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        風(fēng)力發(fā)電機組能效測試裝置的研究

        2023-08-30 04:54:16曲照濤大慶油田有限責(zé)任公司技術(shù)監(jiān)督中心
        石油石化節(jié)能 2023年8期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)速測量

        曲照濤 (大慶油田有限責(zé)任公司技術(shù)監(jiān)督中心)

        風(fēng)力發(fā)電機組監(jiān)測通常使用遙感裝置監(jiān)測設(shè)備。遙感裝置是指無人駕駛的飛行器,通過無線電遙控裝置以及控制程序就可以進行操作。遙感裝置主要分為以下幾種:多旋翼飛行器、固定翼飛行器、垂直起降飛行器等。遙感裝置主要由飛行載具、飛行控制系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)等構(gòu)成。測試人員在地面控制遙感裝置就能執(zhí)行風(fēng)力發(fā)電機組的測試任務(wù),將相關(guān)氣象及測試數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嫜b置進行存儲。飛行控制系統(tǒng)是遙感裝置的大腦,通過GPS 輔助遙感裝置的平衡、失控返航系統(tǒng)[1]。

        1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

        隨著近年來新能源產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,我國風(fēng)機產(chǎn)業(yè)已達(dá)到國際先進水平。目前已建成全球最大的風(fēng)電裝備生產(chǎn)基地,產(chǎn)量占全球2/3 以上,建成了涵蓋風(fēng)電開發(fā)建設(shè)、設(shè)備制造、技術(shù)研發(fā)、檢測認(rèn)證、配套服務(wù)的成熟產(chǎn)業(yè)鏈。隨著風(fēng)電技術(shù)水平不斷提高,掌握了關(guān)鍵核心技術(shù),并且在適合低風(fēng)速風(fēng)況和惡劣環(huán)境風(fēng)電機組開發(fā)方面取得突破性進展,在大容量機組開發(fā)上實現(xiàn)與世界同步。風(fēng)機產(chǎn)品國產(chǎn)化程度達(dá)到90%以上,18 MW 海上風(fēng)機、雙轉(zhuǎn)子漂浮式海上風(fēng)電平臺、陸上雙風(fēng)輪風(fēng)電機組等一系列新產(chǎn)品研發(fā)成功,在顯著提高風(fēng)能利用效率的同時,也反映出我國風(fēng)機產(chǎn)業(yè)正處于科技創(chuàng)新高度活躍的快速發(fā)展期[2-4]。

        某油田嚴(yán)格執(zhí)行國家生態(tài)環(huán)境保護法律法規(guī)和集團公司各項要求,積極踐行綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略,深入打好污染防治攻堅戰(zhàn),以綠色企業(yè)創(chuàng)建為著力點,不斷提升油田清潔生產(chǎn)、綠色發(fā)展水平,“十四五”末將實現(xiàn)新能源裝機規(guī)模200×104kW 以上、清潔能源替代率達(dá)20%以上。目前,已建設(shè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)裝機規(guī)模為30×104kW,預(yù)計年累計發(fā)電量9.357 × 108kWh, 年清潔能源利用量2.054×104tce,年減少CO2排放量70.59×104t。

        2 風(fēng)力發(fā)電機組的測試方法

        2.1 測風(fēng)裝置的位置

        測風(fēng)裝置安裝時,不應(yīng)距風(fēng)力發(fā)電機組太近,否則在風(fēng)力發(fā)電機組前面的風(fēng)速會受影響。而且它也不應(yīng)距風(fēng)力發(fā)電機組太遠(yuǎn),否則風(fēng)速和輸出功率之間的相關(guān)性將減小。測風(fēng)裝置應(yīng)定位在距風(fēng)力發(fā)電機組2D~4D (D 為風(fēng)力發(fā)電機組風(fēng)輪直徑),推薦使用2.5D 的距離。

