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CWPC2024:龙源(北京)新能源工程技术有限公司首席叶片工程师李存义发表《风电机组叶片提质增效技术研究与应用》的演讲

2024-04-28 浏览数:117

各位领导、各位专家、各位同仁,大家上午好!我汇报的题目是:风电机组叶片提质增效技术研究与应用。主要想和大家分享

各位领导、各位专家、各位同仁,大家上午好!

我汇报的题目是:风电机组叶片提质增效技术研究与应用。主要想和大家分享一下叶片在长期运行过程中面临的主要问题,以及相关的技术方案探讨。

汇报分为以下几部分:

龙源电力简介,龙源电力集团股份有限公司成立于1993年,现隶属于国家能源集团。2009年,在香港主板成功上市,被誉为“中国新能源第一股”。2022年正式在A股上市,成为国内首单H股新能源发电央企回归A股、首单五大发电集团新能源企业登陆A股资本市场、首单同步实施换股吸收合并、资产出售和资产购买项目。龙源电力是中国最早开发风电的专业化公司,率先开拓了我国海上、低风速、高海拔等风电领域,率先实现我国风电“走出去”,不断引领行业发展和技术进步。自2015年以来,持续保持世界第一大风电运营商地位。目前,龙源电力已成为一家以开发运营新能源为主的大型综合性发电集团,拥有风电、光伏、潮汐、生物质、火电、地热等电源项目,构建了业内领先的新能源工程咨询设计、前期开发、工程建设管理、工程运维技术、碳资产开发管理、储能等技术服务体系,业务分布于国内32个省区市以及加拿大、南非、乌克兰等国家,为全球能源绿色低碳发展和可再生能源利用做出积极贡献。

下面分享一下我们叶片运维方面的一些经验,叶片在长达20年甚至更长的长期运行中会面临诸多的挑战,例如极端的高温、低温、冻雨、沙石、大风、腐蚀,叶片长效、安全、可靠性运行面临非常巨大的挑战。我们知道影响叶片气动发电性能主要是叶尖到叶根1/2-2/3的位置。叶片高效运行面临的两大问题:叶片覆冰、前缘腐蚀,都是行业内值得重点关注和亟待解决的问题。

下面,分别就这两大问题探讨一下相关解决方案。

覆冰问题,目前在国外20%的风电厂存在覆冰问题,像丹麦、芬兰等国家,我国国内超过8万台以上风电机组存在这种覆冰问题。覆冰是一个极其复杂的过程,覆冰类型可以分为:雨凇、雾凇、湿雪、混合淞。对发电性能影响的排序,最主要的是雨凇、混合淞、雾凇,其次是湿雪。

覆冰对于机组的影响,改变风机气动特性,降低发电量。叶片覆冰以后由于叶片每个截面覆冰厚度不一,使得叶片原有的翼型改变,破坏其原有的平衡,从而改变风机的气动特性,进而影响风机的出力。减少机组的疲劳寿命。由冰块附加的重量,将导致叶片静载和动载的改变,减少叶片运行寿命。此外,各叶片的重量可能会存在一定差异,叶片旋转产生的振动幅值和振动频率都会和设计工况出现偏差,塔筒的载荷同样会因此受到影响。叶片覆冰造成叶根处的载荷明显增加。安全隐患。风机叶片上的积冰会在融化过程中产生甩冰现象。大冰块的脱落可能会导致严重的人员和财产安全危害,特别是位于公路、房舍、输电线路等附近的风机。

目前国内外主流技术路线主要包括:气热、涂料、电热。我们从2018年就开展了三种主流技术路线研究,选择国内不同风场、不同覆冰类型开展单一式和组合式方案技术研究探讨,我们发现目前这种防冰技术有待进一步突破,特别是综合考虑不同的覆冰类型、结冰的形态,还有除冰效率和成本方面,才能实现最优的除冰效果。

分享一下目前几大主流技术研究路线:

涂层方面,超疏水涂层抑制冷凝,在覆冰前期有一定效果,但在大雾情况下效果有待进一步改善;低冰粘附涂层,这种是目前行业里非常具有发展前景的涂层,目前低冰粘附强度可以做到20千帕或者10千帕以内。光热涂层,这种效果目前在国外做了挂机实验,国内主要是以实验室研究阶段为主,目前不止可以做到黑色涂料,目前国内可以做成半透明或者透明的涂料。

(图示)目前这种加热技改,在役机组如何快速技改,我们2021年采用高空技改,采用真空灌注碳纤维材料,2021年到现在已经运行三年多,目前非常稳定可靠,验证这种技术路线具有可行性。但这种工艺施工周期比较长,后来我们进行了中间第二代产品的尝试,将加热模预制成复合模,地面表面预制,然后采用手糊工艺,降低工期,缩短30%左右。右边是气热比较成熟的方案,气热方案在以淞雾为主的覆冰环境下取得不错的效果。但在温度比较低的雾凇情况下效果有待进一步论证。

