中車株洲所姚輝:面向山地風場的風電機組葉片智能除冰系統技術應用_東方風力發電網
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中車株洲所姚輝:面向山地風場的風電機組葉片智能除冰系統技術應用

放大字體  縮小字體 發布日期:2020-10-16   來源:能見APP  瀏覽次數:1889
核心提示:在16日上午召開的風電機組技改專題論壇上,中車株洲電力機車研究所有限公司風電事業部技術中心副主任姚輝發表《面向山地風場的風電機組葉片智能除冰系統技術應用》主題演講。
  2020年10月14日-16日,2020北京國際風能大會暨展覽會(CWP 2020)在北京新國展隆重召開。作為全球風電行業年度最大的盛會之一,這場由百余名演講嘉賓和數千名國內外參會代表共同參與的風能盛會,再次登陸北京,本屆大會以“引領綠色復蘇,構筑更好未來”為主題,聚焦中國能源革命的未來。能見App全程直播本次大會。
  在16日上午召開的風電機組技改專題論壇上,中車株洲電力機車研究所有限公司風電事業部技術中心副主任姚輝發表《面向山地風場的風電機組葉片智能除冰系統技術應用》主題演講。
  
  以下為發言實錄:
  
  姚輝:我今天分享的主題主要是六個部分,第一個部分跟大家分享一下冰凍的類型和分布,我們國家幅員遼闊,氣候具有多樣性、復雜性的特點,在北方非常寒冷,但是它很干燥,葉片覆冰情況并不嚴重,如果是北方人,包括我就是東北人,南方會感覺到南方的冷讓北方人更記憶猶新,尤其是湖南是非常濕冷的,在這種條件下,尤其在海拔更高的地方,更容易進行結冰,所以在南方有這么幾個省份,他們的結冰情況是非常嚴重的,而且隨著目前的氣象條件不斷的統計,它具有周期性的特點,是可重復性的特點,尤其是貴州、安徽、湖南、湖北結冰是非常嚴重,隨著近幾年南方山地風場大面積的開放,電量的損失也越來越嚴重,也引起了我們廣大從業人員的重視。隨著深入的分析,在南方裝機經常是在海拔相對較過的山地,隨著海拔越高結冰是越來越嚴重,所以說結冰是跟海拔具有很高的相關性,它的時間在海拔高的地方周期也相對會更長一些,大概每年有將近3個月左右的影響期、結冰期,這個對未來平價的時代,我們做前期可研的時候,往往以前會忽略掉這三個月結冰期的影響,但是未來必須要納入我們統籌的考慮中,去測算經濟賬,是否能夠達到我們盈利的指標。在南方覆冰種類也是復雜多樣的,就剛才講的7個省份,它的覆冰類型也是不同的,不同的時期結冰類型也略有不同,不同的結冰處理的方式也是不一樣的,控制策略也是不一樣的,所以我們一定要把除冰特性搞清楚,有融類的、凍雨類的,像2008年屬于附著力很強、密度性很強的凍雨型的。
  
  關于冰凍影響,對整個風機的影響不僅是一個發電量降低的問題,可能還導致一些安全性的問題,比如葉片覆冰的冰塊,可能會墜落,可能會涉及到塔基的設備、人員、牲畜等傷害,另外一個對風機本身機組的安全也會造成一些影響,因為它會導致風機機組的不平衡。小的對發電量有影響,比如氣動外形的改變,對風機的功率曲線,另外再小一點對風速測量的誤差造成影響,總之葉片結冰的問題相對來說是一個行業技術難題,在我們國內,尤其是今年因為搶裝,因為進度問題,很多業主也沒有太去細考慮南方山地風場結冰問題是否要提前就進行一些布局或者是提前做一些規劃和要求,但是在北歐一些臨海國家,在早期已經把葉片除冰的技術提前布置在葉片里了,所以我們今天這個專題放在技改論壇,也是符合國內的行情,基本上國內目前現狀大部分都是在后期做這種技改,沒有像北歐很多國家在前期建設期已經把葉片除冰部署在我們風機的系統里了。
  
