李郝 張朝鋒

2019年5月，國(guó)家發(fā)展改革委發(fā)布《關(guān)于完善風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)政策的通知》，明確了陸上風(fēng)電標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)改為指導(dǎo)價(jià)的時(shí)間窗口。對(duì)于我國(guó)南方低風(fēng)速區(qū)域的風(fēng)電運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)新項(xiàng)目的價(jià)值低于維護(hù)提升已有項(xiàng)目的價(jià)值，所以，在在運(yùn)風(fēng)電場(chǎng)更換機(jī)型的具體要求出臺(tái)前，用新配置來(lái)提高在運(yùn)風(fēng)電場(chǎng)的收益率，不失為一個(gè)合理且經(jīng)濟(jì)的選擇。

我國(guó)南方低風(fēng)速區(qū)域冬季的氣溫相對(duì)較高，但凍雨災(zāi)害頻發(fā)，出現(xiàn)凍雨較多的有貴州、四川、湖南、江西、湖北等省份，加之凍雨多發(fā)于高海拔山區(qū)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量影響極大。在風(fēng)電機(jī)組葉片各除冰技術(shù)中，氣熱除冰技術(shù)是一種重要且有效的方法，并獲得了相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)研究的驗(yàn)證。在冰凍更嚴(yán)重的西歐國(guó)家，該技術(shù)已得到普遍應(yīng)用。但在我國(guó)，其應(yīng)用并不十分廣泛。

本文針對(duì)我國(guó)南方低風(fēng)速區(qū)域存量市場(chǎng)所面臨的易結(jié)冰氣候，介紹了氣熱除冰技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用情況，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)適用性評(píng)估，為氣熱除冰技術(shù)在風(fēng)電存量市場(chǎng)的推廣和應(yīng)用提供可行性評(píng)估依據(jù)。

風(fēng)電場(chǎng)除冰試驗(yàn)

氣熱除冰系統(tǒng)主要通過(guò)葉根部的裝置加熱空氣，然后通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)管道將熱空氣輸送到葉片內(nèi)部以達(dá)到除冰、防冰的目的，該系統(tǒng)尤其適用于已裝機(jī)的主流葉片的除冰功能技改。圖1中箭頭所指方向?yàn)闅饬鞣较?，葉片腔內(nèi)氣體經(jīng)過(guò)加熱器加熱后沿紅色箭頭所指方向通過(guò)玻璃鋼引風(fēng)管流向葉尖位置，氣流從葉尖通過(guò)與腹板形成的風(fēng)道形成完整的空氣循環(huán)流動(dòng)路線。腔內(nèi)空氣的循環(huán)流動(dòng)可以有效加熱葉片結(jié)冰的前緣重點(diǎn)區(qū)域，并兼顧葉片后緣和葉根段，達(dá)到葉片除冰、防冰效果。

本文選取南方某山區(qū)2MW機(jī)型葉片為研究對(duì)象，在風(fēng)電機(jī)組因葉片覆冰停機(jī)情況下開(kāi)展試驗(yàn)。融冰過(guò)程測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在環(huán)境溫度為-10°C左右時(shí)（圖2），能夠?qū)θ~片進(jìn)行有效除冰。圖3是風(fēng)電機(jī)組葉片在加熱過(guò)程中冰層融化脫落的瞬間。

融冰過(guò)程中，將風(fēng)輪保持在靜止?fàn)顟B(tài)，用照相設(shè)備和熱成像儀對(duì)試驗(yàn)葉片覆冰狀態(tài)和表面溫度分布進(jìn)行觀察。圖4顯示葉片除冰后在結(jié)冰環(huán)境下持續(xù)防冰24h后表面呈現(xiàn)無(wú)冰狀態(tài);圖5是在該狀態(tài)下的局部熱成像儀溫度分布檢測(cè)，表面的融熔水膜維持在0°C以上。