防覆冰技术还有一个比较核心的,如何进行防覆冰系统的启停。各大主机都在做防冰保护策略,基本上降低60%-70%理论功率,持续半小时或1小时进行停机。除冰系统如何在机组停机之前介入,实现除冰是非常关键的,还是影响除冰整体效果核心的问题。因此我们结合龙源在气象方面研究的积累,针对不同风场建立的覆冰预测模型,现在已经实现在全国不同区域、不同风场、不同时刻结冰的预警,实现防覆冰系统机型提前预警。我们进行了单一和组合式方案对比,组合式方案里电热贡献很大,50%以上,气热30%左右,涂层是6%左右,不同区域有一定差异,也验证了电热效果非常优异的。很多业内人士觉得涂层没有一定效果,我想说涂层也有一定效果。

(图示)这是我们实际测的效果,在风场延缓结冰时长6小时左右,有一定发电量提升。比较核心的是如何选对风场结冰类型,还有涂层的性能,还有叶片涂覆位置,这是非常核心和关键的。

前缘腐蚀问题,也是目前行业内比较存在的问题,前缘腐蚀和降雨量呈相关性比较强。我们统计了全国不同区域前缘腐蚀问题,通过无人机采集到的照片,我们发现在广西、贵州、福建、上海等区域,降雨量比较大的区域确实前缘腐蚀是更严重的。然后在西北,像降雨量比较少的风场,主要还是以沙石为主,对于气动性能方面影响还是更弱一些。目前行业内前缘腐蚀解决方案主要是两大类:前缘保护膜、前缘保护涂料。前缘保护膜性能非常优异,两个问题亟待突破:成本问题、工艺问题。前缘保护涂层应用是非常广泛的,但这个涂层实际上能不能用到大家所说的5年或者更长时间,有一些挂机效果并没有达到这么好。

我们联合一些厂商和科研院所也在做一个国产前缘保护膜替代性产品的尝试。我们发现在实际前缘腐蚀设计可以达到10年或者20年免维护,但通过挂机测试,我们发现偏差很大,有的5年,有的不到5年已经损坏了。针对存在的问题分析了一下可能存在两方面原因:雨蚀测试规范提到了雨滴直径、降雨速率和实际偏差非常大;雨蚀是其中一个因素,还有紫外、高低温循环的作用会加速前缘腐蚀问题。我们发现实际挂机效果有点问题的情况下,有可能工艺控制有待进一步改善。因为这种材料也是“3分材料、7分工艺”,因素占比非常大。为此我们在去年年底,在能源局立项了前缘保护改造技术规程,从前缘保护性能标准、相关施工工艺提供一些规范,以期实现产品的规范,还有选型,还有施工运行维护做一些指导。

最后是相关技术的展望,防冰技术,目前防冰有很多技术点亟待突破。从大量实践经验发现,防冰技术路线电热和涂层还是非常具有发展前景的,而且复合式方案是未来或者一段时间内重点研究方向。电热方案效果非常好,最核心是叶尖5-10米范围之内无法突破,95%雷击概念都在叶尖部分。如何平衡电热除冰效率和雷击风险是综合设计需要考虑的因素,所以叶尖问题我们在实际发现有很多情况叶尖没有铺设,或者铺设不合理的话,很有可能在运行过程中电热位置是没有结冰,但风机还是运转不起来。叶尖问题可以有几种方案,涂层是一种方案;还有气热方案,在流道比较好情况下也是一个好的补充方案。针对前缘腐蚀问题,目前随着叶片大型化发展前缘腐蚀问题会越来越突出。特别是在运行阶段加强叶片前缘腐蚀问题的巡检,通过无人机或者一些其他智能化手段定期做一些检查,发现问题及时修补,可以避免大的损坏或者叶片大的质量问题,可以精细化维护,实现全生命周期的发电量提升。

随着叶片大型化发展,叶片前缘腐蚀问题会更加凸显,叶片运行阶段应重视叶片前缘腐蚀问题,及时发现和处理问题,避免叶片大修、更换等大问题的处理,精细化维修可实现全寿命周期发电量提升。在一些较严重腐蚀区域,采用前缘保护膜与前缘保护漆结合的方案可降低寿命周期成本。防冰技术、前缘保护技术相关的标准体系有待进一步完善。防冰和前缘相关技术研究希望行业里上下游一起共同努力,无论是从技术标准制定还是技术联合创新,这方面大家一起推动才能实现风电的高质量发展。

谢谢大家!   


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