風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片覆冰成因及防凍除冰技術(shù)分析

國家電投集團(tuán)江西電力有限公司 劉忠德 雷和林 周 強(qiáng) 鄔偉駿 懷曉偉

天湖山風(fēng)電場(chǎng)海拔670～1152m，冬季受西伯利亞和蒙古冷高壓的控制盛行偏北風(fēng)，葉片每年的結(jié)冰時(shí)間為25天，結(jié)冰的主要類型是雨凇和霧凇。天湖山風(fēng)電場(chǎng)主要采用的是29#風(fēng)機(jī)，其風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為XE100-2000，采用三葉片、水平軸以及變轉(zhuǎn)速等進(jìn)行控制，葉輪直徑為105m，輪轂的高度是30m，切入風(fēng)速為3m/s，所運(yùn)行的溫度范圍是-30℃到40℃，但如低于-8℃就會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片覆冰成因

1.1 氣象條件

根據(jù)天湖山風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電機(jī)組葉片的覆冰情況可以了解到，環(huán)境溫度直接影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片覆冰的形成[1]，在-1℃～-8℃的環(huán)境下時(shí)，由于溫度過低很容易產(chǎn)生雪花現(xiàn)象而不會(huì)出現(xiàn)覆冰問題，所以，對(duì)于天湖山風(fēng)電機(jī)組來說，由于其海拔較高、氣溫較低，在冬季容易出現(xiàn)覆冰問題；其次，空氣濕度也是葉片覆冰的主要成因之一，一般來說，在濕度高于85%的環(huán)境下容易出現(xiàn)葉片覆冰現(xiàn)象，還容易產(chǎn)生雨凇。通常情況下，較為容易出現(xiàn)覆冰問題的主要集中在湖南、湖北等地區(qū)，其環(huán)境濕度較高，一般在90%以上。

1.2 地形及地理環(huán)境

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片覆冰極容易受到當(dāng)?shù)氐匦魏偷乩憝h(huán)境的影響[2]，其與山區(qū)地帶的坡向、走向、分水嶺等都有密切關(guān)聯(lián)，尤其對(duì)于山區(qū)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，其葉片覆冰受地形地理環(huán)境影響最大。天湖山風(fēng)電場(chǎng)海拔高度在670～1152m，海拔較高，往往會(huì)直接影響葉片覆冰，而其周邊的地形環(huán)境和相對(duì)高度，也會(huì)影響葉片覆冰。一般來說，風(fēng)況較好的地理環(huán)境，如迎風(fēng)坡、山頂?shù)任恢茫菀壮霈F(xiàn)液冰，也更容易出現(xiàn)嚴(yán)重的葉片覆冰問題。

1.3 過冷卻水滴直徑

通常過冷卻水滴直徑較大，其與葉片接觸面積更大，容易引發(fā)結(jié)冰現(xiàn)象，且潛熱釋放速度相對(duì)較慢。在葉片雨凇覆冰期間冷卻水滴直徑較大，一般在10～40μm 左右；霧凇覆冰時(shí)冷卻水滴的直徑一般在1～20μm 左右[3]。在不同的地面溫度和露點(diǎn)溫度條件下，產(chǎn)生的凍結(jié)高度也各有不同。表1列舉了部分環(huán)境溫度、相對(duì)濕度和露點(diǎn)的關(guān)系。通常情況下，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉輪掃風(fēng)區(qū)域高度在凝結(jié)高度之上時(shí)，該區(qū)域的機(jī)組葉片會(huì)更容易出現(xiàn)嚴(yán)重的覆冰現(xiàn)象。

表1 環(huán)境溫度、相對(duì)濕度和露點(diǎn)對(duì)照關(guān)系

2 葉片覆冰對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的不良影響

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，覆冰的厚度會(huì)在一定程度上影響最大冰跳高度，厚度越大冰跳高度也就越高，二者是為近似滿足線性關(guān)系，覆冰厚度/最大冰跳高度的具體數(shù)值如下：5mm/0.92m、10mm/1.35m、15mm/1.97m、20mm/2.89m[4]。由此可見，當(dāng)覆冰的厚度越厚時(shí)，在脫冰率相同的條件下釋放的能量就越多，而相應(yīng)過程就越強(qiáng)烈、振動(dòng)幅度就越大。并且最大冰跳高度也會(huì)受到檔距的影響。在覆冰均勻的情況下，導(dǎo)線最大冰跳高度會(huì)隨著檔距的不斷減小而變小，通常隨檔距的增大而增大，其增幅基本在6%左右，檔距/最大冰跳高度具體如下：400m/1.1m、600m/1.34m、800m/1.42m、1000m/1.51m。在檔距低于800m 時(shí)，均勻覆冰的冰跳高度會(huì)小于非均勻覆冰情況。