測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在結(jié)冰環(huán)境下可以使葉片達(dá)到持續(xù)防冰效果，并持續(xù)正常發(fā)電。葉片除冰后使風(fēng)電機(jī)組起機(jī)發(fā)電并至滿出力后，觀察風(fēng)電機(jī)組處于結(jié)冰環(huán)境下葉片防冰的有效性和可持續(xù)性。發(fā)電量提升評(píng)估

通過(guò)持續(xù)收集某南方風(fēng)電場(chǎng)2018年采用氣熱除冰系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組結(jié)冰期的發(fā)電數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)與同風(fēng)電場(chǎng)普通風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電情況進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

該風(fēng)電場(chǎng)處于南方Ⅳ類風(fēng)區(qū)，氣熱除冰系統(tǒng)的可利用率達(dá)到80%以上，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知，在2018年冰凍期，采用氣熱除冰系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組與普通風(fēng)電機(jī)組相比，增發(fā)18萬(wàn)千瓦時(shí)電量。經(jīng)濟(jì)性評(píng)估及可行性論證

根據(jù)以上風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，以及得出的發(fā)電量提升結(jié)論，再以湖北某風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目為例，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估及可行性論證。

該項(xiàng)目容量為8萬(wàn)千瓦，準(zhǔn)備安裝32臺(tái)2.5MW級(jí)的風(fēng)電機(jī)組。根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的氣象、場(chǎng)址等資料得知覆冰期大約為兩個(gè)月，因此，按照風(fēng)電場(chǎng)年覆冰期60天進(jìn)行計(jì)算。

一、評(píng)估方法

由于葉片結(jié)冰的形狀無(wú)法預(yù)測(cè)，結(jié)冰造成的后果難以估算，對(duì)發(fā)電量造成的影響難以預(yù)測(cè)，因此，無(wú)法做到對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的精確測(cè)算。為使評(píng)估方法盡量科學(xué)合理，本文采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行評(píng)估，方法如下：

（1）核算風(fēng)電場(chǎng)葉片覆冰期時(shí)長(zhǎng)，包括氣候結(jié)冰期和融冰期。

（2）根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)結(jié)冰時(shí)長(zhǎng)假設(shè)結(jié)冰期完全不發(fā)電，和加裝氣熱除冰裝置完全發(fā)電兩種極端情況。

（3）根據(jù)兩種極端情況核算對(duì)應(yīng)的利用小時(shí)數(shù)，得出最高利用小時(shí)數(shù)和最低利用小時(shí)數(shù)的區(qū)間。

（4）按照上述利用小時(shí)數(shù)的區(qū)間核算20年凈收益（NPV）的區(qū)間，同時(shí)考慮因安裝氣熱除冰裝置增加的成本，計(jì)算20年凈收益（NPV）的區(qū)間。對(duì)比凈收益相同條件下，兩種情況發(fā)電量的差值，即安裝氣熱除冰裝置后最少需要增加的利用小時(shí)數(shù)。

（5）根據(jù)發(fā)電量的差值進(jìn)行概率估算，得出氣熱除冰方案達(dá)到該效果的概率，進(jìn)而得出氣熱除冰方案適用于該風(fēng)電場(chǎng)的可能性。

二、案例概算

以湖北某風(fēng)電場(chǎng)為例，測(cè)算條件設(shè)置如下：

（1）假設(shè)覆冰期為60天。

（2）通過(guò)風(fēng)能資源計(jì)算，假設(shè)覆冰期機(jī)組滿發(fā)得到的利用小時(shí)數(shù)為1971小時(shí)，假設(shè)覆冰期機(jī)組停機(jī)得到的利用小時(shí)數(shù)為1651小時(shí)。

