株洲时代新材料科技股份有限公司运维事业部总经理姚运帅:叶片防除冰技术研究及解决方案

能见App 2023年10月18日 4437

2023年10月16日-19日,2023北京国际风能大会暨展览会(CWP2023)在北京如约召开。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,聚焦中国能源革命的未来。

本届大会以“构筑全球稳定供应链 共建能源转型新未来”为主题,将历时四天,包括开幕式、主旨发言、高峰对话、创新剧场以及关于“全球风电产业布局及供应链安全”“双碳时代下的风电技术发展前景”“国际风电市场发展动态及投资机会”“风电机组可靠性论坛”等不同主题的21个分论坛。能见App全程直播本次大会。

10月18日上午,株洲时代新材料科技股份有限公司运维事业部总经理姚运帅在风电产业技术创新论坛I上发表题为《叶片防除冰技术研究及解决方案》的主题演讲。

以下为发言全文:

大家好,下面我就《叶片防除冰技术研究及解决方案》做简单的分享。

时代新材是中车旗下的子公司,以高分子改性材料为核心,目前的产业延伸到轨道交通、风电、汽车、新材料领域,目前规模达到150亿元,也在全球10多个国家有子公司和办事机构。

2006年成立风电产业事业部,2020年出货达到10GW,累计出货2万套,在海外也有一些筹办的工程,也是国内少数几家具有独立自主研发体系的企业,年产量超过3000套。就叶片的防除冰技术来讲,冬季结冰是非常难的问题,涉及到区域广,严重影响冬季发电效率和机组安全。国外数据统计显示,54%的机组停机是由于冰导致的。

同时,叶片的结冰危害非常高,将会极大的改变叶片的气动外型,也会导致机组加重。冬季往往是风资源最丰富的时候,如果机组不能正常运行,给业主带来的损失非常大,单台年损失电量高达百万度。另外结冰之后容易出现甩冰现象,会给当地的居民带来威胁。

叶片的防除冰技术存在难点,前沿区域结冰严重,随着转动速度会达到90-100米,这个时候冰层的生长非常迅速,与叶片之间的结合强度非常高。不同风电场的温湿环境差异巨大,会导致结冰形态不同。结冰虽然是非常常见的自然现象,但实际上结冰在自然界、化学和物理领域,理论模型是非常复杂的。不同的气候条件,导致结冰是完全不一样的,这个给防除冰带来非常大的难题。

当前,防除冰有很多的技术,叶片领域用最多的是疏水涂料,这个是市场上最广泛的方式。主动式的技术当中,包括加热、机械、电磁脉冲、微波,这些方式都不是特别的主流,简单对比一下技术

比如说涂层技术可以在出厂的时候做加装,但是寿命有限,尤其是风场环境恶劣寿命缩短。在加热技术方面,气加热是叶片出厂之前和风场运行之后进行改造,它的好处是不改变叶片的气动外形,在某一些区域防除冰效果也是不错的。电加热除冰在运维阶段技改很困难,主要是受天气的影响比较大。

无人机防除冰难度比较大,微波和脉冲在实验室阶段,尚不具备在风机上的方案。溶冰剂对环境有一定的污染性,效果一般。

时代新材的解决方案,围绕上述几个方向进行解决。2011年相继研发气热、电热等技术,并且进行中和。2011年-2022年完成综合方案,进行样机的安装和小批量的试制。10年期间,累计技改157套防除冰机组,海外也装54套。目前覆盖中部和南部的大部分省份,可以说典型结冰比较严重的区域我们都有案例。

同时,时代新材注重知识产权的布局和保护。另外有我们牵头的风力发电机组,能源行业的标准也进入到意见征求稿的阶段,这样对于防除冰系统的设计,会起到一定的促进作用。

气加热的防除冰解决方案,这个与热吹风机是同一个原理,将空气加热之后形成回路,通过加热的空气带动叶片本体加热,从而实现对外面的除冰。在设计时,会根据叶片的材质、结构、厚度、外部理论温度进行加热。气加热时间一般会在1小时左右,下面是对温度场进行仿真,同时也对叶片加装之后的测试。

气加热在风电场的效果受到环境和运行状态很大的影响,叶片本体是玻璃钢材质,我们在设置加热体时,要求温度不应该超过60摄氏度,这与叶片运营环境计算,理论极限的温度大概是-8度,我们有做过零下10度左右的案例,这是比较特殊的。

电加热原理非常的简单,在外面铺设碳纤维加热元件,从而实现外表面的除冰,加热的效果也很直接。

在设计时会根据叶片的气动外形,以及化冰的情况,来定制化加入组件的铺设区域,技改这是非常困难的方案,往往会在设计当中做许多的妥协,因为开始设计的时候不会考虑到很多部署的问题。但是我们现在也开发一些风电场技改的方案,可以解决一些问题,电加热是比较典型数据70-90%。

当前单一的防除冰技术存在局限性,气加热效率比较低,存在除冰不均匀的问题。叶片结冰之后会停机,这个时候如果仅仅对叶片的前院进行除冰很难。在涂层方面适用性很窄,单独的使用效果不佳,一般来讲如果单独使用某一种技术,它的应用范围非常窄,也是无法完全解决业主的需求,这个时候要采用综合解决方案。低成本、高效的定制化解决方案,这个是解决业主困难必备的选择。通过对不同防除冰技术研发出不同的组合形式,形成多种的技术方案,目前可以对过去几年的数据进行筛选,定制化开发组合方式,比如说在后端位置进行气加热,其他的位置进行涂料组合。用这样的方式,使得结冰的问题得到有效的解决。

下面是典型案例,这个叶型因为设计的除冰温度非常低,环境比较苛刻,除冰期也非常长,这个方案前源铺设碳纤维加热层,后院使用气热。项目批量出口瑞典通过考核,项目在2015年、2016年进行装机,目前已有8年的时间,所以比较好的解决当地叶片结冰的问题。

另外一个案例是在贵州毕节的风场,设计加热功率100千瓦,除冰温度是零下10度。这个方案的特点是使用多种涂料的组合,在不同的区域进行涂附观察除冰效果,前面使用电加热,后面使用气加热,可以实现70%损失电量的挽回,达到装机的目的。

叶片防除冰技术发展广阔,风机防除冰技术的应用可以给业主带来直观的效益,也可以解决电网在冬季用电安全的问题,所以在南方的几个省份,包括湖南湖北、贵州都是可以将这个技术进行推广,目前的高成本限制系统的推广,在技改方面成本尤为高地尤其是热的技改方案,需要非常长期的实施,对于业主来讲技改的损失比挽回电量的增发,还没有收回成本,现在现场实施工艺技术不是特别的成熟。

在新风场规划时要考虑到冬季的结冰问题,开始要提出要加装防除冰系统,从而减轻后续技改的成本。目前来看,风场在生产阶段加装防除冰系统只有技改的二分之一,对于业主来说越早规划,获得的收益也越大,我的分享到此结束。

    

 

(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)

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