葉片改造修復與回收利用專場——上海電氣劉吉輝：葉片氣動優化助力客戶收益

2018-06-14 瀏覽數：2023

上海電氣風電集團有限公司工程服務分公司副總經理劉吉輝出席“第五屆中國風電后市場專題研討會”，在葉片改造修復與回收利用專題論壇，分享題為“葉片氣動優化助力客戶收益”的主旨演講。

上海電氣風電集團有限公司工程服務分公司副總經理劉吉輝先生

　　以下為發言內容：

　　劉吉輝：首先謝謝秘書長，還有在位的各位大家上午好，我今天演講的題目是葉片的氣動優化來助力客戶的收益，我們是上海電氣有十年的設計經驗和一些設計成果，也就是說我們上海電氣集團股份有限公司從2008年，我們跟德國的公司一起合作，我們有十年葉片的一個設計經驗，包括近幾年我們有一些氣動優化的成果，我們把這些成果用到我們后服務的市場，我們通過這種技術的升級改造為我們客戶帶來收益的一個增加。

　　我的匯報分為四個部分：

　　第一個部分就是我們的客戶需求，我們的客戶需求雖然說我們風電代表是一種綠色，是一種情懷，但是我們投資人最根本的還是追求利潤，利潤一個首先是成本，還有一個是收益。收益肯定是希望發電量越多越好，運維成本越低越好，這是背后的需求邏輯。

　　發電量的提升來說目前后市場大家比較關心的三個方面：

　　第一通過控制手段，控制在近十年的技術發展，控制也有很多技術的提升。

　　第二還有就是一個能效，隨著運維管理的驚異華，我們風機的單機或者是全場用電的精益化管理，能效管理上也有一些提升。

　　最后一個管理葉片，后面再詳細介紹。

　　首先講講我們葉片發展有哪些關鍵技術，大家從這個圖可以看到過去20幾年的發展，葉片的直徑越來越大，我們葉片的越來越長，從而對成本的要求越來越高，葉片的材料技術的進步也就是對葉片的要求越來越輕。還有隨著我們互聯網、大數據這種技術的進步，也要求我們葉片具備智能化的一些條件或者是一些要求。

　　再講一下這幾個關鍵技術，我們也是圍繞著幾個目標，目標首先是一個高的AEP，年發電量，還有我們安全性相關的，低載荷和環境友好性的低噪音，還有結構可靠、重量要輕、成本要低。

　　說一下我們長葉片的關鍵技術，因為長了，沖量肯定重了，我們希望設計的時候結構盡量讓它輕盈。另外葉片加上氣動之后效率和載荷平衡優化最重要，還有氣動噪音，葉片加長線速度大了增印就上去了。

　　產業關鍵技術提幾點，最左邊是彎扭耦合的氣彈設計，通過這種彎扭耦合的氣彈設計能夠有效降低葉片的載荷，通過葉片本身的形變來降低載荷。右邊還有一個優化最大的弦長，通常早期設計的時候，最大的弦長一般是一個截面，很短的一個截面，我們現在通過對這塊的優化實現最大的弦長，延長比較大的一段距離，增長葉片的時度，也就是能夠增加葉片功能的吸收，從而能夠提升它的氣動效率。下面是優化的鈍尾緣設計，這個從左右兩邊圖對比，右邊可以看出來傳統的設計分離點和我們改進的設計，我們改進設計之后氣流的分離點延緩了，這樣也可以提高氣動效率。

　　總的來說影響氣動效率主要是三個方面，第一個我們在葉根部有渦流損失，還有我們在葉片的后緣或者是中間部分，有附面層分離，還有我們的尖部，葉尖擾流的損失。大概還是三個區域。

　　針對葉片氣動提升有主動跟被動，我今天主要關注的重點是，給大家分享的是我們在被動提升的一些方面，主要聚焦的是我們在渦流發生器，葉片家常這方面。

　　這個講的是我們客戶希望的功率曲線，我們發電量能夠比我們期望的更高。實際上影響我們發電量的因素也很多，除了葉片的設計，長度和氣動性能，還有風場的一些實際環境，包括葉片運行一段時間以后，受到雨蝕或者是灰塵的污染，都會影響氣動效率。還有風場的選址關系。

