風(fēng)電機(jī)組葉片覆冰形成原因及覆冰防治概述

中國(guó)廣核新能源控股有限公司 成和祥 行九暉 北京金風(fēng)慧能技術(shù)有限公司 劉 杰

北京雅德士工程技術(shù)咨詢有限公司 楊 慶

我國(guó)已經(jīng)制定出可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，要實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、降耗，這是能源發(fā)展的主要趨勢(shì)。按照政府發(fā)布的戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃，在2020年非化石能源占據(jù)一次性能源消費(fèi)比例控制在15%左右。風(fēng)力發(fā)電資源利用率較高，技術(shù)也較成熟，隨著技術(shù)發(fā)展成本也在下降，所以樁基容量大幅提高，但是風(fēng)力發(fā)電對(duì)氣象條件的變化非常敏感，具有一定程度的不穩(wěn)定性。冬春季節(jié)氣候濕潤(rùn)的地區(qū)，風(fēng)機(jī)葉片覆冰成為風(fēng)電場(chǎng)無(wú)法正常運(yùn)行發(fā)電的主要影響因素。葉片覆冰后，葉片氣動(dòng)特性改變、機(jī)組動(dòng)態(tài)荷載增加，會(huì)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行和效益產(chǎn)生負(fù)面影響。不同氣候環(huán)境、地形條件影響，風(fēng)機(jī)葉片工作中會(huì)形成了質(zhì)地不同、形狀各異的覆冰，不同區(qū)域的風(fēng)機(jī)葉片覆冰過(guò)程和特征存在很大差異，相應(yīng)的除冰技術(shù)措施也不同。

1 風(fēng)電機(jī)組葉片覆冰機(jī)理及類型

1.1 風(fēng)電機(jī)組葉片覆冰產(chǎn)生的基本氣象條件

按照覆冰區(qū)域展開(kāi)分析，風(fēng)電場(chǎng)氣象合理預(yù)測(cè)與運(yùn)行狀況了解，葉片出現(xiàn)覆冰的問(wèn)題應(yīng)該具備如下條件：環(huán)境溫度低于0℃、葉片表面低于-5℃、空氣濕度在85%以上。雖然這幾個(gè)氣象條件范圍較窄，但通常風(fēng)電場(chǎng)會(huì)處于大氣冷熱氣流交匯地區(qū)，受微地形微氣象的影響嚴(yán)重，所以部分風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組葉片覆冰現(xiàn)象較為普遍。

1.2 葉片表面結(jié)冰原理分析

1.2.1 葉片表面結(jié)冰機(jī)制

葉片表面出現(xiàn)結(jié)冰的現(xiàn)象，是水在特定環(huán)境之下產(chǎn)生的物相變化，只要是溫度不足0℃水就會(huì)發(fā)生結(jié)冰的現(xiàn)象，這是自然規(guī)律、是無(wú)法改變的。在規(guī)定條件之下，空氣過(guò)冷造成的水滴和風(fēng)機(jī)葉片出現(xiàn)碰撞而導(dǎo)致凝結(jié)成冰，葉片表面的結(jié)冰形式中一般是過(guò)冷水滴成冰。下面重點(diǎn)分析過(guò)冷水滴在風(fēng)機(jī)葉片表面結(jié)成冰的原因。

過(guò)冷水滴主要指在環(huán)境處于0℃以下時(shí)依然以液態(tài)存在的水滴。環(huán)境中的氣壓不同，水的汽、液、固的狀態(tài)也會(huì)有明顯的變化，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓水的結(jié)冰溫度為0℃，環(huán)境氣壓增大結(jié)冰的溫度會(huì)逐步降低，所以在低于0℃的情況下也會(huì)存在液態(tài)水。大氣層中的過(guò)冷水滴穩(wěn)定性很差，如果環(huán)境出現(xiàn)變化，過(guò)冷水滴會(huì)快速凝結(jié)而轉(zhuǎn)化為冰。風(fēng)電機(jī)組葉片表面撞擊到存在過(guò)冷水滴的空氣時(shí)，水滴因撞擊會(huì)直接在葉片的前緣迎風(fēng)面的位置上，過(guò)冷水滴的內(nèi)部平衡被破壞，使得過(guò)冷水滴的結(jié)冰溫度變高，更易在風(fēng)電機(jī)組葉片的表面結(jié)冰。風(fēng)電機(jī)組葉片表面結(jié)冰的發(fā)生是耦合相變復(fù)雜傳熱的階段，因?yàn)槿~片表面溫度要低于冷水滴的溫度，所以在過(guò)冷水滴撞擊葉片時(shí)，會(huì)快速的吸收水分而經(jīng)過(guò)凝固之后釋放熱量，然后過(guò)冷水滴在葉片表面迅速成冰。

