發(fā)電機(jī)效率提升的數(shù)據(jù)分析

序論：好文章的創(chuàng)作是一個(gè)不斷探索和完善的過程，我們?yōu)槟扑]一篇發(fā)電機(jī)效率提升的數(shù)據(jù)分析范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質(zhì)，帶來更深刻的閱讀感受。

中國(guó)風(fēng)電技術(shù)歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，正在初步過渡到成熟發(fā)展階段。現(xiàn)階段，技術(shù)條件以及相關(guān)的政策條件都在不斷優(yōu)化與改進(jìn)。風(fēng)電企業(yè)在發(fā)展過程中，實(shí)際利潤(rùn)不斷縮減。在這樣的背景之下，如何提高發(fā)電量，切實(shí)保障風(fēng)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益成為未來風(fēng)電企業(yè)發(fā)展過程中亟待解決的問題，也是風(fēng)電企業(yè)最關(guān)注的問題。可以說發(fā)電效率的提升將是促進(jìn)整個(gè)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)久、健康、可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

1風(fēng)機(jī)葉片延長(zhǎng)技改相關(guān)概述

“十一五”到“十二五”期間，中國(guó)風(fēng)電行業(yè)實(shí)現(xiàn)了飛速發(fā)展，設(shè)備由全部進(jìn)口向國(guó)產(chǎn)化轉(zhuǎn)變。但由于是在擴(kuò)張初期階段，國(guó)產(chǎn)設(shè)備相關(guān)技術(shù)都不夠成熟，具體的施工操作、技術(shù)選擇、設(shè)備應(yīng)用等方面都處于初步探索階段。初期發(fā)展階段風(fēng)電場(chǎng)大多塔筒較低、葉片較短，這樣必然會(huì)造成發(fā)電效率比較低。后期，伴隨著風(fēng)電市場(chǎng)的不斷發(fā)展與技術(shù)完善，越來越多的新型技術(shù)及新機(jī)型出現(xiàn)，從而滿足相關(guān)風(fēng)電企業(yè)通過加長(zhǎng)風(fēng)輪葉片來增大掃風(fēng)面積的要求，實(shí)現(xiàn)了低風(fēng)速情況下發(fā)電效率的根本提升，這也成為了現(xiàn)階段風(fēng)電行業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)與要求。針對(duì)一些已投入運(yùn)營(yíng)10a以上的老舊機(jī)組來說，市場(chǎng)迫切需要提高設(shè)備發(fā)電效率，而延長(zhǎng)技改是性價(jià)比最高的手段。如何在高空完成對(duì)葉片的加長(zhǎng)改造，從而滿足低風(fēng)速發(fā)電的基本要求，是必須要深入思考的問題。葉片的加長(zhǎng)既需要確保葉片本身在運(yùn)行過程中的安全，也需要保證葉片加長(zhǎng)及加重之后的承載能力。因此，開展相關(guān)的葉片延長(zhǎng)技改工作勢(shì)在必行。本項(xiàng)目是對(duì)牦牛坪風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組的葉片進(jìn)行葉尖延長(zhǎng)氣動(dòng)性能改造，同時(shí)配合進(jìn)行控制策略的調(diào)整[1-3]。結(jié)合應(yīng)用兩種方案后，提升的電量滿足目標(biāo)值（電量提升7%）。技改機(jī)組、葉片的型號(hào)分別為SE82/1500，SYFB3406。延長(zhǎng)技改方案為：葉片延長(zhǎng)1.5m，將原始葉片從距離根部39.0m的位置切開，38.5～39.0m為黏接段，延長(zhǎng)節(jié)長(zhǎng)度為3.6m，延長(zhǎng)后葉片長(zhǎng)度為42.1m，如圖1所示。

2風(fēng)機(jī)葉片延長(zhǎng)技改基本原理分析

以南方地區(qū)為例進(jìn)行分析。南方地區(qū)夏季的風(fēng)資源相對(duì)于其他季節(jié)來說比較薄弱，而葉片較短會(huì)造成掃風(fēng)面積相對(duì)較小，這就造成夏季時(shí)期風(fēng)資源的大量浪費(fèi)。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，葉片是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能轉(zhuǎn)換的最主要部件，同時(shí)對(duì)整個(gè)發(fā)電機(jī)組整體性能的影響非常明顯。增加葉片長(zhǎng)度可有效增大掃風(fēng)面積，進(jìn)而有效提高風(fēng)機(jī)發(fā)電功率和效率[4-6]。

