110米葉輪風力發電機組葉尖延長技術研究及應用

　　【摘　要】為進一步發掘在運風電場的發電潛能，提升整場發電量，降低全生命周期的度電成本。應用先進的設計理念和流程，對風電機組葉尖延長技術進行研究，并將該技術在集團某風電場2MW機組進行技改實施。結果表明，葉尖延長后機組額定風速從10m/s降至9.5m/s，并經過風電場實施后的階段性評估，機組運行穩定全場整體發電量平均提升5%以上，項目投資回收期約為4年。該案例的實施為集團其他風電項目開展葉片延長增功提效技改奠定了基礎。

 

　　【關鍵詞】風力發電葉片延長　技術改造　發電量

 

 

　　風力發電是新能源發電技術中較成熟、具有大規模開發和商業化發展前景的發電方式。我國風電行業經過近幾十年的高速發展，截至2017年底中國總裝機容量已經高居世界第一[1]。風電機組的設計壽命通常是20年，隨時機組運營時間的增長，一些風電場運營商開始尋求提升機組整體發電量、降低全生命周期的度電成本的解決方案。早期風機設計安全裕度較大，機組風輪直徑普遍偏小，風輪捕風能效和投資回報率都有較大的提升空間。同時，葉片作為風力發電機組吸收風能的關鍵部件，通過對風機的葉片進行技術改造可以達到提高發電量的目的[2]。

 

１.研究現狀

 

　　目前，國內外應用較廣泛的兆瓦級風力發電機組葉片增效技術包括氣動附件技術和葉片延長技術。其中，氣動附件技術通過在葉片表面增加渦流發生器、襟翼或擾流板等[3、4]改變葉片表面流動特性的方法來提升葉片的風能利用率，從而增加風機發電量。Erik[5]、Johansen[6]、LZhang[7]等分別通過風洞試驗或數值模擬的方法研究了渦流發生器在風力機葉片是的機理和應用，表明渦流發生器的形狀參數和位置參數對風力機發電量的影響。郝禮書[8]、焦建東[9]等應用試驗測量和數值計算分析了渦流發生器對風力機葉片氣動性能影響。

 

 

圖1：Bonus 1.3MW風機葉片加長前后功率曲線對比圖[10]

 

　　葉尖延長增效技術基于傳統的動量葉素理論，通過增大風輪掃風面積的方式實現風電機組增效，該方案被證明是提高風機發電量經濟性較高的可行技術[4]。德國Energiekontor公司2004年已經在不同容量風機葉片上安裝葉片葉尖延長節進行測試，并通過仿真計算的功率曲線與測量的功率曲線對比確認風機功率曲線確實得到了改善，如圖1所示。國內云南某風電場已經對某1.5MW機組采用延長葉尖延長1.8m的方式增功提效，測試風能Cp從0.483提升到0.485，測算年發電量提升4.6%[10]。

 

　　但是，對于110米及以上的葉輪直徑風機的葉片葉尖延長的研究缺乏理論和工藝指導，通過聯合主機廠家開展葉片延長設計和細致的載荷分析，最終形成葉尖延長2米的可行方案，并成功應用到現場，獲得了良好的電量提升效果。

 

2.葉片增功理論

 

　　葉片增功的效果主要通過年發電量提升量進行評估，其取決于風電機組的輸出功率與風電場的風速分布。

 

2.1 輸出功率

 

　　葉片延長增效技術原理是基于傳統的動量葉素理論，通過增大風輪掃風面積實現葉片的增效。在風力發電機組葉片設計中，風力發電機的理論功率輸出表示為：

 

（1）

 

　　式中：P為風力發電機組的有效功率；為設計空氣密度；v為風輪來流風速；S為風輪掃風面積；為風能利用系數。

 

　　由公式可知，在一定風速和空氣密度下，風力機的輸出功率P取決于Cp和風輪掃風面積。當通過優化葉片設計實現Cp最大時，影響機組輸出功率的核心因素是風輪掃風面積。兆瓦級風力發電機組葉片葉尖延長后將增加葉片長度，增大風輪掃風面積，達到風力發電機組增功的目的。

 

2.2 風速分布

 

　　風速分布作為風電機組設計的重要參考因素，GL2010標準提供了威布爾函數和瑞利函數兩種分布函數，其中威布爾分布是目前應用最廣泛的風資料概率分布。本文以威布爾函數進行載荷和年發電量的計算，其表達式為：

 

　（2）

 

　（3）

 

　　式中，V輪轂高度風速，p(V)風速V出現的概率，威布爾函數尺寸參數，威布爾函數形狀參數，輪轂高度處年平均風速。

 

