上海电气回收 上海电气刘吉辉:叶片气动优化 助力客户收益
北极星风力发电网讯:由中国农业机械工业协会风力机械分会主办的"第五届中国风电后市场专题研讨会",于2018年6月13-14日在上海市召开。
上海电气风电集团有限公司工程服务分公司副总经理 刘吉辉出席"第五届中国风电后市场专题研讨会", 在叶片改造修复与回收利用专题论坛,分享题为"叶片气动优化 助力客户收益"的主旨演讲。
以下为发言内容:
刘吉辉:首先谢谢秘书长,还有在位的各位大家上午好,我今天演讲的题目是叶片的气动优化来助力客户的收益,我们是上海电气有十年的设计经验和一些设计成果,也就是说我们上海电气集团股份有限公司从2008年,我们跟德国的公司一起合作,我们有十年叶片的一个设计经验,包括近几年我们有一些气动优化的成果,我们把这些成果用到我们后服务的市场,我们通过这种技术的升级改造为我们客户带来收益的一个增加。
我的汇报分为四个部分:
第一个部分就是我们的客户需求,我们的客户需求虽然说我们风电代表是一种绿色,是一种情怀,但是我们投资人最根本的还是追求利润,利润一个首先是成本,还有一个是收益。收益肯定是希望发电量越多越好,运维成本越低越好,这是背后的需求逻辑。
发电量的提升来说目前后市场大家比较关心的三个方面:
第一通过控制手段,控制在近十年的技术发展,控制也有很多技术的提升。
第二还有就是一个能效,随着运维管理的惊异华,我们风机的单机或者是全场用电的精益化管理,能效管理上也有一些提升。
最后一个管理叶片,后面再详细介绍。
首先讲讲我们叶片发展有哪些关键技术,大家从这个图可以看到过去20几年的发展,叶片的直径越来越大,我们叶片的越来越长,从而对成本的要求越来越高,叶片的材料技术的进步也就是对叶片的要求越来越轻。还有随着我们互联网、大数据这种技术的进步,也要求我们叶片具备智能化的一些条件或者是一些要求。
再讲一下这几个关键技术,我们也是围绕着几个目标,目标首先是一个高的AEP,年发电量,还有我们安全性相关的,低载荷和环境友好性的低噪音,还有结构可靠、重量要轻、成本要低。
说一下我们长叶片的关键技术,因为长了,冲量肯定重了,我们希望设计的时候结构尽量让它轻盈。另外 叶片加上气动之后效率和载荷平衡优化最重要,还有气动噪音,叶片加长线速度大了增印就上去了。
产业关键技术提几点,最左边是弯扭耦合的气弹设计,通过这种弯扭耦合的气弹设计能够有效降低叶片的载荷,通过叶片本身的形变来降低载荷。右边还有一个优化最大的弦长,通常早期设计的时候,最大的弦长一般是一个截面,很短的一个截面,我们现在通过对这块的优化实现最大的弦长,延长比较大的一段距离,增长叶片的时度,也就是能够增加叶片功能的吸收,从而能够提升它的气动效率。
下面是优化的钝尾缘设计,这个从左右两边图对比,右边可以看出来传统的设计分离点和我们改进的设计,我们改进设计之后气流的分离点延缓了,这样也可以提高气动效率。
总的来说影响气动效率主要是三个方面,第一个我们在叶根部有涡流损失,还有我们在叶片的后缘或者是中间部分,有附面层分离,还有我们的尖部,叶尖扰流的损失。大概还是三个区域。
针对叶片气动提升有主动跟被动,我今天主要关注的重点是,给大家分享的是我们在被动提升的一些方面,主要聚焦的是我们在涡流发生器,叶片家常这方面。
这个讲的是我们客户希望的功率曲线,我们发电量能够比我们期望的更高。实际上影响我们发电量的因素也很多,除了叶片的设计,长度和气动性能,还有风场的一些实际环境,包括叶片运行一段时间以后,受到雨蚀或者是灰尘的污染,都会影响气动效率。还有风场的选址关系。