　　這個葉片的表面粗糙度會影響功率和發電量。針對前面說的葉片損失的三個區域，葉根、中間部、葉片的尖部，現在行業里面提出的幾個解決方案。在葉片的根部大家可以看這個圖，根部國外有一些成熟的應用根箱，葉片的根部可以增加風能的吸收，還有一個圖層結機翼也有類似的解決方案，前面是一個完全實的圓板，這種是來吸收風能。

　　還有在葉片的中間部分，這個主要的技術是通過渦流發生器、擾流條、翼刀，后緣襟翼，這些東西把航空或者是飛機相關成熟的應用應用到我們風電上。氣動增印是傳統的仿生學在我們風電的應用。

　　下面再分享三個案例，第一個案例是渦流發生器（VG）的原理。這個原理對于我們在座的葉片廠家非常熟悉， VG增加了邊界層克服逆壓梯度的能力，延遲了氣流分離點，還有VG增加了葉片運行工況內的最大升力系數，提高了升阻比，進而提高了風能捕捉效率。這幾個圖是我們設計過程當中方針的一些圖片。這里面因為這個（VG）是我們上海電氣自己設計的，也有一些設計驗證的流程，方針、評估、計算、風洞的驗證、最后做成成品，大概是樣一個研發的過程。

　　現在（VG）我們現在在兩個方面都有應用，一個是葉片出場的時候就已經貼上這個（VG），還有我們在役的風場也有實施改造，有兩個場景，一個是葉片廠，一個是風場。這里面值得一提在風場的實施相對來說難度比較大，安全控制也比較高。這個是人員通過繩的方式，我們通過十字型的工裝，或者是吊籃的方式更安全。

　　這里面大家也可以看得到發電量的提升和功率曲線的一些對比。

　　第二個風險的案例是葉尖家常技術的應用，因為這個大家都知道風電發展其實尤其長葉片，也就是最近五年發展特別快，十年之前其實同樣一個平臺它的葉片相對來說都是比較短，而且設計的安全余量也比較大，我們上海電氣設計93的葉片，我們對這個加長的葉片堅決方案設計。

　　設計的時候考慮三個方面，第一個氣動外形的連續性，因為前期葉片自己設計的，這方面設計的連續性，這個是我們的優勢，還有載荷增加對葉片剛度的要求，這個是我們的重點，另外一個是風場實際情況的定制化，并不是每一個風場都適合這個方案的設計，我們要根據他的特定條件，評估他是否適合做這個葉片加長。

　　這里面其實也是對前面幾個進一步說明，延續原來葉片的設計，大家可以看到從弦長的分布和扭角的分布的設計，包括預彎曲線等等。

　　我們對風場的設計也比較難估計，或者是難以拿出來說明，我們以三類的分析做一個測算，我們93m增加至97M后，，在三類B地區，預計機組發電量可提升4%+，一般3～5年能收回成本。還可以根據不同的風區或場地條件，進行定制化設計，以期獲得最大的投資回報率，風小可以延長多一點，風大了延長短一點。

　　這個是葉片尾緣的氣動噪音大，我們降噪的設計，基本上噪聲大的在尾部，這個原理也很簡單，大家看貓頭鷹的翅膀，我們現在是設計這樣一個形狀，其實就是仿生學的學習和應用。我們通過CFD仿真可以發現在葉片的尾部它的密度，噪聲的能級有降音，分布的能級有變窄。

　　這個就是說恐龍尾的現場安裝，一個是在工廠內，還有在風場兩個場景進行安裝。因為這個其實像我們的恐龍尾和渦流發生器材料成本比較低，但是安裝成本比較高，一般我們都是建議客戶，如果是做技術改造的話，建議渦流發生器跟龍孔尾同時做，同時加上葉片的清洗。

　　最后結合我們上海電氣在系統優化，在后市場的技術應用總結了四點，第一個就是客戶的需求，其實也是比較簡單的，就是運維的降本和發電量的提升。

　　第二個還是回到我們這個主題，葉片氣動優化能夠在一定程度上提升機組的發電效率，助力客戶收益。

　　第三個我們后市場葉片氣動優化技術追隨市場和行業發展的需求，在逐步推廣應用。

　　第四個其實是一個大的趨勢，就是葉片大型化是發展趨勢，長葉片的氣動優化設計仍具挑戰，隨著我們的競價上網，我們主機廠降本壓力越來越大，特別是我們到葉片廠家的壓力特別大，葉片越來越輕，安全性越來越小，后續的成本越來越大，所以我們仍需業內專家共同深入探討和研究。