2.3 年發電量

 

　　風電機組的年發電量不僅取決于風電機組自身的輸出功率，還與風場風況有密切的關系。年發電量計算公式可表示為：

 

　　（4）

 

　　式中，為年發電量，為切入風速，為切出風速，為輪轂高度處風速，為機組在風速V的功率，為風速V出現的概率。

 

3.葉尖延長方案分析計算

 

3.1延長葉尖設計技術

 

　　同等條件下，葉輪直徑決定風機輸出功率，葉輪直徑的選取又與當地風況、風剪切系數有關系。因此，某一機型選取合適的葉片長度需要有效利用當地的風資源，通過最優發電量的多次迭代設計出成本最優氣動效率高的葉片[11]。

 

　　結合集團某風電場2.0MW機組所處的地理位置，對該機組安裝2.0MW-54A1葉型進行葉尖延長改造的可行性進行分析，原機組的相關參數如表1所示。

 

表1：原機組相關參數（輪轂中心數據）

 

　　該機型葉片的延長方案應用先進的設計理念，通過驗證原機組的載荷裕量，初步確定延長長度、延長起點、延長節的外形參數（翼型、扭角和弦長等），經過多次結構設計優化和載荷迭代計算，確定延長節外形參數設計，如圖2-4所示。

 

 

圖2：延長前后葉片弦長對比

 

 

圖3：延長前后葉片扭角對比

 

 

圖4：延長前后葉片相對厚度對比

 

　　多次迭代計算的目的是在整機匹配性和葉片發電表現之間尋求一個平衡點，保證在有限的延長長度前提下，最大限度增加發電量，最終確定安全的設計方案。設計流程如圖5所示。

 

 

圖5：延長節設計流程

 

圖6：葉尖延長模型示意圖

 

　　根據優化后的葉片參數對Bladed整機模型進行設置，將技改后的葉片模型輸入到Bladed中，采用FOCUS與ANSYS軟件進行強度校核，確定2.0MW-54A1葉型葉片延長至56m。葉片延長模式示意如圖6，白色部分為原始葉片，藍色部分是延長葉片葉尖部分。延長部分設計有以下特點：

 

　　（1）葉片延長部分采用NACA0018高升阻比層流翼型，保證葉尖具有優秀的氣動性能。

 

　　（2）葉片連接部分采用貝塞爾三次擬合曲線，保證葉尖延長部分與原葉片過渡平滑，使得葉片氣動載荷不突變，確保葉片結構設計的合理性與安全性。

 

 

圖7：靜態功率曲線對比

 

3.2發電量增益評估

 

　　通過Bladed仿真計算出原54m葉片和技改后56m葉片機組的靜態功率曲線，對比得出56m葉片機組的理論靜態功率曲線在達到額定功率之前明顯優于原54m葉片機組，靜態功率曲線對比如圖7所示。

 

　　技改后56m葉片機組額定風速從10m/s減小到9.5m/s，其主要原因在于葉尖延長節增大了風輪掃風面積的同時，也提高了風電機組葉片的最大功率系數由0.484提升到0.486，從而使得風電機組在更低的風速下達到額定功率。

 

　　根據靜態功率曲線，結合公式（1）——（4）計算風電機組技改前后在不同年平均風速下的年理論發電量增益結果如表2所示。

 

表2：理論年發電量增益表

 

 

　　從表2可以看出，隨著年平均風速的增加，年發電量增益逐漸減少。其中，年平均風速為5m/s時，年發電量增益最大為5.73%。因此，葉尖延長技改方案將對低風速地區的風電機組提供可觀的年發電量增益。

 

4.延長葉尖工藝

 

　　本文中描述的葉尖延長方案主要針對在線安裝，因此安裝的工藝和流程也大大增加方案的可實施性。本產品采用小葉尖對接的安裝工藝，主梁與腹板膠接作為主要承載方式，先將原葉片切除一定長度并留下原腹板，然后將已生產好的單腹板小葉尖粘接在原葉片葉尖，然后將PS蓋板對接到相應位置用于封閉PS面。延長葉尖工藝示意圖如圖8所示。

 

 

圖8：延長葉尖工藝示意圖

 

 

圖9：葉片延長整體施工流程

 

4.1延長葉尖工藝流程

 

　　（1）原葉片葉尖截斷：將原葉片52m\52.3m處切斷葉尖并保留一定長度的腹板；

 

　　（2）延長小葉片制作：小葉尖為單腹板結構，SS面為L52-56m，PS面為L52.45-56m；

 

　　（3）小葉尖在線對接：先將SS面連接，制作PS蓋板與PS面殼體粘接；

 

