Polytech应用工程师周铭:风机叶片前缘保护技术研究探讨

能见App 2021年10月19日 3761

2021年10月17日-20日,2021北京国际风能大会暨展览会(CWP 2021)在北京新国展隆重召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一,这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会,再次登陆北京。

本届大会以“碳中和——风电发展的新机遇”为主题,历时四天,包括开幕式、主旨发言、高峰对话、创新剧场以及关于“国际成熟风电市场发展动态及投资机会”“国际新兴风电市场发展动态及投资机会”“风电设备智能运维论坛”“碳达峰碳中和加速能源转型”等不同主题的15个分论坛。能见App全程直播本次大会。

其中,10月19日海上风电发展论坛隆重召开。Polytech应用工程师周铭出席会议并演讲。

以下为发言全文:

周铭:大家好,很荣幸能给大家进行一个风机叶片前缘防护技术的交流,这里先来看一下叶片前缘腐蚀问题,刚才刘总也说了,丹麦是全世界第一个海上风场,在1991年运营的一个,叶轮直径只有35米的一个风机。在停止运营之后,即使是那么小一个风机,它也有前缘腐蚀的情况。所以像前缘腐蚀这种情况,它只是一个时间问题,它早晚都会在风机叶片上出现的。

腐蚀的主要原因就是因为雨水的冲击,我们称之为雨蚀,会对风机叶片表面材料进行冲击,冲击完之后会发生一个材料逐渐剥离的情况。前缘腐蚀首先是对空气的动力会造成干扰,会影响你的气动,从而导致年发电量的损失。我们现在看出来,年发电量损失最多可以达到5%到6%的程度。风机前缘防护的材料,现在主流有三种,第一种是涂料,是最早的方法,涂料的方法出现在风机的转速在65米每秒左右的时候。第二种就是胶带,胶带这种材料出现在风机的75米到80米,它发明面世的阶段。接下来就是一个前缘的软壳,这是我们公司的产品,出现在风机90米每秒左右一个时刻。

我们把腐蚀分成几个等级,到等级四阶段,你的风机发电量损失会达到5%到6%的程度。损失的程度,对你修复叶片产生一个困难,程度越高修复叶片就越困难,修复的成本也会越高。我们这边先介绍一下前缘防护解决方案,就是一米的软壳,是定制化设计,可以根据叶片外形进行定制,可以完美适合各种类型的叶片。我们的前院防护模有压敏胶,方便你在风机改造现场也方便在工厂进行安装。它上面还有二维码,二维码可以对产品质量进行全程的追溯。我们ELLE时间线是这样的,这个风机现在在丹麦的海边,每隔一年会看一下,至今为止没有任何腐蚀情况也没有其他的问题。到2017年,我们开始已经上批量了,在2018年的时候,我们库里面已经拥有各种各样的叶片软壳,不管什么样的叶片,我们都有一个形状可以给你做一个适配。到了去年,我们有一个爆发式的增长,大家都开始重视前缘的问题,也开始使用了我们的这个。到今年有一个压敏胶,可以让库存时间长达18个月,基本上可以覆盖整个叶片的生命周期。这边是一个交付区域,我们在世界各地都有交付,各种各样的环境都有,北面饥寒的阿拉斯加,还有菲律宾都有应用,最多的是在欧洲和美国,中国是从2018年开始进行的安装情况,这个在全世界范围内已经有三万个叶片的业绩。

使用的是“即插即用方案”,ELLE为现场作业而设计,使用吊绳或吊篮都可以进行安装,快速安装流程确保最短的停机时间。ELLE可以在多重气候条件下安装. 温度范围5摄氏度到35摄氏度,相对温度30-90摄氏度,安装过程无HSE危害。

讲完这个之后,我们也提一下新的DNV-GL,现在从2018年2月份DNV-GL出了一个新的规范,就是0171,这个规范针对于雨蚀的测试,跟以前的标准最大的优点不是说夜间速度有变化,或者说雨量有变化,最大的优点说明在实验当中必须要采集什么样的数据,这个数据稍候会提到的。与此同时去年年底,DNV-GL有一个实践性的规范就是0573规范,结合之前0171,可以通过一系列现场的数据,收集完这些数据就可以知道,如何评估一个前缘防护的系统,它在现场应用的时间,评估前缘防护系统的寿命。

