叶片气热除冰技术经济适用性分析

李郝 张朝锋

2019年5月，国家发展改革委发布《关于完善风电上网电价政策的通知》，明确了陆上风电标杆上网电价改为指导价的时间窗口。对于我国南方低风速区域的风电运营商来说，开发新项目的价值低于维护提升已有项目的价值，所以，在在运风电场更换机型的具体要求出台前，用新配置来提高在运风电场的收益率，不失为一个合理且经济的选择。

我国南方低风速区域冬季的气温相对较高，但冻雨灾害频发，出现冻雨较多的有贵州、四川、湖南、江西、湖北等省份，加之冻雨多发于高海拔山区，对风电场发电量影响极大。在风电机组叶片各除冰技术中，气热除冰技术是一种重要且有效的方法，并获得了相关基础技术研究的验证。在冰冻更严重的西欧国家，该技术已得到普遍应用。但在我国，其应用并不十分广泛。

本文针对我国南方低风速区域存量市場所面临的易结冰气候，介绍了气热除冰技术的实际应用情况，并进行经济适用性评估，为气热除冰技术在风电存量市场的推广和应用提供可行性评估依据。

风电场除冰试验

气热除冰系统主要通过叶根部的装置加热空气，然后通过鼓风机和引风管道将热空气输送到叶片内部以达到除冰、防冰的目的，该系统尤其适用于已装机的主流叶片的除冰功能技改。图1中箭头所指方向为气流方向，叶片腔内气体经过加热器加热后沿红色箭头所指方向通过玻璃钢引风管流向叶尖位置，气流从叶尖通过与腹板形成的风道形成完整的空气循环流动路线。腔内空气的循环流动可以有效加热叶片结冰的前缘重点区域，并兼顾叶片后缘和叶根段，达到叶片除冰、防冰效果。

本文选取南方某山区2MW机型叶片为研究对象，在风电机组因叶片覆冰停机情况下开展试验。融冰过程测试结果表明，该系统在环境温度为-10°C左右时（图2），能够对叶片进行有效除冰。图3是风电机组叶片在加热过程中冰层融化脱落的瞬间。

融冰过程中，将风轮保持在静止状态，用照相设备和热成像仪对试验叶片覆冰状态和表面温度分布进行观察。图4显示叶片除冰后在结冰环境下持续防冰24h后表面呈现无冰状态;图5是在该状态下的局部热成像仪温度分布检测，表面的融熔水膜维持在0°C以上。

测试结果表明，该系统在结冰环境下可以使叶片达到持续防冰效果，并持续正常发电。叶片除冰后使风电机组起机发电并至满出力后，观察风电机组处于结冰环境下叶片防冰的有效性和可持续性。发电量提升评估

通过持续收集某南方风电场2018年采用气热除冰系统的风电机组结冰期的发电数据，并将该数据与同风电场普通风电机组的发电情况进行对比，对比结果如图6所示。

该风电场处于南方Ⅳ类风区，气热除冰系统的可利用率达到80%以上，通过对数据统计分析可知，在2018年冰冻期，采用气热除冰系统的风电机组与普通风电机组相比，增发18万千瓦时电量。经济性评估及可行性论证

根据以上风电场实际运行数据，以及得出的发电量提升结论，再以湖北某风电场项目为例，进行经济性评估及可行性论证。

该项目容量为8万千瓦，准备安装32台2.5MW级的风电机组。根据风电场的气象、场址等资料得知覆冰期大约为两个月，因此，按照风电场年覆冰期60天进行计算。

一、评估方法

由于叶片结冰的形状无法预测，结冰造成的后果难以估算，对发电量造成的影响难以预测，因此，无法做到对风电场的精确测算。为使评估方法尽量科学合理，本文采用统计学方法进行评估，方法如下：

（1）核算风电场叶片覆冰期时长，包括气候结冰期和融冰期。

（2）根据风电场结冰时长假设结冰期完全不发电，和加装气热除冰装置完全发电两种极端情况。

（3）根据两种极端情况核算对应的利用小时数，得出最高利用小时数和最低利用小时数的区间。

（4）按照上述利用小时数的区间核算20年净收益（NPV）的区间，同时考虑因安装气热除冰装置增加的成本，计算20年净收益（NPV）的区间。对比净收益相同条件下，两种情况发电量的差值，即安装气热除冰装置后最少需要增加的利用小时数。

（5）根据发电量的差值进行概率估算，得出气热除冰方案达到该效果的概率，进而得出气热除冰方案适用于该风电场的可能性。

二、案例概算

以湖北某风电场为例，测算条件设置如下：

（1）假设覆冰期为60天。

（2）通过风能资源计算，假设覆冰期机组满发得到的利用小时数为1971小时，假设覆冰期机组停机得到的利用小时数为1651小时。

（3）因此，全覆冰期期间机组满发与机组停机相差320小时。

（4）按照建设成本7500元/千瓦、贴现率6%，核算20年后扣除投资后净收益区间：除冰系统设备成本按照150元/千瓦、200元/千瓦、250元/千瓦三种情况，核算扣除投资后净收益区间，如表1所示。