3具體技改方案

通過全面分析發(fā)電企業(yè)的實(shí)際情況，結(jié)合風(fēng)力發(fā)電組的應(yīng)用位置，得出發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率以及風(fēng)輪掃風(fēng)的面積之間是正比例關(guān)系。現(xiàn)階段市場(chǎng)上比較常見的葉片增效技改方式為更換長(zhǎng)葉片或進(jìn)行葉尖延長(zhǎng)、加裝葉尖小翼、加裝增功氣動(dòng)附件。對(duì)于加裝葉尖小翼，雖然葉尖增加出的小翼可最大限度降低氣流造成的影響，但是在該研究的應(yīng)用場(chǎng)景中效果不好。對(duì)于通過加裝一些增功附件，確實(shí)可以降低葉片氣流分離造成的損失，也可以提高升阻比，但是綜合實(shí)際情況以及不可控因素造成的影響，通常只會(huì)實(shí)現(xiàn)1.0%～1.5%的合理提高，因此從性價(jià)比的角度來看，該方式的效率提升效果并不顯著，不具有廣泛的推廣價(jià)值。更換更長(zhǎng)葉片，也可有效提高機(jī)組發(fā)電量，但是涉及到重新采購(gòu)、運(yùn)輸、吊裝葉片等工作，成本較高，成本回收年限長(zhǎng)。老舊型號(hào)的葉片市場(chǎng)上庫(kù)存很少，不易采購(gòu)；另外運(yùn)輸葉片可能還需要重新修路。由此可見，更換更長(zhǎng)葉片的性價(jià)比不高。相比上述提質(zhì)增效方案，將葉片加長(zhǎng)是性價(jià)比最好的方式，施工、運(yùn)輸及成本回收年限都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于更換更長(zhǎng)葉片的方案，因此，更加受到市場(chǎng)的青睞[7-9]。對(duì)在役葉片的葉尖進(jìn)行延長(zhǎng)，增大了葉片的有效掃風(fēng)面積，同時(shí)葉片及機(jī)組所承受的載荷也相應(yīng)增大。為此，必須對(duì)延長(zhǎng)后葉片的結(jié)構(gòu)及根部螺栓的具體強(qiáng)度進(jìn)行校準(zhǔn)與核對(duì)；通過理論計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證，確保延長(zhǎng)節(jié)與原始葉片的黏接強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；施工過程中使用合理的工裝夾具，確保延長(zhǎng)節(jié)的黏接膠層厚度滿足要求、黏接后葉片的外形光順。

4增功技改的具體措施

4.1技術(shù)角度

4.1.1風(fēng)資源提升方面

從實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況來看，風(fēng)資源提升可以從單個(gè)機(jī)組著手，也可以從風(fēng)場(chǎng)整體的發(fā)展入手。單個(gè)機(jī)組風(fēng)資源的利用及改善主要可以從移動(dòng)機(jī)組或加高塔筒兩方面入手。移動(dòng)機(jī)組，很顯然在技術(shù)改進(jìn)過程中屬于比較大范圍的操作，并且選擇這種方式大多是因?yàn)榍捌诎l(fā)電機(jī)組的選址出現(xiàn)了失誤，所以大范圍移動(dòng)是必然的。當(dāng)初步了解項(xiàng)目的地點(diǎn)以及具體落實(shí)情況之后，必須分析該項(xiàng)目的必要性，簡(jiǎn)言之就是分析移動(dòng)機(jī)組是彌補(bǔ)了從前的損失，還是使得損失進(jìn)一步擴(kuò)大。移動(dòng)的相關(guān)方案會(huì)涉及到風(fēng)機(jī)的整體拆裝、土建工程、集電線路、采購(gòu)等一系列工作內(nèi)容。而對(duì)于另外一種方式———加高塔筒，在實(shí)際應(yīng)用過程中也必須進(jìn)行比較慎重的考量。該方式比較適用于風(fēng)切變較大的風(fēng)場(chǎng)，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中也必須全面分析和驗(yàn)證荷載情況以及經(jīng)濟(jì)效益。整個(gè)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)資源的提升一般需要針對(duì)整個(gè)風(fēng)場(chǎng)資源的合理調(diào)配進(jìn)行分析，采取扇區(qū)管理方案，減少機(jī)組之間尾流所造成的相互干擾與影響，確保整個(gè)風(fēng)場(chǎng)發(fā)電性能最優(yōu)。