这两个规范都是由行业内自发的组织形成的,像图上这些公司都是这个组织的成员,大家集体商讨推出这样一个新的前缘腐蚀规范。我们现在来看一下0171测试规范,测试的规范是有一个失效模式,进行雨蚀测试的目的是评价特定冲击速度下(雨滴)冲击数量与损伤的关联性,这种情况下失效模式通过可视化的“初蚀”和“击穿”来进行评价。做完测试之后,我们可以看一下右下角这张图,在冲击速度和冲击数量上可以建立一个线性的曲线。也就是说,当我的这个在什么样的冲击速度,在什么样一个雨水冲击量之下会产生这样一个情况,我们可以把它定义成这样一条曲线出来,把实验数据收集下来定义曲线。之前很多客户就问我们,我用100米每秒或者160每秒做出来的有什么区别?这个新的一个标准就可以很好解释,你在不同的速度条件下,它的失效模式到底是什么样的。

我们再看一下0573,它需要收集一系列材料数据,这个标准定义了对于前缘防护材料和系统的测试程序。测试结果可以用于评价前缘防护系统的耐用性。材料性能:密度,音速,厚度,接下来还有0171测试的性能,比如说抗雨蚀性能、剥离附着强度、疲劳强度。收集完材料本身数据之后,我们再收集一下风场的数据,比如说风场的位置或者是年降雨量是多大,风机的叶片长度,风机的高度,还有当地的平均风速和风机的转速。收集完这些数据之后,我们就可以进行一个评估,评估的方法大致就是这样的,首先先用刚才说的0171建立一个速度和数量的曲线。测试条件分这么几个,有一个雨滴的大小,有一个旋转速度,一直要做到材料发生初蚀之后。这边也提一下,各个因素影响的效果是这样的,像旋转速度是最影响测试结果的,根据材料特性、风机和环境输入数据,可以为前缘防护系统对特定场地和特定风机的耐久性进行分类。

雨数据:通过了解给定场地的年降雨量来获取降雨数据。我们目前正致力于建立一个全球降雨地图,因此通过了解该地点的纬度和经度,我们可以相当准确地,估计年降雨量。风数据:由平均风速和风机的叶尖速比(TSR)确定。我们能够依此计算叶片在特定速度旋转的时间。

RP-00573:基于DNVGL RP0171建立VN曲线、使用ASTM E739计算VN特征曲线、使用Springer 模型确定雨蚀强度、计算确定特定站点和风机的前缘防护系统的生命周期。

当然这里只能拿我们自己的进行模拟,因为手上没有其他的签约防护的资料。这边有一个混合型的方案,也是市面上比较常用的方案,像这一个50米的叶片,它在0到30米位置用的是前缘防护期,这里是用的膜。这里有一个一的曲线,这个是表示比初蚀更严重的腐蚀,这个相当于比图片上,那边有一个图片,图片上的点更小的腐蚀,还没有出现点蚀的情况。这个叶片运行完十年之后的情况,你们可以看到像七的话,基本上腐蚀往上已经偏高了,甚至再运行十年可能就会出现这样一个初蚀的情况,我们的膜还是比较稳定的。

我们在做完这些分析之后,我们还可以收集一下风场的信息,就是刚才说的按照列表收集一下这些信息。收集完这些信息之后,我们可以给任意一个风场出一个报告,就像现在这个图上是在澳大利亚风场的报告,它是一个79米的叶片,它的叶尖转速是88每秒,风场年降雨量比较高,相当于在广东或者是海南那边比较高的情况。这样做下来之后,我们的膜可以做到在20年之后才会产生初蚀,但是普通的漆只能做到0.4年,差不多五个月的样子就会产生初蚀。左下角那张图有一个波浪曲线,你在进行一个一年或者是两年的周期,你要对这样一个前缘防护期进行修复,但是如果使用这个膜就不需要进行修复。如果有需要的话,我们可以为任何一个站点都出这样一个报告,这也是根据刚才说的0574做的一个报告。

同样也可以说看一下前缘腐蚀对度电成本造成一个什么样的影响,刚才也说了,前缘腐蚀会造成5%到6%年发电量的影响,同时也会增加维护成本。这里有另外一个算法,结合刚才的风场报告,你们能够提供风场的电价,风场的一些维护标准之后。我们可以算一下,如果使用我们的投资回报率是什么样的。这边是一个案例,这是在阿拉斯加的风场,风机比较冷,用的是1.5兆瓦的风机,风速8.5米每秒,当地环境比较恶劣,叶片长度只有37.3。这个风场受到前缘腐蚀问题非常严重,所以它也评估了各种各样的方案,最后也选择了我们这个膜的方案。

使用这个膜之后,我们算了一下当地的投入,即使是像这么小一个风机,使用三年之后可以把这个成本直接覆盖掉。也就是说,你三年之后就可以把这个成本给收回来。

以上就是我这边介绍的内容,如果大家有兴趣可以到我们展台跟我们再一次进行交流,谢谢大家!

 

(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)