  關于除冰的技術路線,簡單給大家分享一下,有一個被動除冰,其中被動除冰這幾類里,跟大家重點說一下,第一類特殊涂層,也叫疏水性材料或者超疏水性材料,涂在葉片表面,有兩種施工方式,一種葉片生產初期就進行涂覆的作業,另外是后期技改,后期技改這里有一個弊端,因為在空中作業或者葉片已經運行了一段時間以后,它的涂層附著力跟葉片表面發生化學反應,時間比較難把控,后期維持壽命不是很理想,在早期葉片出廠的時候,相對來說工藝容易控制一些。研究這種特殊涂層的材料或者企業、高校和廠家已經有很多,但是目前可能它維持的壽命還不是特別理想,可能有一到兩年的壽命期,隨著時間增加,因為我們風機葉片旋轉的速度還是相對比較高的,受風沙侵蝕是比較嚴重的。我個人對這種材料,目前不太理想,如果遠期存在科學的進步,能夠開發出一種融合性非常強的超疏水蔡小,我想這可能是革命性的一項技術,因為這項技術對氣動性能、對葉片載荷原理是非常簡單的,所以我個人還是挺期待這項技術,但是暫時處于技術研發階段。其他的幾個技術我就不一一講了,可能都是在各自的科研機構和相關專業廠家感興趣的,他們也投入了一些精力,但是目前在風電行業,只有小規模的在應用。
  
  第二個主動防冰這么一大類,包括電熱,其實電熱分成三類,一個在外表邊貼加熱材料,一個在內表面貼加熱材料,還有一種就是預埋的,它的特點也還是挺好的,但是目前最大的弊端是容易受到雷擊,不太容易維護。另外一個是氣熱,它效果相對會較好一些,但是有易維護的特點,后期存量風場的技改相對來說會容易實施一些,目前它暴露的問題也相對少一些,我只能說近階段,近幾年氣熱是大家比較關注的一個方向。另外還有其他的一些方式,就不一一介紹了,簡單的關注一下這兩個路線,因為這兩個路線現在都相對比較多一些,像北歐初始階段用電熱比較好,以后北歐雷擊比中國少很多,它氣候又比較寒冷,所以用電熱比較多,南方山地風場氣溫沒有那么低,用氣熱可能會更好一些。電熱的原理是在葉片加熱材料,通過傳導導致葉片的表面,達到除冰效果。根據我們對葉片雷擊部位概率的統計,實際上比較受雷擊的部分主要還是在葉尖前端幾米處,如果做電熱除冰,建議在葉片的尖端盡量不要鋪制電加熱的材料,這樣雷擊的概率比較高,為了保證現場的運行的可靠性,還是有一個取舍的策略。
  
  再大家分享下氣熱除冰,因為它相對比較成熟一些,原理也相對簡單一些,在葉片的內部安裝加熱器、散熱風扇,把加熱熱空氣通過管道將熱能傳到葉尖的位置,直接送到葉尖,葉尖有通道進行回流,這樣在葉片整個腔體內形成熱空氣循環的渠道,通過內部溫度的升高,再逐步傳達到葉片的外表面來加熱外表面的覆冰,以達到除冰的效果,這種方案比較適合清潔項目和存量風場的技改,都是比較理想的。
  
  通過以上幾種主流除冰方案的對比,我們可以看出來各有優勢,但是在相對折中的除冰效果,我們也要有一個取舍,就是結合著維護成本和市場需求,所以說綜合考慮,我們還是推薦技改這塊加上氣熱加熱的方案,來實現除冰的功能。關于南方山地風場智能除冰的技術解決方案,我們有以下的理解,主要是要構建四個系統的特點,就是整機系統,另外我們加入了除冰系統,還有一個葉片在覆冰以后它的載荷是做了很大的改變,我們要對整機系統整機載荷、葉片載荷進行重新的評估,而且有可能是一個動態的評估,因為葉片覆冰量是也變化的。第二個對風機機組的整機設計進行設計,它不簡單的是外部新增加一套硬件機構,要跟整機融合在一起,同時對這套設備的可靠性要進行一個深入的分析,環境氣進行適應性的分析,它的環境根據不同的海拔,根據不同的氣候特點做不同控制方案。再一個就是控制系統,要有一套非常技術應,非常具有定制化的控制算法,應該說適合每個風場,還有一個很關鍵的就是結冰檢測算法,你什么時候把這個冰檢測的更準確,我們什么時候開啟加熱系統,什么時候加熱到位,可以去關閉加熱系統,也是依靠結冰檢測算法,提供很重要的決策依據。
  
