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低风速风电大叶片对整机的影响分析

国际新能源网  来源:能见  日期:2017-10-18
2017年10月16日-19日,2017北京国际风能大会(CWP2017)在北京隆重召开。在中国国际展览中心(新馆)“风电叶片大型化问题和技术”专场,中车株洲电力机车研究所有限公司高级工程师,高级主任设计师王磊带来“低风速风电大叶片对整机的影响分析”的主旨演讲。 以下为演讲内容: 王磊:各位同仁,各位专家,大家上午好。 我今天给大家汇报的主题是风电大叶片对整机的影响,因为我本人来说是整机设计和开发这块的工作,所以可能会更加倾向于整机一些,前面叶片相关的方面的一些考虑的话,前面两位前辈和专家已经讲过了,所以今天我重点内容就是整机方面的。 我的汇报分成三个部分,第一个就是我们长叶片对整机带来的优势和好处是什么?第二个整机厂可能考虑的方面,就是劣势,整机方面带来的影响,我们有什么解决方案。 首先对于长叶片对整机的优势是显而易见的,这个是投资方关注的,就是收益。 我们首先看一下,从时间轴上来看,2012年以前,我们风电行业大部分是1.5MW,到了2012年的时候主要2MW,到了2016年下半年,各个厂家逐渐推出了126,以及131这样的级别,不过功率级别从2MW,现在逐渐升到了X。所以最终会讨论到对整机的成本,也就是业主投资的收益问题,还有我们整机厂必须要考虑的利润问题。 这是我们公司从最开始的长叶片到现在做研发的状态,我们对叶片的发展性能大家很熟知的,但是这个东西大家太熟知了。我们可以看到,从最初的2兆瓦110,到现在130,单位兆瓦一直在持续增加,可适应的风量总级一直在增加,从最初的7.5米,到现在可开发的利润点能够达到5.5米的状态,使超低风速的地区开发价值逐渐增高,使我们可以开发的地方逐渐多一些。 这是简单的一些优势,所以我大概地过了一下,我们重点来分析对整机的劣势,对整机来说,随着叶片长度增加,重量增加是显而易见的,其次不管是重力载荷还是气动载荷,还有噪音成本都是显而易见的,这是下面重点分析的内容。 第一,随着叶片长度增加,对整机带来什么影响? 首先,刚才提到了我们的长度,随着我的长度增加之后,我的风电机组的塔筒肯定要增加的,塔筒投资要增加的,整个要考虑整个风场的COE的时候要加入的,这个是有改变的。 第二个是净空,一般来说大兆瓦的功率设计,设计都是按照IEC,对本身材料和工况都会有要求,所以对净空有要求。 第三,如果整机不进行改变,噪音会增加的,噪音来自于什么?就是速度,如果叶片增加之后,转速还是之前一样的话,整个风能的噪音是会增加的,这个会有详细介绍。 另外运速方面,在一些特殊方面,当你的叶片增加两三米的话,就会出现很大问题,那我修路的成本也会增加的,最终也是在成本里面。 第二个就是重量,重量的增加,根据我们过往研究,它的叶根螺栓也要做很大,随着研究深入,对也跟螺栓来说,对于重力,叶片摆放也会影响很大。 另外一方面,也是去年才逐渐意识到这个问题,以前很多技术是平台技术延伸的。随着风电叶片增加之后,叶片重量增加,或者风能重量增加更合理一些比如说轮毂本体,这都是重量主要原因。真正的重力FY、FZ对它的影响也是非常大的。 其次就是气动载荷,大家可能很熟知了,会影响叶片的方向,直接影响塔架的设计,同样的塔筒和部件都需要重点去载荷,去进行加载来满足要求。 所以最终落到部件影响整个成本,保证风机20年质量寿命的成本,也是增加的。 通过前面的一些梳理,我们把叶片变长之后的劣势梳理出来,一个是叶片变长带来的,一个是塔筒增高带来的,还有噪音增高和相应供应链带来的。 首先,我们来看一下叶片变长对叶根螺栓的影响,这个从1千瓦的77,我们国内可能从这个级别走来,可能93以上的机组可能生命周期很短了,这个地方我们就只写到了93。 然后从2兆的级别,121、121、130的级别,我们看到不同的叶片长度,质量增加和载荷的增加,都是向上走的,只不过有的我们看到的从105级别到116级别的时候,为什么有个别地方下降和平缓,是为了我们保证整机设计平台的时候,我们是刻意设计降低的,风场能适应等级会更窄一点,但是是成本考虑。 