        測風(fēng)裝置的最佳位置是位于風(fēng)力發(fā)電機組的上風(fēng)向, 測試過程中大部分有效風(fēng)都來自這個方向。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機組安裝在山脊上時,測風(fēng)裝置宜安置在風(fēng)力發(fā)電機組旁邊。

        2.2 測量扇區(qū)

        測量扇區(qū)的選擇,應(yīng)排除有明顯障礙物和其他風(fēng)力發(fā)電機組方向的影響。采用相關(guān)程序排除所有受鄰近的風(fēng)力發(fā)電機組和障礙物的尾流影響的扇區(qū)。測風(fēng)裝置距離要求及允許的最大測量扇區(qū)示意圖見圖1,給出了測風(fēng)裝置與被測風(fēng)力發(fā)電機組距離分別是2D 、 2.5D 和4D 時,測風(fēng)裝置受到被測風(fēng)力發(fā)電機組尾流影響而排除的擾動扇區(qū),減小測量扇區(qū)的原因可能是特殊的地形情況,或者在有復(fù)雜構(gòu)造物的方向上獲取了不合適的測量數(shù)據(jù)。

        圖1 測風(fēng)裝置距離要求及允許的最大測量扇區(qū)示意圖Fig.1 Distance requirements and maximum allowable measurement sector for wind measuring devices

        2.3 數(shù)據(jù)采集及儀器準(zhǔn)確度要求

        風(fēng)向、氣壓、濕度等氣象參數(shù)采集時,需要在測量扇區(qū)內(nèi)平均分布5 個區(qū)域,每個區(qū)域內(nèi)的檢測應(yīng)該10 min 取一組數(shù)據(jù),每一個數(shù)據(jù)點的采集周期不應(yīng)超過10 s。遙感裝置工作位置示意圖見圖2。

        圖2 遙感裝置工作位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of remote sensing device operation

        風(fēng)輪等效風(fēng)速測量應(yīng)包含測量輪轂高度以上的風(fēng)速。為了使基于測量的風(fēng)切變校正可用,至少需要風(fēng)輪掃掠面積范圍內(nèi)的三個高度的風(fēng)速測量。為了使風(fēng)速的不確定度盡可能的減少,建議盡可能多的測量不同高度風(fēng)速。測量高度應(yīng)對稱的分布在輪轂中心垂直方向的兩側(cè)[5]。

        測試所用的風(fēng)速計、溫度計、氣壓計的準(zhǔn)確度(等級)分別為±0.1 m/s、±1 ℃、±1 Pa。

        3 遙感裝置的優(yōu)勢

        1)技術(shù)先進,機動靈活。遙感裝置作為新興的測試平臺,不僅價格低廉,還可以搭載各種靈敏傳感器,而且還能自由的在指定的空間內(nèi)進行氣象參數(shù)的測試,針對單臺風(fēng)力發(fā)電機組進行運行情況檢測時也無需暫停其他在運行的風(fēng)力發(fā)電機組。風(fēng)電場站內(nèi)的測風(fēng)塔不僅不能移動,而且造價昂貴;安裝各種氣象傳感器的位置受測風(fēng)塔高度限制,存在安全風(fēng)險;同時只能測試預(yù)設(shè)高度內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)不能自由的從各個高度采取氣象數(shù)據(jù)。當(dāng)對風(fēng)力發(fā)電場中的單臺風(fēng)力發(fā)電機組進行運行情況檢測時需要暫停其他風(fēng)力發(fā)電機組的運行,來保證風(fēng)切變參數(shù)的準(zhǔn)確性,浪費大量的人力、時間且影響發(fā)電效率。

        2)日常維修保養(yǎng)成本低。隨著近年來科技的不斷進步與發(fā)展,遙感裝置技術(shù)在軍事、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等多領(lǐng)域被頻繁的使用,迅速發(fā)展了一批高質(zhì)量的遙感裝置及遙感裝置相關(guān)配件的生產(chǎn)廠商,在市場激烈競爭的情況下,導(dǎo)致遙感裝置的電動機、電池、地面設(shè)備等相關(guān)配件在日常維修與保養(yǎng)的費用越來越低,遙感裝置的總體價格也越來越便宜[6-7]。