1.2.2 覆冰類型及分類

葉片表面結(jié)冰主要有雨凇、霧凇和混合凇三種類型：雨凇。如過(guò)冷水滴直徑相對(duì)較大，在和葉片出現(xiàn)碰撞后，水滴先散開(kāi)成水膜后迅速凝結(jié)成冰凌。此類覆冰一般環(huán)境溫度在0～5℃時(shí)出現(xiàn)，空氣濕度較大的條件之下，葉片表面會(huì)出現(xiàn)透明的硬度較高的冰層。此類冰層密度較大，附著力強(qiáng)；霧凇。過(guò)冷水滴的直徑較小，在空氣中漂浮運(yùn)動(dòng)，撞擊葉片后快速形成冰凌，以干增長(zhǎng)方式存在。一般在環(huán)境溫度低于-5℃時(shí)，空氣內(nèi)水含量很少，晶體的形狀是不規(guī)則的，極易在不光滑的葉片表面形成冰面，其質(zhì)地疏松、密度小、粘附力不足；混合凇。過(guò)冷水滴的直徑不同，空氣內(nèi)漂浮運(yùn)動(dòng)，在與葉片接觸后快速成冰，有些為干增長(zhǎng)、有些則為濕增長(zhǎng)。冰內(nèi)部以半透明的形式存在，密度中等，一般是出現(xiàn)在葉片迎水面，附著力較大。山區(qū)地帶中風(fēng)速較高的條件下，從云中來(lái)的冰晶會(huì)有一些大小中等的地面霧存在，通常環(huán)境溫度在-10～-3℃之間時(shí)出現(xiàn)。

因此，葉片表面極易出現(xiàn)霧凇、混合淞的形式。此外，葉片的長(zhǎng)期運(yùn)行之下，表面會(huì)存在較多的污漬、前緣腐蝕、葉片粗糙度過(guò)大等問(wèn)題，也會(huì)導(dǎo)致葉片出現(xiàn)覆冰的問(wèn)題。

2 覆冰影響因素分析

風(fēng)電機(jī)組葉片覆冰和風(fēng)電場(chǎng)的自然環(huán)境、地形條件有著直接的關(guān)系，而覆冰類型和環(huán)境溫度、風(fēng)速、葉輪掃風(fēng)區(qū)過(guò)冷水滴直徑、空氣內(nèi)液態(tài)水含量等存在直接的聯(lián)系。

2.1 影響葉片覆冰的氣象條件

環(huán)境溫度。給葉片覆冰影響最直接也最為明顯，覆冰一般發(fā)生在環(huán)境溫度為-1℃至-8℃之間，環(huán)境溫度太低過(guò)冷水滴會(huì)出現(xiàn)雪花的情況，不會(huì)發(fā)生覆冰。因此冬季環(huán)境較低的情況下北方地區(qū)覆冰發(fā)生率較低，而南方的云南、貴州、湖南等地區(qū)濕度高的情況下發(fā)生覆冰的問(wèn)題比較嚴(yán)重；空氣濕度。其高低對(duì)于葉片覆冰的形成是有絕對(duì)性影響的，通?？諝庀鄬?duì)濕度超過(guò)85%極易產(chǎn)生葉片覆冰，還易導(dǎo)致雨凇的出現(xiàn)。覆冰發(fā)生率最高的為湖南、湖北、江西等地，冬季與初春的時(shí)節(jié)陰雨綿綿，空氣濕度非常高，很多情況下甚至?xí)_(dá)到90%以上，所以葉片的覆冰發(fā)生率較高，且主要是以雨凇的形式存在；風(fēng)速。由于風(fēng)可以直接進(jìn)行過(guò)冷水滴的輸送，所以也會(huì)給葉片覆冰產(chǎn)生直接影響。風(fēng)速較小情況下有效地促進(jìn)霧凇形成，風(fēng)速較大會(huì)產(chǎn)生粒狀霧凇的形式。一般風(fēng)速越大葉片覆冰形成的速度也會(huì)更快。