（3）因此，全覆冰期期間機(jī)組滿發(fā)與機(jī)組停機(jī)相差320小時(shí)。

（4）按照建設(shè)成本7500元/千瓦、貼現(xiàn)率6%，核算20年后扣除投資后凈收益區(qū)間：除冰系統(tǒng)設(shè)備成本按照150元/千瓦、200元/千瓦、250元/千瓦三種情況，核算扣除投資后凈收益區(qū)間，如表1所示。

（5）通過(guò)圖7可以得出橫坐標(biāo)相同（收益一致）情況下，電量的差距即為結(jié)冰會(huì)造成的影響。

由圖表可知：

（1）假設(shè)葉片除冰方案為150元/千瓦，安裝除冰系統(tǒng)后利用小時(shí)數(shù)增加30小時(shí)即可回本。在假設(shè)風(fēng)電場(chǎng)60天結(jié)冰期的情況下，該事件發(fā)生的概率為100%。

（2）假設(shè)葉片除冰方案為200元/千瓦，安裝除冰系統(tǒng)后利用小時(shí)數(shù)增加40小時(shí)即可回本。在假設(shè)風(fēng)電場(chǎng)60天結(jié)冰期的情況下，該事件發(fā)生的概率為100%。

（3）假設(shè)葉片除冰方案為250元/千瓦，安裝除冰系統(tǒng)后利用小時(shí)數(shù)增加50小時(shí)即可回本。在假設(shè)風(fēng)電場(chǎng)60天結(jié)冰期的情況下，該事件發(fā)生的概率為100%。

因此，從概率上來(lái)看，即使考慮機(jī)位的海拔變化，風(fēng)電場(chǎng)安裝氣熱除冰裝置后提升發(fā)電量超過(guò)50小時(shí)的概率為100%，由于50小時(shí)只占年利用小時(shí)數(shù)的2.5%，即覆冰天數(shù)只需達(dá)到10天即可滿足收益要求。同時(shí)，因安裝葉片除冰裝置所增加的運(yùn)維成本，對(duì)于整體項(xiàng)目的影響微乎其微，即使按照每年增加50萬(wàn)元運(yùn)維成本，整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)只需再增加10小時(shí)發(fā)電量就可以達(dá)到平衡。

上述情況考慮的是風(fēng)電場(chǎng)安裝氣熱除冰方案20年才能回本的情況，如果考慮5年回本，在折現(xiàn)率為6%的情況下，僅僅計(jì)算前5年的NPV，再減去由安裝除冰系統(tǒng)增加的成本，結(jié)果如表2、圖8所示。

通過(guò)圖表可以得出如下結(jié)論：

（1）假設(shè)除冰方案價(jià)格為150元/千瓦，安裝除冰系統(tǒng)后利用小時(shí)數(shù)增加75小時(shí)即可5年回本。

（2）假設(shè)葉片除冰方案為200元/千瓦，安裝除冰系統(tǒng)后利用小時(shí)數(shù)增加100小時(shí)即可5年回本。

（3）假設(shè)葉片除冰方案為250元/千瓦，安裝除冰系統(tǒng)后利用小時(shí)數(shù)增加125小時(shí)即可5年回本，相當(dāng)于23天的覆冰天數(shù);如果考慮運(yùn)維成本增加，利用小時(shí)數(shù)增加135小時(shí)即可5年回本;按80%可利用率和10%的自耗電，實(shí)際要求覆冰期達(dá)到35天。根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際情況，該事件發(fā)生的概率為100%。

如果再縮短回本期，假設(shè)3年就能回本（因?yàn)闀r(shí)間較短，所以不考慮貼現(xiàn)率，第一年投資直接用三年的發(fā)電收入平攤），其結(jié)果為：

