為助力實現(xiàn)“碳達峰”與“碳中和”目標,《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》提出,2030年風電、太陽能發(fā)電總裝機容量達到12億千瓦以上。到2021年,累計風電裝機超過17萬臺,容量超3.4億千瓦,同比增長19.2%,裝機容量穩(wěn)步上升。到2030年,南方電網(wǎng)基本建成新型電力系統(tǒng),支撐新能源裝機再新增1億千瓦以上,推動可再生能源產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展,新型電力系統(tǒng)取得實質(zhì)性成效,基本建成清潔低碳、安全高效的能源體系。
來源:風力發(fā)電網(wǎng)
作者: 牛唯(貴州電網(wǎng)電科院高壓中心三級拔尖技術(shù)專家 )
近年來,極端天氣氣候事件呈現(xiàn)出頻發(fā)、廣發(fā)、強發(fā)和并發(fā)的趨勢。風力發(fā)電機覆冰問題頻頻出現(xiàn),1996-2002年間,芬蘭風電場風力發(fā)電機組出現(xiàn)問題71%與葉片覆冰有關(guān)。根據(jù)美國聯(lián)邦能源管理委員會(FERC)和北美電力可靠性公司(NERC)聯(lián)合發(fā)布的報告,2021年2月,極端寒冷天氣和嚴重降雪導致得克薩斯州和美國中南部總共有1045臺發(fā)電機組(銘牌總?cè)萘繛?92818 MW)經(jīng)歷了總計4124次停機、甩負荷或無法啟動的故障,其中包括27%的風電機組,75%是由凍結(jié)問題(44.2%)或燃料問題(31.4%)引起的。隨著極端天氣氣候的頻繁發(fā)生,加之風力發(fā)電機組數(shù)量和裝機容量穩(wěn)步上升,極端天氣下風力發(fā)電機覆冰極有可能引發(fā)大面積停電事故,將嚴重影響本質(zhì)安全型新型電力系統(tǒng)建設,因此有必要系統(tǒng)研究葉片覆冰形成機制和防除冰策略等內(nèi)容,對新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行具有重要意義。
風機葉片覆冰形成機制
葉片表面覆冰是水在特定環(huán)境下產(chǎn)生的物相變化,空氣中過冷卻水滴與風機葉片碰撞形成覆冰,大氣層中的過冷卻水滴穩(wěn)定性很差,過冷卻水滴遇到凝結(jié)核會快速凝結(jié)成冰。風機葉片表面覆冰是耦合相變復雜傳熱過程,由于葉片表面溫度低于冷水滴溫度,過冷卻水滴與葉片發(fā)生碰撞時,葉片表面會快速吸收水滴在凝固過程中釋放的熱量,過冷卻水滴在葉片表面迅速覆冰。因風機葉片處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài),空氣中過冷卻水滴將與葉片前緣迎風面發(fā)生碰撞,過冷卻水滴內(nèi)部平衡被破壞,風機葉片表面更易覆冰。
風電場所處典型地形及其對風機覆冰的影響
南方山區(qū)風能資源豐富、地形條件復雜,風電場地形具有山脈分布零散、相對高差較大、山體陡峭、水體分布廣泛等特點。風力發(fā)電對微地形微氣候條件非常敏感,因缺乏充分的分類識別的地理信息和氣象資料,對風電場微地形微氣候覆冰的認識仍存在不足。
微地形微氣候受山脈走向、坡向和分水嶺等地形因素的影響,風電場微地形微氣候覆冰的典型類型包括埡口、高山分水嶺、水汽凝結(jié)、地形抬升等。綿延的山脈形成埡口,埡口處氣流集中,兩側(cè)風速增大,埡口兩側(cè)風機易形成覆冰;位于高山分水嶺處的風機,含有過冷卻水滴的氣團在風力作用下沿迎風坡側(cè)上升而發(fā)生絕熱膨脹,因過冷卻水滴含量增加導致風機覆冰量增加;當風機位于較大的江湖水體附近時,空氣中水汽增大,寒潮入侵時更易出現(xiàn)嚴重覆冰現(xiàn)象;丘陵地區(qū)突峰、盆地、臺地等地貌易形成沿坡上升的冷空氣,位于地形抬升處的風電場則更易在低溫凝凍天氣形成嚴重覆冰。