過(guò)冷卻水滴直徑大小。水滴直徑比較大的情況下，與葉片接觸之下會(huì)產(chǎn)生結(jié)冰反應(yīng)，潛熱釋放速度很慢，相反潛熱釋放速度過(guò)快結(jié)冰也會(huì)更快，因此覆冰形成的特征相差很大。葉片雨凇覆冰過(guò)程中過(guò)冷水滴直徑較大，約在10～40μm之間，多為是毛毛雨天氣。霧凇覆冰時(shí)過(guò)冷水滴直徑在1～20μm之間，而混合凇水滴直徑在5～35μm之間，多為濃霧天氣；凝結(jié)高度。其為大氣環(huán)境中的過(guò)冷水滴形成冰晶或雪花狀態(tài)的海拔高度，會(huì)根據(jù)不同地面氣溫與露點(diǎn)溫度而出現(xiàn)一定的變化。凝結(jié)高度主要是地面作為起始點(diǎn)為基準(zhǔn)的空氣水滴經(jīng)過(guò)碰撞后所產(chǎn)生凍結(jié)的高度，其數(shù)值大小對(duì)于高海拔地帶內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組葉片覆冰會(huì)存在直接的影響。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組所處葉輪掃風(fēng)區(qū)域高度超過(guò)凝結(jié)高度時(shí)，此區(qū)域機(jī)組多為嚴(yán)重覆冰工況。

2.2 影響葉片覆冰的地形及地理環(huán)境

風(fēng)電機(jī)組葉片覆冰受本地地形條件、氣象條件和風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)影響。覆冰與山區(qū)地帶的走向、坡向、分水嶺等方面存在直接的影響，山區(qū)風(fēng)電機(jī)組的葉片覆冰在地形條件下影響最大。從目前研究結(jié)論分析，覆冰嚴(yán)重性與地形條件有著直接的影響，絕對(duì)海拔高度并不會(huì)對(duì)覆冰產(chǎn)生直接影響，但周邊環(huán)境內(nèi)的地形與測(cè)量點(diǎn)和周邊相對(duì)高度也會(huì)給覆冰造成影響。風(fēng)況相對(duì)好的條件下突出的地形條件，如山頂、埡口、迎風(fēng)坡等，還有空氣水份較高的江河、山頂?shù)任恢蒙先菀壮霈F(xiàn)液冰的區(qū)域，其覆冰也會(huì)更加嚴(yán)重。

2.3 葉片覆冰對(duì)機(jī)組功率輸出的影響

葉片結(jié)冰在迎風(fēng)面的發(fā)生率比較高，且葉尖覆冰主要沉積在葉根位置，覆冰累積與不規(guī)則脫落也會(huì)造成機(jī)組輸出功率的影響。在葉片表面發(fā)生微覆冰問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致其表面粗糙度較高而出現(xiàn)葉片氣動(dòng)性能很低，機(jī)組運(yùn)行功率也很低；葉片覆冰嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致葉片轉(zhuǎn)矩為零，不會(huì)有任何輸出功率，自然覆冰也會(huì)造成振動(dòng)嚴(yán)重而產(chǎn)生停機(jī)的問(wèn)題。

葉片覆冰會(huì)直接影響系統(tǒng)的輸出功率，受到覆冰重量、覆冰后翼分布、葉片設(shè)計(jì)與風(fēng)機(jī)控制。以VestasV80-1.8MW風(fēng)機(jī)進(jìn)行仿真分析，在雨凇條件下葉片覆冰可達(dá)709kg，占葉片重量的11%（葉片總重量6500kg）；在霧凇條件下葉片覆冰可達(dá)434kg，占葉片重量的6.7%。研究分析發(fā)現(xiàn)，下面兩種情況產(chǎn)生的覆冰問(wèn)題會(huì)給葉片阻力帶來(lái)影響：葉片的阻力沿葉片軸向以指數(shù)次增長(zhǎng)，雨凇時(shí)葉尖阻力增加了365%，霧凇時(shí)增加了250%，而在兩種條件下葉尖的升力均減小了40%。

綜上，葉片覆冰結(jié)合不同的冰災(zāi)嚴(yán)重性，風(fēng)機(jī)輸出功率會(huì)產(chǎn)生很大的變化，比較輕的覆冰會(huì)讓葉片功率有一部分損失，而覆冰嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致其輸出功率為零，也就會(huì)停止運(yùn)行。

葉片覆冰對(duì)于機(jī)組產(chǎn)生的危害有靜態(tài)與動(dòng)態(tài)載荷的不平衡、機(jī)組振動(dòng)過(guò)于劇烈、葉片頻率發(fā)生變化、增加疲勞載荷、增加葉片彎矩、造成人身危害等。