　　（4）連接處表面修型：對接完成后，打磨平整，刮膩子，刷漆。

 

　　整體的施工流程圖詳見圖9。

 

4.2工藝尺寸校核

 

　　葉尖延長重點在于主梁的連接，在連接位置的打磨尺寸與修補尺寸方面，依據GL規范要求執行，搭接長度需要滿足公式（5）（GL2015，Section9.2.3）：

 

（5）

 

　　打磨尺寸計算：最小錯層尺寸為60.9mm，方案中的打磨錯層尺寸都是80mm，滿足規范要求。

 

　　修補尺寸計算：最小錯層尺寸為83.3mm，方案中的錯層尺寸都是93mm，滿足規范要求。

 

　　小葉尖對接完成后的示意圖如10所示。

 

 

圖10：主梁連接示意圖

 

5.應用案例

 

　　2019年將葉尖延長的技術方案在安徽某風電場2MW機組實施應用。施工過程中由于現場情況多變復雜，首支葉片的施工經歷3次工藝和施工次序優化，并且經過二次載荷校核，在原葉尖延長工藝的基礎上進行了葉片中段兩面的補強工作，最終單臺總工期22.5天。在現場對安全、工藝等程序嚴格控制下，順利完成了機組的葉片延長施工項目。圖11為現場施工作業圖，圖12為施工完成后的葉尖情況。葉片延長項目在2019年12月施工完成，并進入考核期運行階段。

 

 

圖11：葉尖延長現場作業圖

 

 

圖12：施工完成后的葉尖

 

　　技改完成后，每月進行葉片的巡視檢查工作，運行至今未發現葉片有異常情況，機組運行穩定。按照功率曲線評估標準中的方法進行了技改提效的階段性分析，即應用技改前后同期的實際功率曲線和2018年、2019年風場的實際風頻分布進行階段性發電量提升評估，全場整體平均提升約5%，詳細如表3所示。

 

表3：風電場風速與發電量提升數據

 

 

　　按照技改項目的上網電價，結合當地平均利用小時數和發電量提升百分比，葉片延長技改項目投資回收期約為4年。

 

6.結論

 

　　本文針對某風電場2.0MW機組葉尖延長技術改造（葉片長度由54m增加到56m）展開研究，對技改機組的設計、工藝和年發電量等方面進行評估。結果表明：

 

　　（1）葉片延長部分采用NACA0018高升阻比層流翼型，經核算技改后機組安全可靠。

 

　　（2）研究表明，計劃實施風電場機組的額定風速從10m/s減小到9.5m/s。

 

　　（3）葉尖延長技術方案實施后，機組運行穩定，經過階段性評估，全場整體發電量平均提升約5%。

 

 

　　[1]何政洋.渦流發生器參數對風力機葉片氣動特性影響的數值模擬研究[D].重慶大學,2016.

 

　　[2]王飛.國外典型風電機組葉片技術改造方法簡介[J].水電與新能源,2015(11):69-71.

 

　　[3]童彤.風電機組葉片技術升級改造辦法的探討[C].風能產業（2016年第8期總第85期）.

 

　　[4]崔曉志,王華君.風電機組葉片加長改造的可行性及成本效益分析[J].風能,2013(11):94-100.

 

　　[5]Erik W, Scott T S. Numericalsimulation of micro vortex generators. AIAA, 2004-2697.

 

　　[6]Johansen J, Sorensen NN,Reck M, et al. Rotor Blade Computations with 3D Vortex Generators[R]. Roskilde Denmark: Riso National Laboratory, Riso-R-1486 (EN),2005.

 

　　[7]Zhang, L., Yang, K., Huang,C.-W., Liu, Q., Xu, J.-Z. Parameters design of vortex generatorsbasedon numerical models. Journal of Engineering.Volume 33, Issue 12,December 2012, Pages 2084-2087.

 

　　[8]郝禮書,喬志德,宋文萍.渦流發生器布局方式對翼型失速流動控制效果影響的實驗研究[J].西北工業大學學報,2011,29(04):524-528.

 

　　[9]焦建東.加裝渦流發生器風力機葉片的氣動性能研究[D].華北電力大學,2014.

 

　　[10]鄒立偉,魏敏,宋之燕.風力發電機組葉尖延長增效技術的經濟性分析[J].風能,2018(03):80-82.

 

　　[11]趙萍,鐘賢和.風電葉片長度的設計及影響因素[J].電氣技術,2009(08):71-74.

 

　　作者：協合新能源集團有限公司 姚志偉 張瑩博 紀賢濤

 

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