4.1.2空氣密度利用優(yōu)化方面

要想實(shí)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)空氣密度利用的最優(yōu)化，就必須針對(duì)機(jī)組控制邏輯中的最優(yōu)增益情況進(jìn)行優(yōu)化。現(xiàn)階段增加發(fā)電量主要有提高機(jī)位局部年平均風(fēng)速以及提高機(jī)組的功率特性兩種途徑，因此通過相應(yīng)的控制策略以及控制算法，可以有效得出最佳的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值，同時(shí)也可以通過給定的具體轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)組風(fēng)能的最大化利用與轉(zhuǎn)換。最優(yōu)模態(tài)增益的計(jì)算公式為：Kopt=πρR5Cp/2λ3G3，(1)式(1)中，Kopt為最優(yōu)增益因子；ρ為空氣密度，kg/m3；R為風(fēng)輪半徑，m；Cp為最大風(fēng)能利用系數(shù)，表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能的轉(zhuǎn)換效率；λ為最佳葉尖速比，葉尖速度與風(fēng)速的比值為葉尖速比，最高Cp對(duì)應(yīng)的葉尖速比為最佳葉尖速比；G為齒輪箱傳動(dòng)比。最佳輸出功率Popt的計(jì)算公式為：Popt=Tdωg，(2)式(2)中，Td為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩設(shè)定值，kN·m；ωg為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，rad/s。由式(1)可看出Kopt和空氣密度ρ之間有著非常密切的關(guān)系。但是現(xiàn)階段多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制算法所使用的空氣密度往往為固定值，而實(shí)際上空氣密度本身是在不斷變化的，因此采用這樣的方式進(jìn)行計(jì)算就必然會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩相關(guān)結(jié)果的測(cè)算出現(xiàn)誤差，這對(duì)于發(fā)電效果是非常不利的。針對(duì)上述問題，一般可采集機(jī)組實(shí)際環(huán)境的氣象數(shù)據(jù)，然后基于得到的數(shù)據(jù)信息將實(shí)時(shí)空氣密度引入控制算法中，這樣的計(jì)算方式往往比較優(yōu)化，也可以計(jì)算出最佳轉(zhuǎn)矩的數(shù)值，有效提升了機(jī)組出力情況。因?yàn)槎膬杉究諝饷芏茸兓^大，所以必須要對(duì)葉片進(jìn)行季節(jié)性調(diào)整，使機(jī)組管理工作滿足精細(xì)化要求，切實(shí)提高發(fā)電機(jī)發(fā)電效率[10-12]。

4.1.3掃風(fēng)面積提升方面

中國(guó)早期建設(shè)的風(fēng)場(chǎng)大多處在風(fēng)資源相對(duì)具有優(yōu)勢(shì)的區(qū)域范圍，由于技術(shù)條件的制約，這些風(fēng)場(chǎng)所使用的機(jī)組葉片以現(xiàn)階段的判定標(biāo)準(zhǔn)來看尺寸都偏小，同時(shí)捕風(fēng)能力相對(duì)較差。為此，這些區(qū)域本身所具有的風(fēng)資源優(yōu)勢(shì)并沒有得到比較充分的利用，發(fā)電效率偏低成為了常見的情況。因此必須采取相應(yīng)措施使這些小葉片機(jī)組發(fā)揮出更大的價(jià)值。加長(zhǎng)葉片、增大掃風(fēng)面積，無疑是提高發(fā)電量最為有效的一種方式。根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究[13]，直徑102m葉片的掃風(fēng)面積要比直徑100m葉片的掃風(fēng)面積增大8%，在同樣的風(fēng)速條件及風(fēng)資源情況下，機(jī)組獲取的風(fēng)能就可能會(huì)增加8%，因此相對(duì)來說提升效果比較顯著，且這種方式在目前市場(chǎng)上的應(yīng)用比較廣泛。通常可采用葉尖延長(zhǎng)或葉根延長(zhǎng)兩種方式。格外需要注意的是，無論采取哪種方式都必須在實(shí)施方案之前進(jìn)行非常嚴(yán)格的數(shù)據(jù)計(jì)算，主要需要計(jì)算載荷能力、強(qiáng)度等。在提高機(jī)組發(fā)電量以及發(fā)電效率的同時(shí)，保障機(jī)組在實(shí)行技改方案后可以安全平穩(wěn)運(yùn)行，絕不可以增大實(shí)際運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，也不可以影響設(shè)備使用壽命。改造后具體的效率提升必須通過準(zhǔn)確的計(jì)算獲得，也必須滿足經(jīng)濟(jì)性、安全性等諸多要求。