3 風(fēng)電機(jī)組葉片覆冰檢測(cè)及葉片防冰除冰系統(tǒng)

當(dāng)前科學(xué)技術(shù)發(fā)展認(rèn)知局限性存在，不能從根本上消除覆冰問(wèn)題，只能在覆冰出現(xiàn)后立即采取必要措施除覆冰，能夠有效的減輕經(jīng)濟(jì)損失。

3.1 覆冰測(cè)量方式及必要性

覆冰測(cè)量可分為直接法、間接法和數(shù)學(xué)模型法三類。直接法利用覆冰所致重量、反射特性變化測(cè)量；間接法根據(jù)覆冰相關(guān)因素如風(fēng)速、濕度和溫度及覆冰條件下風(fēng)機(jī)發(fā)電功率變化估算覆冰。覆冰檢測(cè)工作開(kāi)展可通過(guò)采取措施主動(dòng)進(jìn)行防凍除冰系統(tǒng)達(dá)到要求，但也容易產(chǎn)生負(fù)面作用。葉片輕微覆冰條件下會(huì)導(dǎo)致葉片輸出功率下降5～15%，如果覆冰檢測(cè)器無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)出覆冰的情況，一般會(huì)在覆冰出現(xiàn)的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)會(huì)通過(guò)視頻等方式進(jìn)行覆冰檢測(cè)，在該過(guò)程中不僅風(fēng)力發(fā)電效率降低，葉片加熱系統(tǒng)也會(huì)導(dǎo)致能耗過(guò)大，通過(guò)加熱進(jìn)行覆冰溶解。

3.2 基于葉片振動(dòng)檢測(cè)葉片覆冰傳感器

精確的覆冰檢測(cè)必須直接測(cè)得葉片上的覆冰量。葉片在寒冷空氣中運(yùn)轉(zhuǎn)，葉尖速度達(dá)到了250km/h，葉尖的結(jié)冰條件跟裝在機(jī)艙頂部上的傳感器監(jiān)測(cè)到的結(jié)冰條件相比相差巨大。建議機(jī)組采用葉片振動(dòng)檢測(cè)葉片覆冰傳感器，其設(shè)計(jì)基于簡(jiǎn)單的物理原則：結(jié)冰量增加會(huì)引起葉片自然振動(dòng)頻率發(fā)生變化，隨著固體重量增加固有頻率會(huì)降低?；诟哽`敏度的傳感器系統(tǒng)和特殊算法可實(shí)現(xiàn)冰層厚度毫米范圍內(nèi)的測(cè)量分辨率，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況下或待機(jī)情況下都能執(zhí)行測(cè)量，意味看風(fēng)機(jī)在啟機(jī)前每時(shí)每刻都在進(jìn)行檢測(cè)，確保葉片上的覆冰量在運(yùn)行條件的符合范圍內(nèi)。

圖1 基于光纖振動(dòng)傳感器的葉片覆冰檢測(cè)系統(tǒng)

圖2 熱風(fēng)除冰葉片表面溫度云圖

3.3 葉片防冰除冰系統(tǒng)

風(fēng)機(jī)防凍除冰主要包含防冰、除冰兩個(gè)種類，前者是采取措施避免冰雪粘附到葉片表面，后者是直接進(jìn)行覆冰去除。這兩種方式也可以理解為被動(dòng)、主動(dòng)兩種，前者是利用物理原理避免出現(xiàn)結(jié)冰問(wèn)題，后者是通過(guò)外部系統(tǒng)加熱的方式以消除覆冰。

3.3.1 防凍除冰系統(tǒng)的效益和成本

目前還沒(méi)有技術(shù)相對(duì)成熟的商業(yè)化風(fēng)機(jī)融冰系統(tǒng)，不管是主動(dòng)還是被動(dòng)的方式融冰系統(tǒng)都不能從根本上避免葉片覆冰問(wèn)題的發(fā)生，有些融冰系統(tǒng)僅能在葉片覆冰后依然能夠保證功率輸出正常，防止產(chǎn)生停機(jī)的問(wèn)題，避免給葉片產(chǎn)生嚴(yán)重的振動(dòng)影響，也會(huì)保護(hù)人們的生命安全。如果通過(guò)加熱方式進(jìn)行風(fēng)機(jī)功率降低，可提高維護(hù)效果。氣候環(huán)境溫度較低的情況下，融冰系統(tǒng)耗電量?jī)H為總發(fā)電量的3～8%，防冰系統(tǒng)耗電量為總發(fā)電量的3%以內(nèi)。假設(shè)風(fēng)機(jī)葉片防冰系統(tǒng)成本占據(jù)總投資的5%左右，防冰系統(tǒng)成本占比會(huì)伴隨著葉片尺寸增大而降低。