（5）通过图7可以得出横坐标相同（收益一致）情况下，电量的差距即为结冰会造成的影响。

由图表可知：

（1）假设叶片除冰方案为150元/千瓦，安装除冰系统后利用小时数增加30小时即可回本。在假设风电场60天结冰期的情况下，该事件发生的概率为100%。

（2）假设叶片除冰方案为200元/千瓦，安装除冰系统后利用小时数增加40小时即可回本。在假设风电场60天结冰期的情况下，该事件发生的概率为100%。

（3）假设叶片除冰方案为250元/千瓦，安装除冰系统后利用小时数增加50小时即可回本。在假设风电场60天结冰期的情况下，该事件发生的概率为100%。

因此，从概率上来看，即使考虑机位的海拔变化，风电场安装气热除冰装置后提升发电量超过50小时的概率为100%，由于50小时只占年利用小时数的2.5%，即覆冰天数只需达到10天即可满足收益要求。同时，因安装叶片除冰装置所增加的运维成本，对于整体项目的影响微乎其微，即使按照每年增加50万元运维成本，整个风电场只需再增加10小时发电量就可以达到平衡。

上述情况考虑的是风电场安装气热除冰方案20年才能回本的情况，如果考虑5年回本，在折现率为6%的情况下，仅仅计算前5年的NPV，再减去由安装除冰系统增加的成本，结果如表2、图8所示。

通过图表可以得出如下结论：

（1）假设除冰方案价格为150元/千瓦，安装除冰系统后利用小时数增加75小时即可5年回本。

（2）假设叶片除冰方案为200元/千瓦，安装除冰系统后利用小时数增加100小时即可5年回本。

（3）假设叶片除冰方案为250元/千瓦，安装除冰系统后利用小时数增加125小时即可5年回本，相当于23天的覆冰天数;如果考虑运维成本增加，利用小时数增加135小时即可5年回本;按80%可利用率和10%的自耗电，实际要求覆冰期达到35天。根据风电场的实际情况，该事件发生的概率为100%。

如果再缩短回本期，假设3年就能回本（因为时间较短，所以不考虑贴现率，第一年投资直接用三年的发电收入平摊），其结果为：

（1）假设除冰方案价格为150元/千瓦，安装除冰系统后利用小時数增加111小时即可3年回本。

（2）假设除冰方案价格为200元/千瓦，安装除冰系统后利用小时数增加150小时即可3年回本。

（3）假设除冰方案价格为250元/千瓦，安装除冰系统后利用小时数增加185小时即可3年回本，相当于34天的覆冰天数;按80%可利用率和10%的自耗电，实际要求覆冰期达到47天。根据风电场的实际情况，该事件发生的概率为95%。

因此，根据以上情况，该风电场安装叶片除冰装置所获得的发电量收益可观，安装方案可行。

全国各省份气热除冰系统适用区域

根据《国家电网公司电网冰区分布图》收集到了除南方电网负责区域的冰区分布图，同时收集到了云南等地冰区分布图。其中，海南为热带地区，不予考虑;根据相关数据，北京、天津、河北、山西、山东、江苏、辽宁、吉林、黑龙江、内蒙古、西藏等地无较厚的结冰情况，也不予考虑。

案例中风电场场址大体位置如图9所示，结冰等级为15～20毫米。结合湖北省风速情况，根据结冰情况及风速情况等于或高于风电场场址区域的遴选原则，可以获得适合安装叶片除冰装置的区域，如图10红色圆圈区域所示。该区域主要集中在湖北的西南以及中西部地区。

依此测算其他省份的情况：湖南适合安装叶片除冰装置的区域主要集中在该省南部、西南、东北、西北等地区。江西适合安装叶片除冰装置的区域主要集中在该省南部、东北等地区。四川适合安装叶片除冰装置的区域主要集中在该省西部地区，且面积巨大。浙江适合安装叶片除冰装置的区域主要集中在该省西南、西北等地区。安徽适合安装叶片除冰装置的区域主要集中在该省西南、东南等地区。云南适合安装叶片除冰装置的区域主要集中该省的西北以及东部地区。

总结

本文针对我国南方低风速区域存量市场所面临的易结冰气候，介绍了气热抗冰技术实际应用情况以及发电量提升情况，并据此得出了经济适用范围，进而推算出全国各地适合安装该除冰装置的区域。研究得出的主要结论为：

假设覆冰期为60天，利用小时数为2000小时，其中在气热除冰方案成本为250元/千瓦的情况下。20年内回本相当于覆冰期间有14天实现满发，从概率角度分析，有100%的把握认为能实现：5年内回本相当于覆冰期间有34天满发，从概率角度分析，有100%的把握认为能实现;3年内回本相当于覆冰期间有47天满发，从概率角度分析，有95%的把握认为能实现。同时根据目前收集的结冰图以及风速图，进行对比得出拥有较大市场的省份为湖南、四川、云南，拥有一定市场的省份为湖北、江西，拥有少量市场的省份为安徽、浙江。