fā)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(fā)電量，切實保障風電企業(yè)的經(jīng)濟效益成為未來風電企業(yè)發(fā)展過程中亟待解決的問題，也是風電企業(yè)最關(guān)注的問題。可以說發(fā)電效率的提升將是促進整個風電產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)長久、健康、可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

1風機葉片延長技改相關(guān)概述

“十一五”到“十二五”期間，中國風電行業(yè)實現(xiàn)了飛速發(fā)展，設(shè)備由全部進口向國產(chǎn)化轉(zhuǎn)變。但由于是在擴張初期階段，國產(chǎn)設(shè)備相關(guān)技術(shù)都不夠成熟，具體的施工操作、技術(shù)選擇、設(shè)備應(yīng)用等方面都處于初步探索階段。初期發(fā)展階段風電場大多塔筒較低、葉片較短，這樣必然會造成發(fā)電效率比較低。后期，伴隨著風電市場的不斷發(fā)展與技術(shù)完善，越來越多的新型技術(shù)及新機型出現(xiàn)，從而滿足相關(guān)風電企業(yè)通過加長風輪葉片來增大掃風面積的要求，實現(xiàn)了低風速情況下發(fā)電效率的根本提升，這也成為了現(xiàn)階段風電行業(yè)發(fā)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(shè)備發(fā)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(fā)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(guān)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(diào)整[1-3]。結(jié)合應(yīng)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(jié)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(qū)為例進行分析。南方地區(qū)夏季的風資源相對于其他季節(jié)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(fā)電機組中，葉片是實現(xiàn)風能轉(zhuǎn)換的最主要部件，同時對整個發(fā)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(fā)電功率和效率[4-6]。

3具體技改方案

通過全面分析發(fā)電企業(yè)的實際情況，結(jié)合風力發(fā)電組的應(yīng)用位置，得出發(fā)電機組發(fā)電功率以及風輪掃風的面積之間是正比例關(guān)系?，F(xiàn)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(yīng)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(xiàn)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(fā)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(zhì)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(yōu)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(yīng)增大。為此，必須對延長后葉片的結(jié)構(gòu)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(jié)與原始葉片的黏接強度滿足設(shè)計要求；施工過程中使用合理的工裝夾具，確保延長節(jié)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(shù)角度

4.1.1風資源提升方面

從實際的現(xiàn)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(fā)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(shù)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(fā)電機組的選址出現(xiàn)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(guān)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(nèi)容。而對于另外一種方式———加高塔筒，在實際應(yīng)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(yīng)用過程中也必須全面分析和驗證荷載情況以及經(jīng)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(diào)配進行分析，采取扇區(qū)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(fā)電性能最優(yōu)。

4.1.2空氣密度利用優(yōu)化方面

要想實現(xiàn)風場空氣密度利用的最優(yōu)化，就必須針對機組控制邏輯中的最優(yōu)增益情況進行優(yōu)化?，F(xiàn)階段增加發(fā)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(yīng)的控制策略以及控制算法，可以有效得出最佳的轉(zhuǎn)矩數(shù)值，同時也可以通過給定的具體轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)整個機組風能的最大化利用與轉(zhuǎn)換。最優(yōu)模態(tài)增益的計算公式為：Kopt=πρR5Cp/2λ3G3，(1)式(1)中，Kopt為最優(yōu)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(shù)，表示風力發(fā)電機將風能轉(zhuǎn)化成電能的轉(zhuǎn)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(yīng)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(fā)電機轉(zhuǎn)矩設(shè)定值，kN·m；ωg為發(fā)電機轉(zhuǎn)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(guān)系。但是現(xiàn)階段多數(shù)風力發(fā)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(dǎo)致轉(zhuǎn)矩相關(guān)結(jié)果的測算出現(xiàn)誤差，這對于發(fā)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(huán)境的氣象數(shù)據(jù)，然后基于得到的數(shù)據(jù)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(yōu)化，也可以計算出最佳轉(zhuǎn)矩的數(shù)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(jié)性調(diào)整，使機組管理工作滿足精細化要求，切實提高發(fā)電機發(fā)電效率[10-12]。

