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大叶轮直径“弱风速”风电机组带来的思考

2016-02-26 来源:中国风能协会 浏览数:1191

目前,中国风电行业整机生产厂家众多,竞争激烈。生产厂家为了迎合业主、满足低风速地区的风电开发需求,不断推出长叶片机型,有的生产厂家为了增加销量和满足风电企业的机组利用小时数需求,还推出了加长叶片的老机型改造。

  目前,中国风电行业整机生产厂家众多,竞争激烈。生产厂家为了迎合业主、满足低风速地区的风电开发需求,不断推出长叶片机型,有的生产厂家为了增加销量和满足风电企业的机组利用小时数需求,还推出了加长叶片的老机型改造。但如不顾及风电场风况条件、机组及部件寿命、故障率和远期维护成本等因素,而片面地增加叶片长度,必将事与愿违,影响企业的长期收益,甚至危及行业的健康持续发展。
  我国风电机组的风轮直径不断增大
  根据中国风能协会统计数据, 2008年以前,风轮直径在 70m以下的 1.5MW型机组的装机量一直处于比较稳定的状态。在 2014年、 2015年安装和投运的机组中,风轮直径在 93m及以上的 1.5MW机组已经占绝大多数;风轮直径 82m以下的 2MW风电机组在 2009年以前的新增装机容量一直保持高速增长 ,而在 2013年、 2014年、 2015年风轮直径为 100m、105m、108m、110m、114m、115m、116m、 118m、120m、121m的 2MW机组陆续问世,并相继成为主流机型。
  1.5MW和 2MW机组风轮直径的不断增加以及风电市场对其的反应,主要源自于我国对低风速风区开发的重视程度有所增加。大风轮直径的机组往往被厂商定义为“低风速型”、“弱风速型”风电机组。我国风电招投标体制,由于一般以千瓦功率为单位进行价格的对比,在短期内使叶片长度更长、风轮直径更大的产品受到市场青睐。而一些国际一流厂家则是在叶轮直径不变的情况下,不惜降低单位千瓦的扫风面积,千方百计地提高机组容量。例如: Vestas的 V164从最初的 7MW提高到了 8MW;Siemens直驱 SWT154则从最初的 6MW提高到了 7MW,在相似的运营成本条件下, SWT-7.0-154机组发电量比其前代产品 SWT-6.0-154提高了 10%。
  从我国 1.5MW和 2MW机组风轮直径不断增加趋势可以很明显地看出,叶轮直径的增加,与机组的生产年份、我国的国情及消费者的偏好有着直接的关系;从趋势中解读出来与机组所处风况条件的关系来看,我国在 2008年以后,所建的风电场绝大多数都应属于“弱风速型”风电场,事实果真是这样的吗?是否有在本属于Ⅰ、Ⅱ类风区的机位或风电场安装“弱风速型”机组的问题?因此,叶轮直径增加可能带来的隐患和弊端值得引起同行们的重视与思考。
  风电机组的设计
  一、风电机组的设计流程与设计周期
  风电机组的设计流程大致需经过:概念设计、初步设计、载荷计算、部件分析、详细设计、厂内试验及现场测试。实际整个设计阶段是一个不断的循环过程,通常需要三到五次循环。在详细设计完成后,需要将机组更为准确的参数用于载荷计算和控制器的设计,在新的载荷出来后又需要对初步设计的部件进行更新,也许原来设计不能满足要求,就需要对初步设计进行调整,再进行载荷计算和控制器的设计,以进入下一流程。因此,在机组进行批量生产之前,往往需要较长时间的样机试验,然后才批量投入市场。
  对风电机组来说,一种新的机型,在短期内投运良好,还不能证明其开发成功、性能优异,可以大批量地投入生产。由于自然条件下风的变化性,风电机组的受力情况具有很强的交变性,实际运行工况极其复杂、多变,仅依靠软件模拟和厂内试验是难以准确、全面地对机组性能进行准确评估。再者,在厂内试验不能安装叶片,许多因变桨和叶片而产生的问题,厂内试验是根本没办法发现的。因此,需要通过在风电场的实际样机试运行,在实际的风电场运行过程中,对其运行状况进行仔细分析,及时发现问题,不断地改进和完善,经过各种风况和充分的风电场验证,等待产品成熟后,再投入批量生产。也只有这样,才能向市场推出合格、经得起长期风电场检验的机型。依据国外风电机组的研发经验,从概念设计到投入批量生产所需要的时间大约为 7年。
  然而,从我国风电行业 1.5MW和 2MW的“低风速型”、“弱风速型”机组的研发到批量生产的时间来看,其设计周期普遍偏短,有的机型在没有经过样机投运的情况下,就投入了大批量生产。这样,机组的重要部件可能经不起长期风电场实践的检验,由此带来的风险很大。
  二、风电机组与其他发电设备在研发与运行上的区别
  风电机组容易受到疲劳载荷的严重影响。在 600kW机组中,风轮在 20年的寿命期内会旋转 2×108次。每旋转一周,在低速轴上的受力与作用在叶片上的重力均会出现周期性变化。同时,在风轮旋转平面上,会因风剪切力、偏航误差、轴倾斜、塔架阴影和湍流等效应产生循环变化的载荷。因此,许多风电机组部件的设计都取决于疲劳载荷而不是极限载荷。

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风电行业 整机
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