刘艳梅 魏晓霞
黑龙江辰能风力发电有限公司，黑龙江，150090 全球能源互联网集团有限公司，北京，100031
摘要：介绍了北方某风电场华锐SL1500风电机组运行多年，风机设备老化，发电效率降低，为了提高风机发电效率进行理论分析，提出加长机组叶片技改方案，从而为老旧机组提升发电量的技改提供了理论依据和现实参考。
关键词：华锐SL1500风电机组；叶片；功率曲线；发电量；扫风面积；风能利用
1.概述
“十一五”到“十二五”期间，我国风电经历了飞速发展的10年。设备由进口逐步国产化，但由于扩张初期国产化技术不够成熟，无论施工技术还是设备都处于摸索和发展阶段。而初期风电场多为低塔筒、短叶片，整机发电效率较低。而随着国内风电市场的快速发展，新机型不断出现，通过加大风轮叶片长度来增加扫风面积，增加低风速下的发电效率，已经成为当今风电行业的发展趋势。对于已投运10年以上的老旧机组，如何提高原有机型的发电效率成为关键，如何在高空进行叶片加长改造，提高低风速发电效率尤为重要。叶片加长不但要保证叶片本身运行的安全性，还要保证在叶片加长、加重后的承载能力。本文主要针对华锐SL1500风电机组加长叶片后的相关参数变化进行了分析及研究。
2.基本原理
北方夏季，风资源比较薄弱，由于叶片短扫风面积相对较小，从而造成了夏季风资源的浪费。而叶片作为实现风力发电机组风能转换的关键部件，对机组的整体性能影响很大，利用增长叶片长度提高风机的功率和发电量。从公示，其中P-风机实际获得的轴功率，单位为W，Cp为风能利用系数，ρ-空气密度，-实际风速，S-风轮的扫风面积。因此，在空气密度ρ一定的情况下，影响功率的主要参数是扫风面积S及功率系数Cp。增长叶片相当于增大风轮受风面积，而叶片整体外形并没有改变，功率系数Cp不会明显变化，风速相同的情况下，长叶片比短叶片发电功率会明显上升。
3.技改方案
考虑到风电机组发电功率和风轮扫风面积呈现出一种正比的关系，如果通过叶片加长增加扫风面积，从而提升不同风速下风机的发电功率。目前市场常见的叶片增效技改方式包括更换长叶片、叶尖延长、加装叶尖小翼、加装增功气动附件等四种方式。
方案一：更换长叶片，即将机组的原叶片更换为同功率等级较长的叶片，增加风机叶轮的扫风面积，技改效果显著。但需要对机组的安全性进行全面评估，保证机组安全运行。
方案二：叶尖延长，即延长叶片做功的有效长度，增加出力，但同时增加了相关载荷，需要对叶片本体结构和根部螺栓的强度进行校核。同时由于叶片的延长，叶尖处的线速度更快，因此对延长部分的粘接施工工艺要求相对严格，若粘接不良很容易造成叶尖飞出等事故。
方案三：加装叶尖小翼，即将叶尖延长和叶尖小翼技术进行融合，一方面叶尖长度增加能够提升叶轮扫风面积，另一方面在叶尖增加特殊的小翼，最大限度的减少叶尖扰流的消极影响，提升叶片风能利用系数。此方案由于叶片气动外形和质量问题的限制，叶尖小翼技改一般不适用于 华锐1.5MW/70 机组。
方案四：加装增功附件，即通过在叶片表面粘接增功附件（涡流发生器、扰流条、格林襟翼等）的方法，减少叶片的气动损失，提高升阻比，改善风能利用系数 Cp，理论计算此类方法能够实现约 2%-3%的机组发电量提升，但据实践效果通常只能实现 1%-1.5%范围内的提升，性价比并不高且提升效果不明显。
4.现场实施及措施
北方某风电场2008年投产，机型均为华锐SL1500风力发电机组，塔筒高度65米，叶片为70/77型号叶片。由于风机运行已由12载，目前已有个别叶片出现裂纹、风化等现象。风电场风资源较好，但夏季小风季节风力发电机组出力较差，因此，现场计划技改2台风电机组作为技改样机。
（1）电量提升
考虑以上四种方案的优劣性，北方某风电场根据现场原基础和塔筒情况，通过各种测算和校验，选用方案一，即通过更换长叶片，将原77型号叶片更换为82/90叶片，增加原风轮的捕风面积，提高低风速时段机组的功率，从而提高机组的年发电量。
现场技改过程中77型号叶片更换为82型号叶片的情况是，齿轮箱速比一致，因此不需要进行齿轮箱速比轮的改造，可直接更换叶片并更换主控选型。而为保证机组健康稳定运行，针对77型号叶片更换为90型号叶片，则还需对变桨电价、变频器、主控程序等进行技改。
现场更换叶片时，由于配合齿轮箱高速端技改及主控程序升级，叶片更换前后机组功率曲线有明显改善：77叶片更换为82/90叶片后所带来的电量增量基本都超过了5%，以东北某风电场为例，风场年均风速6.5m/s，77叶片更换82叶片，扫风面积增大15%，理论电量提升为5-8%左右，成本回收期约6.5年；77叶片更换90叶片，理论电量提升为15-20%左右，成本回收期约3.75年。
5.结论
综上所述，两台风电机组叶片长度为37.25米，叶轮直径为77米。叶片直径分别加长为82和90叶片技改后，通过对风机塔筒、基础及齿轮箱等进行测试和计算，机组运行正常，但发电量有不同程度的提升。因此，实际技改证明，风机叶片加长是一种操作可行、安全可靠的提升风机发电量的方法。过去十年间，风机技术日新月异，随着风机单机容量的不断扩大，其搭载的叶片长度随之增长，机组大型化已成为行业发展趋势。加之风电平价上网时代的到来，进一步增效降本已成为风电行业实现可持续发展的不二话题。
参考文献：
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