  另外一個就是安全的保護策略,安全保護策略也是我們要重點關注的這么一套控制系統里重要的方面。另外是兩個系統,供電和加熱系統,因為這還是個大功率的加熱系統、一強電系統,所以說要保證供電系統和關鍵部件選型和施工的可靠性。另外要達到效果怎么樣能夠以最優的狀態達到除冰的效果,要經過一些仿真,包括熱力學分析、氣動分析等等。最后我們還是需要一個遠程系統,來實行遠程的控制,另外還有一個智能預測和分析,來實現我們題目中所說的要達到智能除冰的技術解決方案,結合我們最新的智能手段、大數據的手段、智能算法的手段。它要解決關鍵的項點包括這么幾個方面,首先是結冰檢測,目前結冰傳感器也不斷更新迭代,不斷在應用,所以說作為整機廠家對傳感器要保持高度關注,不斷進行更新迭代和適用。第二風機本身自身動態功率曲線進行實時的判斷,本身風機還有其他的溫濕度傳感器,這也是作為我們輔助的一個判斷的依據。SCADA可以通過達峰分析得到結冰的概率,提高我們檢查的準確精準度,甚至包括天氣預報的數據,也可以納入進來,作為我們結冰檢測的長周期的預測和分析。第二個自動除冰,包括了前期的檢測,結合結冰檢測、風機狀態、加熱器狀態鼓風機狀態、葉片背控的溫度等信息,來達到自動安全運行。另外是遠程監控,要通過實時監控除冰系統運行信息,包括系統電壓、電流、溫度進行遠程可視化的控制,在HMI上也可以進行手動操作,高精度的控制葉片的實時運行的數據,作為我們不斷更新迭代的依據。最后就是安全,安全保護是除冰系統,包括用戶、整機廠重點關注的,怎么樣保證風機新裝這套系統以后能夠更安全的運行。
  
  綜上幾個要解決的問題或者是一些確定的技術方向,在這套系統里我們確定了幾大系統部件,構建了硬件系統和軟件,來協調完成智能除冰的任務,包括葉片內部的執行機構、機艙部分的控制機構,還有供電機構,還有遠程機構,經過機構的搭建,把我們這套方案進行一些仿真和模擬實驗或者掛機實驗進行進一步的驗證,這里也是通過仿真,也初步驗證了一下葉片內部的加熱空氣的需求,通過葉片材料的傳導,到葉片表面覆冰相互的熱傳遞,在特定外部環境溫度下能夠達到除冰時間的效果,得出了一些結論,環境溫度在零下四度的時候,外部冷卻風速在5米每秒,開啟加熱器2個小時可以達到除冰的效果?;谶@種理論的仿真分析,做進一步的低溫箱試驗,我們進行了一些模擬試驗,用加熱柜與葉片模擬的材料,加熱葉片模擬材料上面附著的冰,進行比例試驗,驗證氣熱可行性的效果,通過這個,還是與我們的仿真結果區域一致,這是我們試驗的結論。這種試驗做完了以后還不夠,我們又做了加熱系統地面的試驗,用于葉片來搭建除冰的系統,驗證計算模型、子系統集成及子系統功能,這是我們搭的小系統試驗,來驗證最終的功能,尋找一個最優匹配的參數,也得出了一些為我們后續智能控制控制的一些邊界參數,提供了大量的數據。
  
  除此之外做了全系統的地面聯調,做一比一三個葉片、全系統方案的驗證,在地面進行了整機系統的繼承,它的效果也是達到了我們整個試驗的目的和設計的預期,最終做了充分的仿真試驗以后,我們拿到了整個風機上進行掛機試驗,最終驗證它的機器強度、整機系統集成和整機系統的功能,最早第一臺葉片的除冰驗證從2013年就開始了,所以到現在已經驗證了7年,去年開始進行風場小批量的改造,所以說我們的方案最主要還是要一個驗證它的安全和可靠性,另外一個要不斷的提升它的效果。
  
  分享一個具體的經濟分析案例,這是湖北的某個風場,它是一個混裝的機型,有2兆瓦和2.2機型,因為每個風場海拔高度并不一樣,并不是每一個風場結冰都是一致的,通過分析看的出來,有一些受影響是相對嚴重一些,我們這里取了14臺受覆冰影響比較嚴重的機組進行了電量損失的統計,統計下來整個覆冰期14臺電量損失達到了610多萬,折合當地的上網電價,這么大的經濟損失還是非常嚴重的。我們給這個風場做了一些技改和葉片除冰的改造,效果是非常明顯,首先先關注它的安全,也是業主他最迫切的。它的控制溫度、安全溫度達到了我們的預期,除冰效果非常理想,整個葉片內表面所有的覆冰除的非常到位,葉片表面溫度也達到了影響的預期。遠程的智能的系統也運行的非常實時,把所有數據能夠呈現出來,作為后期的積累,因為每個項目的成功離不開現場團隊,尤其葉片除冰系統是現場的工藝要求是非常高的,所以說在這里也特別感謝現場精湛的工匠們,他們為這個項目的成功也提供了強有力的支持。我今天的匯報就到此結束,謝謝大家。
  
 ?。ǜ鶕儆浾?,未經本人審核)
 
關鍵詞: 風電
 

 
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