4.2管理角度

對(duì)于發(fā)電機(jī)效率的提升來說，單純的技術(shù)保障是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，科學(xué)的管理也是關(guān)鍵。一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電能力不只與風(fēng)資源情況、機(jī)組質(zhì)量有關(guān)，穩(wěn)定優(yōu)秀的運(yùn)營(yíng)維護(hù)團(tuán)隊(duì)是保障風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)轉(zhuǎn)的前提。更加科學(xué)合理的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)確實(shí)可以使機(jī)組實(shí)現(xiàn)更大程度對(duì)風(fēng)力資源的利用，也可以降低設(shè)備出現(xiàn)故障的概率，確保機(jī)組始終處于健康、安全、穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)電量最大化的目標(biāo)與要求。針對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行必要的檢修與維護(hù)非常關(guān)鍵，這就需要相關(guān)部門分析該地區(qū)的風(fēng)速情況及限電數(shù)據(jù)信息，科學(xué)合理地規(guī)劃?rùn)z修時(shí)間，并選擇出最為合理的技改時(shí)間與技改方案。比如對(duì)于不限電地區(qū)，可安排在小風(fēng)期開展技改工作，而針對(duì)限電地區(qū)則應(yīng)安排在限電比較嚴(yán)重的月份開展相關(guān)工作。要注重各部門之間的溝通調(diào)度工作，將電網(wǎng)調(diào)度負(fù)荷作為前提，依據(jù)風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備特點(diǎn)，確定風(fēng)機(jī)運(yùn)行的具體數(shù)量以及風(fēng)電場(chǎng)負(fù)荷指標(biāo)。還需要整合整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)的信息，分析電氣設(shè)備運(yùn)行的具體特點(diǎn)與方法，開展電氣設(shè)備優(yōu)化工作，這樣才能切實(shí)提高電能傳輸效率，降低風(fēng)電場(chǎng)用電率。

5風(fēng)機(jī)葉片延長(zhǎng)技改發(fā)電機(jī)效率提升相關(guān)數(shù)據(jù)

針對(duì)牦牛坪風(fēng)電場(chǎng)葉尖延長(zhǎng)項(xiàng)目，以葉片延長(zhǎng)后機(jī)組功率曲線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)依據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，通過自身不同時(shí)間段的同期歷史數(shù)據(jù)對(duì)比可以有效消除機(jī)組的線性差異。通過功率曲線對(duì)比可看出機(jī)組延長(zhǎng)技改后，性能有較大的改善，在相同風(fēng)速條件下，進(jìn)行了葉片延長(zhǎng)技改的機(jī)組可顯著提高發(fā)電量[14-18]。具體可參考表1內(nèi)容進(jìn)一步定量分析機(jī)組性能的提升（2021年為技改前，2022年為技改后）。21號(hào)機(jī)組技改前后功率曲線對(duì)比如圖2所示。結(jié)合技改前后功率曲線變化和表1中實(shí)際統(tǒng)計(jì)發(fā)電量提升量分析，技改前后平均功率曲線都有大幅度提升。同風(fēng)速下的發(fā)電功率有明顯提升，且在全部驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中發(fā)電總量有大幅度提升。通過數(shù)據(jù)分析可知，機(jī)組發(fā)電量提升效果明顯，葉片延長(zhǎng)技改能很好地為風(fēng)電場(chǎng)增值提效。特別是葉尖延長(zhǎng)和程序優(yōu)化的綜合方案，該方案性能較穩(wěn)定，機(jī)位點(diǎn)適應(yīng)性強(qiáng)，收益率較高[13，19-21]。