4.1.3掃風面積提升方面

中國早期建設(shè)的風場大多處在風資源相對具有優(yōu)勢的區(qū)域范圍，由于技術(shù)條件的制約，這些風場所使用的機組葉片以現(xiàn)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(qū)域本身所具有的風資源優(yōu)勢并沒有得到比較充分的利用，發(fā)電效率偏低成為了常見的情況。因此必須采取相應(yīng)措施使這些小葉片機組發(fā)揮出更大的價值。加長葉片、增大掃風面積，無疑是提高發(fā)電量最為有效的一種方式。根據(jù)相關(guān)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(yīng)用比較廣泛。通?？刹捎萌~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(shù)據(jù)計算，主要需要計算載荷能力、強度等。在提高機組發(fā)電量以及發(fā)電效率的同時，保障機組在實行技改方案后可以安全平穩(wěn)運行，絕不可以增大實際運行的風險，也不可以影響設(shè)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(jīng)濟性、安全性等諸多要求。

4.2管理角度

對于發(fā)電機效率的提升來說，單純的技術(shù)保障是遠遠不夠的，科學的管理也是關(guān)鍵。一個風電場的發(fā)電能力不只與風資源情況、機組質(zhì)量有關(guān)，穩(wěn)定優(yōu)秀的運營維護團隊是保障風電場安全運轉(zhuǎn)的前提。更加科學合理的運營和維護確實可以使機組實現(xiàn)更大程度對風力資源的利用，也可以降低設(shè)備出現(xiàn)故障的概率，確保機組始終處于健康、安全、穩(wěn)定的運行狀態(tài)，最終實現(xiàn)發(fā)電量最大化的目標與要求。針對發(fā)電機組進行必要的檢修與維護非常關(guān)鍵，這就需要相關(guān)部門分析該地區(qū)的風速情況及限電數(shù)據(jù)信息，科學合理地規(guī)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(qū)，可安排在小風期開展技改工作，而針對限電地區(qū)則應(yīng)安排在限電比較嚴重的月份開展相關(guān)工作。要注重各部門之間的溝通調(diào)度工作，將電網(wǎng)調(diào)度負荷作為前提，依據(jù)風電場設(shè)備特點，確定風機運行的具體數(shù)量以及風電場負荷指標。還需要整合整個風電系統(tǒng)的信息，分析電氣設(shè)備運行的具體特點與方法，開展電氣設(shè)備優(yōu)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(fā)電機效率提升相關(guān)數(shù)據(jù)

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(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)依據(jù)進行對比分析，通過自身不同時間段的同期歷史數(shù)據(jù)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(fā)電量[14-18]。具體可參考表1內(nèi)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(jié)合技改前后功率曲線變化和表1中實際統(tǒng)計發(fā)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(fā)電功率有明顯提升，且在全部驗證實驗中發(fā)電總量有大幅度提升。通過數(shù)據(jù)分析可知，機組發(fā)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(yōu)化的綜合方案，該方案性能較穩(wěn)定，機位點適應(yīng)性強，收益率較高[13，19-21]。

6結(jié)語

客觀分析和全面探究風機葉片延長技改實行之后發(fā)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(shù)據(jù)說明風機葉片延長技改后，發(fā)電效率及經(jīng)濟效益明顯提高。但也需要格外注意，在發(fā)電機組葉片加長的改造過程中，必須進行科學的規(guī)劃與分析，尤其需要做好相應(yīng)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(yè)，保證提高風能利用系數(shù)的同時，確保機組設(shè)備的使用壽命不受影響，同時安全性不會受損，確保發(fā)電機組發(fā)電量及風場經(jīng)濟效益都有明顯提升。

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