（1）假設(shè)除冰方案價(jià)格為150元/千瓦，安裝除冰系統(tǒng)后利用小時(shí)數(shù)增加111小時(shí)即可3年回本。

（2）假設(shè)除冰方案價(jià)格為200元/千瓦，安裝除冰系統(tǒng)后利用小時(shí)數(shù)增加150小時(shí)即可3年回本。

（3）假設(shè)除冰方案價(jià)格為250元/千瓦，安裝除冰系統(tǒng)后利用小時(shí)數(shù)增加185小時(shí)即可3年回本，相當(dāng)于34天的覆冰天數(shù);按80%可利用率和10%的自耗電，實(shí)際要求覆冰期達(dá)到47天。根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際情況，該事件發(fā)生的概率為95%。

因此，根據(jù)以上情況，該風(fēng)電場(chǎng)安裝葉片除冰裝置所獲得的發(fā)電量收益可觀，安裝方案可行。

全國(guó)各省份氣熱除冰系統(tǒng)適用區(qū)域

根據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)公司電網(wǎng)冰區(qū)分布圖》收集到了除南方電網(wǎng)負(fù)責(zé)區(qū)域的冰區(qū)分布圖，同時(shí)收集到了云南等地冰區(qū)分布圖。其中，海南為熱帶地區(qū)，不予考慮;根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，北京、天津、河北、山西、山東、江蘇、遼寧、吉林、黑龍江、內(nèi)蒙古、西藏等地?zé)o較厚的結(jié)冰情況，也不予考慮。

案例中風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址大體位置如圖9所示，結(jié)冰等級(jí)為15～20毫米。結(jié)合湖北省風(fēng)速情況，根據(jù)結(jié)冰情況及風(fēng)速情況等于或高于風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址區(qū)域的遴選原則，可以獲得適合安裝葉片除冰裝置的區(qū)域，如圖10紅色圓圈區(qū)域所示。該區(qū)域主要集中在湖北的西南以及中西部地區(qū)。

依此測(cè)算其他省份的情況：湖南適合安裝葉片除冰裝置的區(qū)域主要集中在該省南部、西南、東北、西北等地區(qū)。江西適合安裝葉片除冰裝置的區(qū)域主要集中在該省南部、東北等地區(qū)。四川適合安裝葉片除冰裝置的區(qū)域主要集中在該省西部地區(qū)，且面積巨大。浙江適合安裝葉片除冰裝置的區(qū)域主要集中在該省西南、西北等地區(qū)。安徽適合安裝葉片除冰裝置的區(qū)域主要集中在該省西南、東南等地區(qū)。云南適合安裝葉片除冰裝置的區(qū)域主要集中該省的西北以及東部地區(qū)。

總結(jié)

本文針對(duì)我國(guó)南方低風(fēng)速區(qū)域存量市場(chǎng)所面臨的易結(jié)冰氣候，介紹了氣熱抗冰技術(shù)實(shí)際應(yīng)用情況以及發(fā)電量提升情況，并據(jù)此得出了經(jīng)濟(jì)適用范圍，進(jìn)而推算出全國(guó)各地適合安裝該除冰裝置的區(qū)域。研究得出的主要結(jié)論為：

假設(shè)覆冰期為60天，利用小時(shí)數(shù)為2000小時(shí)，其中在氣熱除冰方案成本為250元/千瓦的情況下。20年內(nèi)回本相當(dāng)于覆冰期間有14天實(shí)現(xiàn)滿發(fā)，從概率角度分析，有100%的把握認(rèn)為能實(shí)現(xiàn)：5年內(nèi)回本相當(dāng)于覆冰期間有34天滿發(fā)，從概率角度分析，有100%的把握認(rèn)為能實(shí)現(xiàn);3年內(nèi)回本相當(dāng)于覆冰期間有47天滿發(fā)，從概率角度分析，有95%的把握認(rèn)為能實(shí)現(xiàn)。同時(shí)根據(jù)目前收集的結(jié)冰圖以及風(fēng)速圖，進(jìn)行對(duì)比得出擁有較大市場(chǎng)的省份為湖南、四川、云南，擁有一定市場(chǎng)的省份為湖北、江西，擁有少量市場(chǎng)的省份為安徽、浙江。