某風(fēng)電場1.5MW-82葉片增效技改效果評估

郭劍雄 宋洋 閻軍

摘 要：早期投運(yùn)的低風(fēng)速風(fēng)場由于風(fēng)速預(yù)期不足或機(jī)組產(chǎn)品選型局限導(dǎo)致風(fēng)場效益不夠理想。本文簡述了各種增效技術(shù)路線，尤其是目前已成熟應(yīng)用的葉尖延長小翼增效技術(shù)，并重點(diǎn)介紹了某1.5MW-82風(fēng)電場葉尖延長小翼增效技術(shù)的應(yīng)用及效果。

關(guān)鍵詞：葉片增效 葉尖延長小翼

1、葉片增效必要性及各種技術(shù)路線簡述

1.1葉片增效必要性

針對目前實(shí)際風(fēng)資源普遍低于設(shè)計(jì)風(fēng)資源，較多風(fēng)機(jī)由于風(fēng)資源低于設(shè)計(jì)條件而導(dǎo)致出力嚴(yán)重不足，直接影響風(fēng)場經(jīng)濟(jì)效益現(xiàn)狀。采用葉片氣動(dòng)優(yōu)化的方法提升風(fēng)機(jī)出力，特別是低風(fēng)速風(fēng)電場的機(jī)組利用效率，大幅提升風(fēng)電場運(yùn)營的投入產(chǎn)出比，縮短風(fēng)電場投資回收期。

1.2各種增效技術(shù)路線簡述：

葉片增效技術(shù)包括：延長葉尖、葉根延長節(jié)、渦流發(fā)生器、格林襟翼以及主動(dòng)流動(dòng)控制、葉尖延長小翼等。

1）葉尖延長，即延長葉片做功的有效長度，增加出力，但顯而易見的這種方法也增加了葉片本體特別是葉片根部的載荷，因此對葉片根部螺栓的強(qiáng)度校核是必不可少的。同時(shí)由于葉片的延長，葉尖處的線速度更快，因此對延長部分的粘接施工工藝要求相對嚴(yán)格，若粘接不良很容易造成葉尖飛出等事故。

2）葉根延長節(jié)，即在原葉片根部增加一段圓柱型的延長葉片，但葉根部分對氣動(dòng)毫無助益，這種方法實(shí)際是將葉片做功部分向外延伸，從而提升葉尖速比λ_opt。但葉根延長節(jié)本體強(qiáng)度要求較高，且對于一般的1.5MW機(jī)組，單支葉片重量增加超過1500kg，施工成本也非常高。

3）渦流發(fā)生器，即通過在葉片表面粘接渦流發(fā)生器，延緩在前緣附近分離流動(dòng)的產(chǎn)生，改善風(fēng)能利用系數(shù)Cp。理論計(jì)算這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)約2%的機(jī)組發(fā)電量提升，但據(jù)實(shí)踐效果通常只能實(shí)現(xiàn)1%左右的提升，性價(jià)比并不高。

4）格林襟翼，為了控制翼型后緣的流動(dòng)情況，國內(nèi)外在上世紀(jì)末就開始了格林襟翼在風(fēng)電機(jī)組上的應(yīng)用研究，且取得了一些成果，證明了加裝格林襟翼葉片后緣表面流動(dòng)減少分離，提高升阻比，提高機(jī)組的氣動(dòng)性能。但目前這種技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，效果有待檢驗(yàn)。

5）主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)是近年來歐洲新研發(fā)出來的技術(shù)方法，主要是在葉根前緣位置增加一些通氣孔，通過葉片內(nèi)部的氣泵主動(dòng)吸入氣流，從而減弱葉片附面層分離，提升Cp，但基于國內(nèi)氣候條件，沙塵或凝凍很容易阻塞氣孔，導(dǎo)致效能下降，另外葉片在運(yùn)行中旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)對氣泵的穩(wěn)定性也是一種考驗(yàn)。

6）葉尖延長小翼技術(shù)，將原風(fēng)機(jī)葉片尖部適度延長并加裝特殊氣動(dòng)外型的小翼，在增加葉輪掃風(fēng)面積的同時(shí)最大限度減少葉尖擾流的消極影響，提升葉片風(fēng)能利用系數(shù)Cp，從而增加葉片的捕風(fēng)能力，提高機(jī)組發(fā)電量。此技術(shù)應(yīng)用源于航空領(lǐng)域的機(jī)翼翼梢小翼設(shè)計(jì)理念。