6結(jié)語

客觀分析和全面探究風(fēng)機(jī)葉片延長(zhǎng)技改實(shí)行之后發(fā)電機(jī)效率提升的情況，可更為全面地分析此種技改在未來的推廣趨勢(shì)和意義。以實(shí)際的風(fēng)電場(chǎng)技改作為案例進(jìn)行分析，大量數(shù)據(jù)說明風(fēng)機(jī)葉片延長(zhǎng)技改后，發(fā)電效率及經(jīng)濟(jì)效益明顯提高。但也需要格外注意，在發(fā)電機(jī)組葉片加長(zhǎng)的改造過程中，必須進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃與分析，尤其需要做好相應(yīng)的防護(hù)工作，在確保風(fēng)電機(jī)組可靠性的前提下進(jìn)行延長(zhǎng)作業(yè)，保證提高風(fēng)能利用系數(shù)的同時(shí)，確保機(jī)組設(shè)備的使用壽命不受影響，同時(shí)安全性不會(huì)受損，確保發(fā)電機(jī)組發(fā)電量及風(fēng)場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益都有明顯提升。

參考文獻(xiàn)：

［1］鄭正.基于時(shí)序數(shù)據(jù)特征挖掘的風(fēng)機(jī)葉片故障診斷方法研究［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2021.

［2］李偉.計(jì)及自然接地體作用的風(fēng)機(jī)雷擊暫態(tài)特性分析及防護(hù)研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2021.

［3］雷宇航.基于雷電先導(dǎo)理論的風(fēng)機(jī)葉片引雷能力評(píng)估及風(fēng)機(jī)防雷間距研究［D］.吉林：東北電力大學(xué)，2021.

［4］鄭丁翡.風(fēng)機(jī)葉片疲勞約束下的風(fēng)電場(chǎng)有功調(diào)節(jié)優(yōu)化研究［D］.沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2020.

［5］左廣宇.極區(qū)獨(dú)立可再生能源供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.太原：太原理工大學(xué)，2020.

［6］代禮葵.環(huán)境因素下玻纖增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料沖蝕損傷行為［D］.烏魯木齊：新疆大學(xué)，2019.

［7］張紹廣.XQ斜槽式離心風(fēng)機(jī)流場(chǎng)仿真及關(guān)鍵部件的改進(jìn)設(shè)計(jì)［D］.沈陽：沈陽航空航天大學(xué)，2018.

［8］金偉晨.浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)-塔柱-葉片的可靠性分析與整機(jī)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)［D］.天津：天津大學(xué)，2018.

［9］管東波.幾種表面防凍粘涂料的制備及涂層性能試驗(yàn)研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2017.

［10］代文豪.風(fēng)機(jī)葉片氧乙炔熱噴焊Ni基WC復(fù)合涂層工藝及性能研究［D］.西安：陜西科技大學(xué)，2017.

［11］趙文超.海上風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能和浮式平臺(tái)水動(dòng)力計(jì)算分析［D］.上海：上海交通大學(xué)，2015.

［12］朱先俊.含塵離心風(fēng)機(jī)葉片磨損機(jī)理與減磨途徑的研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2012.

［13］宋海彬，鞠蘇榮，魏惠春.挖掘在役風(fēng)電機(jī)組潛能助力“雙碳”目標(biāo)［J］.能源與節(jié)能，2021(12)：100-104.

［14］楊春燕，劉紅好.風(fēng)機(jī)葉片生產(chǎn)中阻聚劑的應(yīng)用［J］.中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2011(19)：20.

［15］姚星.適用風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的環(huán)氧乙烯基酯樹脂合成及應(yīng)用研究［D］.上海：華東理工大學(xué)，2011.

［16］劉艷艷.風(fēng)篩式清選裝置中離心風(fēng)機(jī)的試驗(yàn)研究及仿真分析［D］.鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2009.

［17］卜照軍.靈泉發(fā)電廠4#爐引風(fēng)機(jī)磨損問題的研究［D］.北京：華北電力大學(xué)（北京），2006.

［18］郝柏林.Fe—05耐磨堆焊合金在引風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用［J］.焊接，1993(11)：24.

［19］陽世江.K35風(fēng)機(jī)葉片改造成功［J］.節(jié)能，1993，12(4)：10.

［20］李興漢.F—301節(jié)能涂料［J］.有色礦山，1989，18(3)：58.

［21］張卓英.引風(fēng)機(jī)葉片抗磨新方法［J］.冶金動(dòng)力，1987(3)：71.

作者:張繼全 陳建林 吳偉 朱繼新 單位:華電 （云南） 新能源發(fā)電有限公司