防冰系統(tǒng)應(yīng)該連續(xù)加熱處理，確保其時(shí)刻保持在0℃以上，而除冰系統(tǒng)可有效地清理掉覆冰，兩種方式都會(huì)導(dǎo)致電能損耗。覆冰檢測(cè)可減少融冰電量損失，為了能夠減少能耗，可分為多個(gè)加熱區(qū)域，所以確保葉尖部位的30%長(zhǎng)度無(wú)覆冰就能夠達(dá)到風(fēng)機(jī)的90%氣動(dòng)性能，如果在葉尖分配設(shè)置防凍融冰系統(tǒng)能夠減少能耗。

3.3.2 葉片氣熱除冰方案介紹

葉片氣熱除冰方案基本原理是通過(guò)加熱葉片內(nèi)的空氣并在葉片內(nèi)部循環(huán)，再將熱量傳到葉片外表面，從而達(dá)到除冰的目的。加熱時(shí)葉片腔內(nèi)有氣流會(huì)出現(xiàn)在葉尖部位，氣流也會(huì)從葉尖經(jīng)過(guò)和腹板形成的風(fēng)道而組合成為氣體循環(huán)路線，腔內(nèi)空氣循環(huán)加熱可避免結(jié)冰問(wèn)題的出現(xiàn)，保證葉片后緣與葉根部分進(jìn)行加熱處理，防、除冰效果很好，可顯著提高熱量傳導(dǎo)效率，降低加熱功耗。葉片外表面溫度升高就能在覆冰層與葉片出現(xiàn)了水膜的情況，就是通過(guò)葉片旋離心力實(shí)現(xiàn)除冰。

除冰時(shí)熱風(fēng)輸出溫度為60～80℃，葉片表面溫度可控制在10～0℃，由于葉片形式不會(huì)變化，設(shè)置的除冰系統(tǒng)會(huì)給空氣動(dòng)力性能與防雷性能沒(méi)有任何影響，加熱除冰可應(yīng)用到氣候溫和、覆冰發(fā)生在0℃左右環(huán)境中，因?yàn)槌ＷC葉片溫度合理，所以能耗消耗僅為防冰的50%。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合分析目前國(guó)內(nèi)外風(fēng)電機(jī)組葉片除冰技術(shù)可靠及適用性，對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片覆冰檢測(cè)方法及除冰技術(shù)方案有以下建議：使用葉片安裝振動(dòng)傳感器并對(duì)其振動(dòng)數(shù)據(jù)分析評(píng)估覆冰狀況在國(guó)外有批量應(yīng)用案例，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)是可靠有效的一種檢測(cè)手段。使用高靈敏度的傳感器系統(tǒng)和特殊算法，可實(shí)現(xiàn)冰層厚度毫米范圍內(nèi)的測(cè)量分辨率；通過(guò)分析覆冰期風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，使用基于功率曲線對(duì)比的覆冰檢測(cè)通常為各大整機(jī)商所使用，目前也是最為常用的覆冰告警停機(jī)方式。

在葉片內(nèi)部安裝熱風(fēng)加熱系統(tǒng)除冰已有20多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，是目前較為可行的風(fēng)電葉片除冰防冰技術(shù)方案。該方案簡(jiǎn)單可靠，除冰效率高，但葉片加熱除冰的過(guò)程需要耗費(fèi)大量自用電。提高熱風(fēng)加熱系統(tǒng)的除冰效率、降低除冰能耗有3種方式：機(jī)組葉片覆冰停機(jī)后進(jìn)行加熱除冰，不采用維持葉片本體高溫的方式進(jìn)行防冰；使用高精度覆冰檢測(cè)系統(tǒng)，由此控制除冰加熱系統(tǒng)精準(zhǔn)啟停；在葉片前緣使用超疏水涂層，預(yù)防融冰回重復(fù)凝結(jié)。需要注意的是，熱風(fēng)加熱除冰系統(tǒng)在超過(guò)60米以上葉片進(jìn)行除冰存在功率瓶頸。