風(fēng)力發(fā)電機(jī)覆冰預(yù)警技術(shù)研究

練楊蔚，鄭蜀江

（1.貴州龍?jiān)葱履茉从邢薰?，貴州 貴陽(yáng) 550000；2.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096）

0 引言

隨著國(guó)家雙碳目標(biāo)的提出，能源電力低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展進(jìn)程將進(jìn)一步加速，未來(lái)我國(guó)將逐漸形成清潔低碳、安全高效的能源體系，能效水平持續(xù)提升，能源結(jié)構(gòu)深刻調(diào)整。非化石能源占比將于2040年前后超過(guò)50%，成為我國(guó)能源供應(yīng)的主體，其中風(fēng)能和太陽(yáng)能將快速發(fā)展，2030年以后將成為主要的非化石能源品種。非化石能源中，陸上風(fēng)電是我國(guó)當(dāng)前最大的新能源電源類型，也將是我國(guó)第一大電源，預(yù)計(jì)2025年和2030年，裝機(jī)容量將分別達(dá)到4.8億kW和6.5億～6.8億kW，并于2030-2035年期間成為第一大發(fā)電量電源。貴州地區(qū)2020年投運(yùn)的風(fēng)電裝機(jī)容量超過(guò)515萬(wàn)kW，在建容量超過(guò)103萬(wàn)kW，根據(jù)規(guī)劃，貴州省風(fēng)電裝機(jī)容量2025年可達(dá)800萬(wàn)kW，2030年可達(dá)1 000萬(wàn)kW[1]。

1 問(wèn)題論述

由于貴州地處內(nèi)陸高原，風(fēng)電場(chǎng)主要為高山風(fēng)場(chǎng)，風(fēng)機(jī)在極寒天氣下運(yùn)行時(shí)經(jīng)常遭遇覆冰結(jié)冰現(xiàn)象。風(fēng)機(jī)覆冰會(huì)導(dǎo)致機(jī)械故障，甚至可能導(dǎo)致停機(jī)。2021年1月，貴州地區(qū)持續(xù)寒潮天氣，該地所在的某能源央企累計(jì)凝凍停運(yùn)風(fēng)電機(jī)組403臺(tái)，既損害了企業(yè)本身的經(jīng)濟(jì)效益，也給社會(huì)及人民群眾電力供應(yīng)保障帶來(lái)極大影響。為保障高寒氣候下風(fēng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，開(kāi)展風(fēng)機(jī)防冰除冰技術(shù)研究具有重要意義，而風(fēng)機(jī)覆冰預(yù)警技術(shù)又是風(fēng)機(jī)防冰除冰技術(shù)的前提和關(guān)鍵[2]。

根據(jù)日常工作經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)機(jī)覆冰會(huì)給風(fēng)機(jī)運(yùn)行帶來(lái)4個(gè)方面影響，一是風(fēng)機(jī)葉片表面大量覆冰時(shí)，由于每個(gè)葉片上的冰載不同，使機(jī)組的不平衡載荷增大，降低風(fēng)機(jī)的零部件運(yùn)行壽命；二是由于覆冰厚度不一，葉片原有的氣動(dòng)外形將發(fā)生改變，降低機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)，從而造成發(fā)電功率降低，嚴(yán)重時(shí)還可造成風(fēng)電機(jī)組無(wú)法正常啟動(dòng)；三是風(fēng)機(jī)上的測(cè)風(fēng)儀覆冰后，將無(wú)法正常工作，使測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，影響機(jī)組的正常運(yùn)行和控制；四是風(fēng)機(jī)如果覆冰后繼續(xù)運(yùn)行，拋出的冰層碎塊或掉落的大冰塊可能會(huì)傷害到風(fēng)機(jī)自身及其附近的人或物[3]。

根據(jù)前面的分析，由于風(fēng)機(jī)覆冰會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行造成不良影響，亟需開(kāi)展風(fēng)機(jī)覆冰預(yù)警技術(shù)研究，而覆冰預(yù)警技術(shù)研究包括風(fēng)電場(chǎng)高精度氣象預(yù)測(cè)預(yù)警技術(shù)和風(fēng)機(jī)部件覆冰在線監(jiān)測(cè)技術(shù)兩部分。