        3)審批手續(xù)簡單。中國民用航空局在2016 年9 月21 日公布的《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)空中交通管理辦法》中要求,對于在視距內(nèi)飛行,且天氣條件不影響持續(xù)可見無人駕駛航空器;民用無人駕駛航空器最大起飛重量小于或等于7 kg;不得對飛行活動以外的其他方面造成影響,包括地面人員和設(shè)施等,符合環(huán)境安全和社會治安等相關(guān)要求。只需要在無人駕駛航空器機身上標(biāo)注型號、編號、以及聯(lián)系方式等相關(guān)信息就可以操作遙感裝置了,而且也不需要安裝電子圍欄,只需要提前了解測試現(xiàn)場是否有中國民用航空局規(guī)定的禁飛區(qū)即可。

        4 遙感裝置的缺點及改進建議

        雖然使用遙感裝置技術(shù)測試風(fēng)力發(fā)電機組有很多的優(yōu)點,但是在實際操作過程中遙感裝置技術(shù)也存在很多的問題和不足。

        1) 遙感裝置電池續(xù)航能力差。按照標(biāo)準(zhǔn)要求,每臺風(fēng)力發(fā)電機組測試為保證測試氣象數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,氣象數(shù)據(jù)的采集不得低于1 h,經(jīng)過大量的現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn),新買的遙感裝置勉強可以達(dá)到測試時間的要求,但隨著使用次數(shù)的增加,電池的續(xù)航能力越來越差,日常工作中,每次執(zhí)行測試風(fēng)力發(fā)電機組均為3 臺以上,并且現(xiàn)場不一定具備給遙感裝置電池充電的條件,現(xiàn)場只能準(zhǔn)備多個遙感裝置電池來滿足測試要求,這樣無形增加了測試時長和測試成本。所以現(xiàn)有的電池技術(shù)不能滿足日常的測試需求。針對上述情況,在遙感裝置的機身上安裝微型的太陽能板,可以對在執(zhí)行測試過程中遙感裝置的電池進行時時充電,有效解決了延長測試時間。

        2)遙感裝置傳感器易損壞。由于利用遙感裝置技術(shù)進行風(fēng)力發(fā)電機組的運行狀態(tài)測試,時間短,現(xiàn)場測試人員在遙感裝置的功能選定上沒有經(jīng)驗,最初選擇了只能測風(fēng)速的遙感裝置系統(tǒng),后期在遙感裝置的機身上單獨配置了溫度、氣壓、濕度等傳感模塊,由于這些模塊精度較高,且儀器使用的環(huán)境要求不統(tǒng)一,在日常的測試過程中有些環(huán)境超過了儀器正常使用的環(huán)境范圍,導(dǎo)致所安裝的傳感器極容易損壞。通過測試經(jīng)驗的增加和遙感裝置在數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化領(lǐng)域的進步和發(fā)展,測試人員發(fā)現(xiàn)國內(nèi)已經(jīng)有專業(yè)的廠商開始制造遙感裝置專用的氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),該系統(tǒng)由溫度數(shù)據(jù)采集、濕度數(shù)據(jù)采集、風(fēng)速數(shù)據(jù)采集等一系列微小模塊組成,這些模塊精度高,并且準(zhǔn)確符合測試要求。由于是集成型系統(tǒng),各個微小模塊的工作條件保持統(tǒng)一,而且各參數(shù)模塊集成后,數(shù)據(jù)傳輸更加準(zhǔn)確、及時,地面操作也得到了相應(yīng)的簡化,同時模塊化集成氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大大降低了遙感裝置整體質(zhì)量,延長了遙感裝置電池工作時長[8]。