所以我们后面计算就发现,随着风轮直径的增加,1的时候,我们的螺栓寿命就是20年,我的螺栓大部分的时候还是用扳手这个状态,我需要涂抹相应的润滑剂,来保证相应的扭动系数,这时候可能寿命远远达不到20年,可能五六年就会断了,会与我们设计20年有偏差的。 但是这个项点对当前来说,因为叶片长度到了这个级别,这个重量肯定会增加的,所以这是很大风险在这里。 第二,叶片长度增加之后,转速会下降。 首先,风能的叶片长度的增加,为了保持噪音保持现有的状态,那我就要保持我的叶间的V达到80或者81,这时候我的R是增加的,我的风能转速是要下降的,我要维持功率的输出,我的额定力矩肯定要增加,整个传动部件的需求就增加。那么对我的成本这个是会有增加的。 第二个,就是叶片性能这一块的问题,刚才前面中材科技已经讲过了,我大概提一下,因为风轮转速,我们选择的时候会选择某个值来匹配,它的最佳的接触比是有一个值在这里,如果我的叶片在做别的匹配,或者加长的时候,我还是要保证我的叶间长度不变,额定降低之后,我的转速比会降低,叶片越长以后,风轮转速就降低。 第三个例子,就是我们的叶片长度带来的噪音,刚才前面两位专家都已经提到了,我稍微提一下。这个是风工程那本书里摘抄的,虽然是不同年代里的,但是风的增加对叶片的增加都是线性增加的。 书上的理论和实际现场安装做了对比,叶片的厚度,叶片后缘厚度噪音非常大,如果后缘厚度控制在物料需求里面,控制在比较均衡比较薄的时候,对整个机组噪音是有很大好处的。 所以这是一个前面带来的问题举的三个例子,当然后面会有相应的解决方案,进入第三个部分,针对这些重量、载荷、噪音,我们怎么解决它? 第一,降低叶片重量这一点,可能我们叶片厂会更加专业一些,比如说用碳纤维等,但是可能现在的碳纤维应用会在海上应用多一些,但是在陆上几乎是还没有用的,可能我们这个地方要考虑是什么?就是我整个风场的COE,我使用碳纤维长叶片之后,各种成本增加,但是对整机带来很好的优势。 另外一个,就是我要使用更优的翼型,大家都知道对于风电机组来说,就是简单的二分之一力法,我要叶片增常的话,翼型可能要改变,整个风场和COE优化,这个是一种考虑方向,因为当我考虑增加的时候,这是可以选择的一条道路。 第二个,就是载荷成本这方面,对于载荷来说,我们也不用说太多的点,因为风电发展了这么多年,各个部件载荷的性能,可能需要性能更好的叶片,可能我叶片湿度会大一点,载荷度大一点,性能和成本之间的矛盾点就需要找到一个平衡。 其次就是大家都在做的事情,就是我的控制参数,很多极端工况的时候,极限载荷会发现一些情况。叶片使用性能好、载荷优的设计,选用更优的控制参数,特定的控制策略,针对性的将在。 优化部件结构,使部件重量降低,部件承载能力不降低。 其次,新技术的应用,比如海上风机D128级别已经在应用的IPC,可应用目前D130,D141级别的陆上风机,整体成本最优。 第三个,就是噪音,噪音的话,因为为什么这个单独点放在最后?其实这个问题我们公司是吃过这方面亏的,毫不避讳地讲,早些年在南方的山区,这时候某些居民拆迁会遇到很大问题,这时候设计院和业主就会离居民很近,就会发现现场反馈回来,旁边的鸡都不下蛋了,这是现场人开玩笑反馈的。 后来我们做一系列的工作,国标那边是有一个要求的,在十米高度的地方,我的噪音要小于110分贝,就是我们拿的锯子在施工的状态,要求对居民生活来说其实是很低的要求了,但是因为挨得太近了,晚上夜深人静的时候就格外突出。 所以我们针对叶片的后缘,做了很多设计,最后发现噪音的降低还是非常明显的。 这个风场的状态还是不一样的,之前我们去测了,确实超标了,然后在天上安装之后,再进行测量,噪音下降很明显,它可以降低中低频的噪音。 同时这个点,我们从施工前后,对整个功率曲线的影响,基本上影响很小,或者我们看到没有明确数据表示。 国外的,站在他们塔筒下面,没有听到很明显气动带来的噪音,只是明显的电气部件,后来了解他们有低噪音的部件,但是我不知道国内应用是什么样的。 第二,是后缘厚度的控制,降低运行过程中长期噪音。这个是持续运行的,降低是长期的噪音。 其次是刚才讲的降噪的来源。 第四,就是风机机舱中的噪音源,比如我们的发动机,这时候它高转速的时候带来的噪音,以及齿轮啮合的时候的噪音,这时候我们加隔音棉,尽量把声音控制在密封舱里,对周围环境影响降低。 好,我的汇报就是这些,谢谢大家。
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