2008年南方冰災刷新了全國人民對南方凍雨嚴重程度的認知,受不同地形條件、氣候環(huán)境的影響,風機葉片會形成質(zhì)地不同、形狀各異的覆冰,相應防除冰技術(shù)措施也存在差異,因此,典型微地形對風機覆冰類型的影響是需要重點研究的課題。
覆冰對風力發(fā)電機組的影響
葉片覆冰以后,葉片的空氣動力特性發(fā)生變化,對機組載荷的影響主要表現(xiàn)在發(fā)電量降低、葉片固有頻率降低、疲勞載荷增加和機械磨損增加,對風電場的安全運行和經(jīng)濟效益產(chǎn)生不利影響。具體表現(xiàn)為:
1)發(fā)電量降低,覆冰重量、分布、不規(guī)則脫落等均會影響風機輸出功率,葉片阻力沿軸向呈指數(shù)增長,葉尖升力也會因覆冰至少降低40%。輕微覆冰時葉片輸出功率下降5~15%,嚴重覆冰時葉片轉(zhuǎn)矩降為零,導致風力發(fā)電機組停機,均會降低發(fā)電量;2)葉片固有頻率降低,覆冰會影響葉片整體結(jié)構(gòu),葉輪質(zhì)量分布不均,導致葉片固有頻率降低,更接近機組系統(tǒng)共振頻率而可能發(fā)生共振;3)疲勞載荷增加,葉片旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)形成的不平衡彎矩傳遞至塔底,導致塔底左右方向的載荷幅值比無覆冰狀態(tài)下大,相同壽命時間及循環(huán)次數(shù)下的等效疲勞載荷增加;4)機械磨損增加,低溫環(huán)境會影響潤滑油流動性,機械磨損進而影響變速器壽命。
風機葉片應對低溫凝凍天氣的防除冰策略
風機葉片除冰方法主要包括電加熱除冰、氣熱除冰、機械除冰、氣動帶除冰、噴灑化學藥品、涂層防冰等。
1)電加熱除冰,加熱元件置于葉片表面,將葉片表面溫度加熱到0°C以上,葉片表面出現(xiàn)水膜,通過離心力和葉片振動實現(xiàn)脫冰;
2)氣熱除冰,通過加熱葉片內(nèi)腔空氣,再將熱量傳導至葉片外表面實現(xiàn)除冰;
3)機械除冰,通過機械方法將冰擊碎,依靠葉片轉(zhuǎn)動和氣流實現(xiàn)脫冰;
4)氣動帶除冰,通過葉片前緣的膨脹管或膨脹帶膨脹震碎冰層實現(xiàn)除冰;
5)噴灑化學藥品,表面噴灑化學藥品降低冰點實現(xiàn)防除冰;
6)涂層防冰,在葉片表面涂覆防冰涂料降低冰與葉片表面的附著力實現(xiàn)防冰。
防冰有限,除冰很難,目前還未有成熟有效的風機防除冰系統(tǒng),單一的防除冰技術(shù)均存在一定的不足,電加熱和氣熱除冰產(chǎn)生的水膜可能在葉片后緣再次凍結(jié),且氣熱除冰過程需耗費大量自用電,且氣熱除冰在超過60 m的葉片中存在功率瓶頸;機械除冰效率低、工作強度大,還可能導致葉片損壞;氣動帶除冰會改變?nèi)~片表面氣動性能;噴灑化學藥品具有短暫時效性,但可能污染空氣和土壤;涂層防冰可作為輔助手段。因此單一的防除冰技術(shù)目前尚不能從根本上解決葉片覆冰問題,也難以滿足多樣化的應用需求,未來的風機防除冰系統(tǒng)需結(jié)合各種防除冰技術(shù)的特點,如“電加熱除冰+涂層防冰”、“電加熱除冰+機械除冰”、“機械除冰+涂層防冰”、“氣熱除冰+涂層防冰”等等,根據(jù)不同地區(qū)覆冰類型及特點,制定對環(huán)境無害且經(jīng)濟高效的防除冰策略。
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