        3) 遙感裝置在GPS 信號弱時易發(fā)生錯誤操作。在測試人員日常測試過程中發(fā)現(xiàn),有一些特殊環(huán)境和地形利用遙感裝置測試技術(shù)并不能滿足測試要求。飛行控制系統(tǒng)就是遙感裝置的大腦,他主要是通過GPS 反饋信號來執(zhí)行遙感裝置載具的自動平衡以及遙感裝置載具失去控制時可以自動返航。測試人員經(jīng)過和遙感裝置設(shè)計人員的反復(fù)討論關(guān)于GPS 信號弱的相關(guān)問題,最終設(shè)計人員確定可以取消已經(jīng)購買的遙感裝置GPS 信號反饋系統(tǒng),改裝為國產(chǎn)的北斗高精定位信號反饋系統(tǒng)。應(yīng)用北斗系統(tǒng)后,遙感裝置將具備北斗系統(tǒng)空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座,抗遮擋能力強,尤其低緯度地區(qū)性能特點更為明顯;北斗系統(tǒng)創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信能力,具有實時導(dǎo)航、快速定位、精準(zhǔn)授時、位置報告和短信通信服務(wù)五大功能[9]。

        4)遙感裝置應(yīng)用環(huán)境受限??紤]到目前各種測試技術(shù)相對于不同復(fù)雜程度的地形存在的限制,總結(jié)了各種風(fēng)速測量配置。遙感裝置測試系統(tǒng)應(yīng)用的前提是水平氣流均勻的通過掃描體,該技術(shù)限制了遙感裝置只能應(yīng)用在非復(fù)雜地形條件下的風(fēng)力發(fā)電機組的測試工作。風(fēng)速測量配置情況見表1。

        表1 風(fēng)速測量配置情況Tab.1 Wind speed measurement configuration

        測試人員通過對相關(guān)氣象儀器的深入研究,發(fā)現(xiàn)利用雷達(dá)測量氣象參數(shù)技術(shù)可以有效彌補遙感裝置在復(fù)雜條件下的測試要求,雷達(dá)測量氣象參數(shù)技術(shù)可以在短時間內(nèi)評估多個地方,能測到測風(fēng)塔更難測量的位置和高度,可短時間和測風(fēng)塔進行對比觀測,評估測風(fēng)塔運行狀態(tài),能夠快速安裝部署,不需要復(fù)雜的計劃和基礎(chǔ)施工,可以測量3D 矢量風(fēng),實時采集記錄12 個高度的數(shù)據(jù)。具有便攜性、靈活性、時效性、安裝快速和測量數(shù)據(jù)范圍廣等優(yōu)點。但存在缺點:受大霧等天氣影響,數(shù)據(jù)質(zhì)量下降,無太陽時儲蓄電瓶無法長時間供電,而且成本較高,不適宜長期觀測,易損壞[10]。

        5 結(jié)論

        風(fēng)力發(fā)電機組運行時極易存在低負(fù)荷、低效運行狀態(tài)及管理不到位現(xiàn)象,浪費了能源也增加了運行成本。該裝置研究填補了油田風(fēng)力發(fā)電機組能效測試的空白,可以對油氣田風(fēng)力發(fā)電機組運行狀態(tài)進行科學(xué)評價,同時能定性定量分析風(fēng)力發(fā)電機組改造的節(jié)能效果。綜上所述新型遙感測試裝置較測風(fēng)塔和普通遙感裝置比較,能有效的縮短測試時間約15%,提高測試工作效率約20%。利用新型遙感設(shè)備測試風(fēng)力發(fā)電機組的測試技術(shù)還有很大的改進空間,但隨著新能源在國內(nèi)與國際上發(fā)展越來越迅速,對于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性要求也越來越嚴(yán)格,通過新型遙感設(shè)備對風(fēng)力發(fā)電場的監(jiān)測,能快速、準(zhǔn)確、有效的對風(fēng)力發(fā)電場內(nèi)的每臺風(fēng)力發(fā)電機組運行狀態(tài)進行監(jiān)測,保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能夠有效、平穩(wěn)、安全的運行。

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