2、項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目技改機(jī)組為某品牌1.5MW-82風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，整機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)資源和現(xiàn)場實(shí)際風(fēng)資源對比如下：

采用葉尖延長小翼技術(shù)技改機(jī)組19#及23#基本情況：

19#：近4年可利用小時(shí)數(shù)1368h，年均風(fēng)速4.75m/s，可利用率99.76%。

23#：近4年可利用小時(shí)數(shù)1411h，年均風(fēng)速4.85m/s，可利用率99.71%。

3、增效技改措施

本項(xiàng)目2臺科技項(xiàng)目機(jī)組采取的增效技改措施如下：

1）葉尖加裝小翼（0.6m，夾角約118°）

2）葉尖延長1.5m

技改時(shí)間：

23#機(jī)組：

技改開始時(shí)間2020年10月25日，技改完成時(shí)間2020年11月4日，機(jī)組恢復(fù)運(yùn)行時(shí)間2020年11月4日。

19#機(jī)組：

技改開始時(shí)間2020年11月7日，技改完成時(shí)間2020年11月15日，機(jī)組恢復(fù)運(yùn)行時(shí)間2020年11月15日。

技改后機(jī)組控制參數(shù)相應(yīng)調(diào)整以發(fā)揮增效葉片的最佳性能。

安全性評估：

完成了機(jī)組原設(shè)計(jì)載荷和增效后基于項(xiàng)目資源的載荷計(jì)算及對比，結(jié)論為：機(jī)組葉根、變槳系統(tǒng)、輪轂中心、塔頂、塔底及基礎(chǔ)等主要部位處極限載荷和疲勞載荷與原設(shè)計(jì)載荷基本相當(dāng)或顯著小于原設(shè)計(jì)載荷，因此機(jī)組的安全性符合標(biāo)準(zhǔn)要求，增效后凈空滿足GL規(guī)范要求。

完成了葉片結(jié)構(gòu)校核報(bào)告，結(jié)論為：增效后葉片（包括葉尖延長小翼）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及粘接強(qiáng)度均滿足安全性要求。

4、效果評估

4.1評估方法

為評估增效技改對機(jī)組發(fā)電量的實(shí)際提升效果，選取一臺技改機(jī)組于技改前開始進(jìn)行激光雷達(dá)測風(fēng)，并安裝功率采集設(shè)備同步采集機(jī)組輸出功率，與機(jī)組技改前的SCADA運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分別統(tǒng)計(jì)擬合技改前后機(jī)組功率曲線，并對比折算年發(fā)電量，評估機(jī)組技改提升效果。

對于未開展激光雷達(dá)測風(fēng)的機(jī)組（19#和23#），根據(jù)測風(fēng)機(jī)組的風(fēng)速傳遞函數(shù)，對技改機(jī)組SCADA風(fēng)速修正，然后采用同樣方法進(jìn)行增效評估。

4.2雷達(dá)測試風(fēng)機(jī)選取

參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，測試風(fēng)機(jī)選取原則如下：

1）在風(fēng)場邊緣位于主風(fēng)向上風(fēng)向位置。

2）葉片不應(yīng)有砂眼等缺陷。

3）風(fēng)機(jī)其他部件完好，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

4）主風(fēng)向上風(fēng)向無明顯障礙物。

根據(jù)機(jī)組選取原則、地形圖、鄰近風(fēng)機(jī)及障礙物的要求，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)地踏勘，確定17#機(jī)組可以作為測試風(fēng)機(jī)。雷達(dá)安裝于風(fēng)機(jī)北偏西方向。

風(fēng)機(jī)技改前葉輪直徑為82.6m，技改后葉輪直徑86.2m。輪轂高度65m，對激光雷達(dá)測風(fēng)儀設(shè)置測試高度為：40m、45m、50m、55m、60m、65m、70m、75m、80m、85m、90m、100m。

4.3雷達(dá)測試數(shù)據(jù)

4.3.1數(shù)據(jù)采集