風(fēng)電場(chǎng)高精度氣象預(yù)測(cè)預(yù)警技術(shù)可以幫助風(fēng)機(jī)運(yùn)行單位提前做好防冰工作，而風(fēng)機(jī)部件覆冰在線監(jiān)測(cè)技術(shù)能幫助運(yùn)行人員準(zhǔn)確判斷風(fēng)機(jī)狀態(tài)，精準(zhǔn)控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行，最大可能確保風(fēng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。高精度氣象預(yù)警技術(shù)可綜合氣象部門(mén)提供的大范圍氣象預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與自建微氣象監(jiān)測(cè)站采集的風(fēng)場(chǎng)當(dāng)?shù)貧v史氣象數(shù)據(jù)，運(yùn)用LSTM（Long-Short Term Memory）等計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度微氣象預(yù)測(cè)預(yù)警。

風(fēng)機(jī)預(yù)警技術(shù)對(duì)防冰、除冰具有重要意義。已有國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)廠商在模擬寒冷試驗(yàn)室內(nèi)開(kāi)展了不同環(huán)境溫度、不同轉(zhuǎn)速和不同輸入電壓下風(fēng)機(jī)覆冰特性試驗(yàn)。結(jié)果表明，風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)機(jī)最易結(jié)冰部位，且風(fēng)機(jī)葉片表面溫度沿根部到葉尖部依次降低，因此風(fēng)機(jī)覆冰預(yù)警技術(shù)應(yīng)針對(duì)風(fēng)機(jī)葉片特別是風(fēng)機(jī)葉尖重點(diǎn)開(kāi)展[4]。

風(fēng)機(jī)葉片覆冰預(yù)警技術(shù)包括風(fēng)機(jī)葉片覆冰仿真預(yù)警技術(shù)和風(fēng)機(jī)葉片覆冰監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)。風(fēng)機(jī)葉片覆冰仿真技術(shù)研究主要集中于高校，如重慶大學(xué)開(kāi)展了小型風(fēng)機(jī)葉片的覆冰仿真，對(duì)NE-100型水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的覆冰進(jìn)行了數(shù)值仿真。但是由于目前的仿真主要為二維仿真，而風(fēng)機(jī)繞流場(chǎng)中的一個(gè)關(guān)鍵因素為旋轉(zhuǎn)葉片會(huì)產(chǎn)生徑向氣流，該氣流具備三個(gè)方向，必須進(jìn)行三維模擬，目前的仿真條件尚不具備，導(dǎo)致仿真結(jié)果與實(shí)際情況情況相差較大，難以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

目前投入實(shí)用的風(fēng)機(jī)葉片覆冰預(yù)警技術(shù)主要為風(fēng)機(jī)葉片覆冰監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，該技術(shù)主要包括視頻監(jiān)測(cè)法和人工觀冰法，光學(xué)性能法，氣動(dòng)噪聲法，葉片結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率法，光纖法，電容法，超聲法和微波監(jiān)測(cè)法等，下面逐一介紹。

1）人工觀冰法與視頻監(jiān)測(cè)法基本類似，是指在風(fēng)力機(jī)上安裝網(wǎng)絡(luò)攝像頭或是憑人工肉眼對(duì)葉片結(jié)冰狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這種方法通過(guò)視頻畫(huà)面對(duì)葉片表面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠提供有效的結(jié)冰信息，但是這種方法主要監(jiān)測(cè)葉片根部的覆冰，無(wú)法監(jiān)測(cè)葉片尖部這一覆冰嚴(yán)重區(qū)域。同時(shí)在覆冰期視頻攝像頭容易被冰包裹，無(wú)法正常運(yùn)行。由于該技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，盡管存在一些缺陷，目前已實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模應(yīng)用。

2）冰層光學(xué)性能法根據(jù)葉片覆冰后冰層的反射性能監(jiān)測(cè)結(jié)冰，但是當(dāng)出現(xiàn)覆冰很薄且透明的情況時(shí)，由于透明的薄冰層對(duì)于光的反射路徑影響很小，導(dǎo)致在凍雨環(huán)境下無(wú)法給出有效的結(jié)果。其基本原理和主要缺點(diǎn)見(jiàn)圖1。

圖1 冰層光學(xué)性能法原理及缺點(diǎn)

3）氣動(dòng)噪聲法是由于結(jié)冰導(dǎo)致葉片氣動(dòng)噪聲的增加，有研究表明少量的積冰可以導(dǎo)致很高的氣動(dòng)噪聲。但是這種方法在風(fēng)力機(jī)停機(jī)時(shí)無(wú)法探測(cè)到葉片結(jié)冰狀況，而且應(yīng)用前需要調(diào)查清楚環(huán)境噪聲以及各種風(fēng)速的對(duì)結(jié)果的影響；

