廣東某風電項目葉片增效技術應用案例

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廣東某風電項目葉片增效技術應用案例隨着我國環境問題的凸顯，風力發電作為解決環境問題的有效手段之一，近十年來不斷增長，並已成為我國繼煤電、水電之後的第三大電源。

背景

從風電場開發來看，其設計主要是基於前期2～3年的測風塔數據，並結合CFD軟件進行仿真計算。平均來看，一個10～20平方公里的風電場場區會安裝1～2個測風塔。過去5~6年內諸多風電場項目由於缺乏足夠精細化的前評估，且機組老化，大葉輪機組技術逐漸成熟，導致原機位年發電量無法充分利用當地風資源優勢。另一個還存在的問題是，平均風速逐年降低，也讓風電場實際收益較可研設計階段低。

隨着技術的進步，風電行業內逐漸湧現出許多技術改進提升發電量的技術解決方案，針對已投運風電場，為了提升風機發電量，可進行葉片增效技改，從而達到提升風電場發電量的目的。

在葉片產品增效方面，現有渦流發生器（VG）、葉尖小翼、葉片擾流條、葉尖延長、後緣襟翼及葉片整體更換等增效技術。

通過安全性評估後，選擇合適風電場的葉片增效手段，理論上發電量提升可達到1%~8%，對風電場收益將會顯著改善。

應用案例

2.1項目概述

現以廣東某風電項目風機發電效率提升改造項目為案例。該風電工程位於廣東省湛江市雷州半島境內，海拔高度在20m～100m之間，地貌主要以低山崗丘為主，但地類相對較為複雜，主要以農用地為主。

該風電場安裝25台單機容量為2000kW的風力發電機組(其中一台限發1500kW)，採用恆頻雙饋式H87N-2.0MW機型，相應的裝機規模為49.5MW。風電場升壓站配備一台110kV主變設備、一套GIS送出設備及35kV開關設備等。設計年利用小時數1786.5h，2014年8月投產運行。經統計，2014年至今的平均風速為4.89m/s，年平均發電量7584.38萬千瓦時，年平均故障小時數18946小時，年平均損失電量58.81萬千瓦時，年平均可利用率99.2%。該風場屬於Ib類風場，年平均風利用小時數比較低，通過對葉片進行改造，可解決現有風機的風能利用效率過低，提升葉片的捕風效能，維持和提升每個風電場本身的發電效率，進而有效地縮短投資回報周期。

根據風電實際情況，本階段技改增效方案主要包括以下內容：

機組提質增效技術改造，系統效率得到提升，通過「流場分析及研究應用」的科技項目，該項目中採用的葉片技改方案為：1，整體更換H111葉片；2、葉尖延長小翼和葉根擾流條的組合方案。同時，調整機組控制策略，優化控制參數，最大限度發揮葉片翼型技改後氣動性能。該方案被充分證明能夠對明顯提升風電場內H87-2.0MW機組發電性能，具備突出的經濟效益和應用推廣的價值。

現計劃分批開展25颱風機增功提效技術改造工作， 2021年首批技改機組6台。針對風電場全場機組進行篩選和分析，確定首批技改機組分別為#7、#8、#10、#19、#21、#25, 並根據首批技改機組運行工況、塔筒安全評估及全場風速分布等情況選擇#10、#25風機採用更換長葉片方式，#7、#8、#19、#21風機採用葉片加長方式開展增功提效技改工作。

2.2項目效益分析

經評估分析，發電量提升方面：對比計算葉片增效及葉片整體更換H111方案前後單台機組上述6台機組技改後機組平均增效可達16.65%，提升最大值為34.85%，最小值為7.97%。，年均上網電量增加292萬kWh，年均利用小時數增加243h。盈利能力方面：本工程電價為0.61元/kW·h（含稅），投資回收期（所得稅後）8.01年，總投資收益率7.92 %，投資利稅率6.54%，全部投資財務內部收益率（稅前）達12.52 %，資本金財務內部收益率24.88 %，本工程財務盈利能力較好。

技術要點

根據風力發電機組風能轉化公式：

P=(ρAV^3 C_p η_1 η_2 η_3)/2

式中：ρ—空氣密度

A—掃風面積

V—風速

Cp—風能利用效率

η1 η2 η3—齒輪箱、發電機、變頻器效率係數

根據以上風力機功率計算理論，風力機葉片增效技改主要是通過提升風能利用效率（Cp）和掃風面積（A）。

葉片的Cp受葉片氣動外形決定，提高Cp的方法包括更換葉片或者通過改變葉片氣動外形或者氣動外形的氣動性能。通過CFD方法模擬風機正常運轉時風輪周圍的流場情況如圖3-1所示，可以注意在風輪葉尖位置存在嚴重的葉尖渦流，在葉片後緣存在氣流分離，以及在葉根處存在明顯的渦流現象，風輪運行過程中存在的這些流場問題都會影響風輪效率Cp。因此，通常通過在葉片表面加裝渦流發生器、擾流器、葉尖小翼等能夠優化葉片表面氣體流動狀態的技術方法提高葉片的Cp。

風輪掃風面積A與風輪的半徑或者葉片長度相關，可以通過葉片延長或者葉片換長的技術方案增大風輪的掃風面積，進而提高風機的捕風能力和發電性能。

應用前景

在我國風電早期的發展中，由於經驗和技術限制，多數項目都存在着因為選型選址不精確、設備工藝落後而導致的風場效益不高、設備性能發揮不充分等問題，而這些服役至今的機組設備在當前平價上網、降本增效的需求下表現已不盡人意。在成本壓力不斷上升、電價收益日益下降的情況下，如何將這些低效資產保值增值成為業主最迫切的需求，這些需求也催生了一個潛在的巨大後服務市場。

這個市場就是以提升發電量為目的的「深度技改」市場。有數字顯示，2021年風電運維市場的體量將達到300億。其中老舊機組的技改、換新需求會在近幾年快速增長，並成為未來後服務市場的持續紅利。

行業的發展總是伴隨着技術的更新迭代而日新月異。從早期的750Kw機組到1500KW機組，再到如今的8-10MW大機組，風機技術發生了顛覆性的變化。如果說「大兆瓦」是平價時代的投資利器，那麼在當前技術降本、效益提高的雙指標壓力下，早期投產運行多年的低功率設備並非只能被換掉。提升發電量可以有多種方式，而機組換新無疑是投入最大、性價比較低的方案，讓老舊機組發揮更大價值可以採取更為「精細化」的深度技改方式。一個比較典型的現象是，早期的風電設備多數是低塔筒、小葉輪，而葉輪越小，其捕風能力就越差。從提效的角度來說，通過增大葉輪直徑來提升發電量，就成為最為直接的方式。

除了針對葉片進行技術改造提高葉片捕風能力之外，對主控系統、變槳系統、齒輪箱等進行一系列創新優化能夠提升風電場收益回報。提效技改雖是市場主要需求，對風電場來說，提高機組運行的安全性和可靠性也更加迫在眉睫。通過對葉片延長或者整體更換後，機艙內傳動系統，變槳系統以及塔筒載荷勢必受到更多影響，技改前的安全論證是保障項目技改收益的前提。