这个叶片的表面粗糙度会影响功率和发电量。针对前面说的叶片损失的三个区域,叶根、中间部、叶片的尖部,现在行业里面提出的几个解决方案。在叶片的根部大家可以看这个图,根部国外有一些成熟的应用根箱,叶片的根部可以增加风能的吸收,还有一个图层结机翼也有类似的解决方案,前面是一个完全实的圆板,这种是来吸收风能。
还有在叶片的中间部分,这个主要的技术是通过涡流发生器、扰流条、翼刀,后缘襟翼,这些东西把航空或者是飞机相关成熟的应用应用到我们风电上。气动增印是传统的仿生学在我们风电的应用。
下面再分享三个案例,第一个案例是涡流发生器(VG)的原理。这个原理对于我们在座的叶片厂家非常熟悉, VG增加了边界层克服逆压梯度的能力,延迟了气流分 离点,还有VG增加了叶片运行工况内的最大升力系数,提高了升 阻比,进而提高了风能捕捉效率。
这几个图是我们设计过程当中方针的一些图片。这里面因为这个(VG)是我们上海电气自己设计的,也有一些设计验证的流程,方针、评估、计算、风洞的验证、最后做成成品,大概是样一个研发的过程。
现在(VG)我们现在在两个方面都有应用,一个是叶片出场的时候就已经贴上这个(VG),还有我们在役的风场也有实施改造,有两个场景,一个是叶片厂,一个是风场。这里面值得一提在风场的实施相对来说难度比较大,安全控制也比较高。这个是人员通过绳的方式,我们通过十字型的工装,或者是吊篮的方式更安全。
这里面大家也可以看得到发电量的提升和功率曲线的一些对比。
第二个风险的案例是叶尖家常技术的应用,因为这个大家都知道风电发展其实尤其长叶片,也就是最近五年发展特别快,十年之前其实同样一个平台它的叶片相对来说都是比较短,而且设计的安全余量也比较大,我们上海电气设计93的叶片,我们对这个加长的叶片坚决方案设计。
设计的时候考虑三个方面,第一个气动外形的连续性,因为前期叶片自己设计的,这方面设计的连续性,这个是我们的优势,还有载荷增加对叶片刚度的要求,这个是我们的重点,另外一个是风场实际情况的定制化,并不是每一个风场都适合这个方案的设计,我们要根据他的特定条件,评估他是否适合做这个叶片加长。
这里面其实也是对前面几个进一步说明,延续原来叶片的设计,大家可以看到从弦长的分布和扭角的分布的设计,包括预弯曲线等等。
我们对风场的设计也比较难估计,或者是难以拿出来说明,我们以三类的分析做一个测算,我们93m增加至97M后,,在三类B地 区,预计机组发电量可提升4% , 一般3~5年能收回成本。还可以根据不同的风区或场地条 件,进行定制化设计,以期获得最 大的投资回报率,风小可以延长多一点,风大了延长短一点。
这个是叶片尾缘的气动噪音大,我们降噪的设计,基本上噪声大的在尾部,这个原理也很简单,大家看猫头鹰的翅膀,我们现在是设计这样一个形状,其实就是仿生学的学习和应用。我们通过CFD仿真可以发现在叶片的尾部它的密度,噪声的能级有降音,分布的能级有变窄。
这个就是说恐龙尾的现场安装,一个是在工厂内,还有在风场两个场景进行安装。因为这个其实像我们的恐龙尾和涡流发生器材料成本比较低,但是安装成本比较高,一般我们都是建议客户,如果是做技术改造的话,建议涡流发生器跟龙孔尾同时做,同时加上叶片的清洗。
最后结合我们上海电气在系统优化,在后市场的技术应用总结了四点,第一个就是客户的需求,其实也是比较简单的,就是运维的降本和发电量的提升。
第二个还是回到我们这个主题,叶片气动优化能够在一定程度上提升机组的发电效率,助力客户收益。
第三个我们后市场叶片气动优化技术追随市场和行业发展的需求,在逐步推广应用。
第四个其实是一个大的趋势,就是 叶片大型化是发展趋势,长叶片的气动优化设计仍具挑战,随着我们的竞价上网,我们主机厂降本压力越来越大,特别是我们到叶片厂家的压力特别大,叶片越来越轻,安全性越来越小,后续的成本越来越大,所以我们仍需业内专家共同深入探讨和研究。