4）葉片結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率法，由于覆冰會(huì)導(dǎo)致葉片原有結(jié)構(gòu)振動(dòng)性能發(fā)生改變，通過(guò)探測(cè)共振頻率的變化理論上可以達(dá)到結(jié)冰監(jiān)測(cè)的目的。但是這種方法敏感性太低，只有當(dāng)葉片上覆冰到足以改變整體共振頻率時(shí)才能發(fā)揮作用，此時(shí)覆冰可能已對(duì)風(fēng)機(jī)造成較嚴(yán)重?fù)p傷。

5）光纖法是利用不同介質(zhì)（空氣和冰）對(duì)紅外光的折射、反射和漫射性能不同的特點(diǎn)判斷葉片結(jié)冰情況，這種方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，無(wú)法判斷冰水混合物?；驹砗椭饕秉c(diǎn)見(jiàn)圖2。

圖2 光纖法原理及缺點(diǎn)

6）電容法是利用不同介質(zhì)（空氣和冰）介電常數(shù)的差異，設(shè)置多個(gè)平板電極對(duì)，測(cè)量其電容值的變化，從而反推其中介電常數(shù)的變化判斷是否結(jié)冰，這種方法抗干擾能力差，容易受環(huán)境雜散電容影響，無(wú)法區(qū)分冰水混合物。其基本原理和主要缺點(diǎn)見(jiàn)圖3。

圖3 電容法原理及缺點(diǎn)

7）超聲法是利用一種能將機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的材料壓電陶瓷，通過(guò)壓電陶瓷覆冰后諧振頻率的變化來(lái)判斷是否結(jié)冰，該方法難以分辨結(jié)冰與結(jié)霜，元器件較易損壞且無(wú)法應(yīng)用于本身存在振動(dòng)場(chǎng)合。其原理及主要缺點(diǎn)見(jiàn)圖4。

圖4 超聲法原理及缺點(diǎn)

8）微波監(jiān)測(cè)法是依靠微波在不同介質(zhì)中傳播特性差異判斷覆冰的一種方法。微波依靠交變電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互感應(yīng)進(jìn)行傳遞，在傳遞過(guò)程中，會(huì)對(duì)傳播介質(zhì)施加上一種電場(chǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致電介質(zhì)發(fā)生極化，造成在傳輸過(guò)程的微波衰減，可以通過(guò)測(cè)量微波通過(guò)某一物質(zhì)的衰減量進(jìn)而可以得到這個(gè)物質(zhì)的某些特性。目前已有基于微波檢測(cè)原理的覆冰監(jiān)測(cè)裝置掛網(wǎng)運(yùn)行，運(yùn)行效果良好。

2 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)機(jī)覆冰預(yù)警技術(shù)是風(fēng)機(jī)防冰除冰技術(shù)的關(guān)鍵，對(duì)于保障風(fēng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。風(fēng)機(jī)覆冰預(yù)警技術(shù)應(yīng)包括高精度氣象預(yù)測(cè)預(yù)警技術(shù)和風(fēng)機(jī)部件覆冰在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。高精度氣象預(yù)警技術(shù)可運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)綜合氣象部門(mén)提供的大范圍氣象預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與自建微氣象監(jiān)測(cè)站采集的風(fēng)場(chǎng)當(dāng)?shù)貧v史氣象數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)。風(fēng)機(jī)預(yù)警技術(shù)主要應(yīng)聚焦風(fēng)機(jī)葉片覆冰預(yù)警技術(shù)。風(fēng)機(jī)葉片覆冰預(yù)警技術(shù)包括風(fēng)機(jī)葉片覆冰仿真預(yù)警技術(shù)和風(fēng)機(jī)葉片覆冰監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)。風(fēng)機(jī)葉片覆冰仿真技術(shù)研究結(jié)果與實(shí)際情況情況相差較大，難以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。風(fēng)機(jī)葉片覆冰監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)包括視頻監(jiān)測(cè)法和人工觀冰法，光學(xué)性能法，氣動(dòng)噪聲法，葉片結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率監(jiān)測(cè)覆冰法和微波監(jiān)測(cè)法等，其中視頻監(jiān)測(cè)法和人工觀冰法已實(shí)用化，微波監(jiān)測(cè)法前景較好。