此外，覆冰問題還會(huì)嚴(yán)重影響葉片的質(zhì)量及其運(yùn)轉(zhuǎn)頻率。若葉片覆冰分布不均勻，那么一旦處于結(jié)冰氣候時(shí)，結(jié)冰就會(huì)主要分布在葉片的邊緣，從葉輪軸線到葉尖呈現(xiàn)線性遞增的趨勢(shì)，而覆冰的厚度計(jì)算如下：覆冰厚度=K×（T-T0）×（1+∝×V），式中：T為環(huán)境溫度，T0是結(jié)冰的起始溫度，V是風(fēng)速，K和∝則是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，通過這一公式的計(jì)算就可以解到葉片覆冰厚度的變化。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片防凍除冰技術(shù)

3.1 覆冰檢測(cè)

天湖山風(fēng)電場(chǎng)葉片覆冰的主要原因是地形、溫度的影響[5]，為了能夠更好的除冰，那么就要對(duì)其進(jìn)行覆冰檢測(cè)，通過判斷分析葉片是否存在覆冰現(xiàn)象，分析其特征屬性，采取針對(duì)性技術(shù)措施，包括直接檢測(cè)和間接檢測(cè)兩種方法。

直接檢測(cè)。首先可采用超聲波阻尼方法，利用聲波傳播受冰的影響原理，在檢測(cè)區(qū)域兩端安裝聲學(xué)部件接收檢測(cè)信號(hào)，若信號(hào)發(fā)生變化則證明檢測(cè)區(qū)域有冰，因此其被用為檢測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片覆冰的主要方法之一，能夠有效檢測(cè)1～4mm 左右厚度的冰層；其次可以采用振動(dòng)測(cè)量方式，將振動(dòng)探針放置于與葉片所處的相同環(huán)境當(dāng)中，當(dāng)探針結(jié)冰后質(zhì)量加大，其振動(dòng)頻率會(huì)受影響下降。根據(jù)此原理，若探頭結(jié)冰其振動(dòng)頻率加大，進(jìn)而推斷葉片是否存在覆冰；光學(xué)測(cè)量方法?？梢酝ㄟ^傳感器發(fā)射端光源按照一定角度向冰面斜射，發(fā)生內(nèi)反射反應(yīng)，在冰層上呈現(xiàn)出對(duì)應(yīng)光斑。在進(jìn)行光學(xué)測(cè)量時(shí)可測(cè)出葉片結(jié)冰的密度：ρ=G/（L(A-πr2）），式中：ρ為覆冰密度，G是冰重，π 為圓周率，L是覆冰的長度，A是覆冰的橫截面積，r則是覆冰半徑。

間接檢測(cè)。主要是利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的外部環(huán)境條件和內(nèi)部設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)葉片覆冰情況進(jìn)行推斷：其一，可通過葉片共振頻率判斷覆冰情況。這種方法先記錄葉片在正常工作狀態(tài)下的歷史共振頻率，再對(duì)比覆冰后的葉片共振頻率情況，根據(jù)覆冰會(huì)影響葉片的負(fù)載分布、影響其共振頻率的特點(diǎn)，判斷葉片是否存在覆冰；其二，可通過判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率分析覆冰情況。在風(fēng)電機(jī)組葉片正常狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將其輸出功率作為預(yù)期功率，若實(shí)際運(yùn)行功率小于預(yù)期功率則證明葉片存在覆冰。

3.2 防凍技術(shù)

天湖山風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組葉片在-8℃時(shí)就會(huì)出現(xiàn)覆冰現(xiàn)象，可采用溶液防凍的措施，通過在葉片表面涂抹防凍液的方式降低溶液的冰點(diǎn)，以此降低結(jié)冰的概率。一般可將乙醇作為防凍液在葉片上進(jìn)行涂抹，在葉片運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中防凍液就會(huì)隨之運(yùn)動(dòng)并與水滴相融合，同時(shí)落在葉片上，此時(shí)的溶液冰點(diǎn)會(huì)有所下降，進(jìn)而起到防凍作用。對(duì)于乙醇溶液來說，其冰點(diǎn)降低的公式如下：ΔTf=Kf×m，式中：ΔTf是冰點(diǎn)的下降值，Kf是溶劑的冰點(diǎn)降低常數(shù)，m是溶質(zhì)的質(zhì)量摩爾濃度，其中m的計(jì)算如下：m=W/M，式中：W是乙醇的質(zhì)量，M是乙醇的摩爾質(zhì)量，大約是46.07g/mol。溶液防凍技術(shù)在實(shí)際操作過程中需要使用大量的防凍液隨時(shí)補(bǔ)充，且其維持時(shí)間相對(duì)較短，同時(shí)容易受到周圍環(huán)境影響。

涂層防冰。該技術(shù)主要是將某些具備特殊性能的涂料在葉片上進(jìn)行涂抹，對(duì)葉片與冰層之間的粘結(jié)力起降低作用，甚至直接將冰層融化，以此防止葉片覆冰出現(xiàn)。目前常使用的土層材料主要包括有機(jī)硅、丙烯酸、聚四氟乙烯等能夠有效發(fā)揮其防凍功能，保護(hù)葉片免受覆冰影響。

熱能防凍。該技術(shù)主要通過熱能處理手段對(duì)葉片覆冰進(jìn)行處理，通過對(duì)熱能保護(hù)機(jī)中的重要零部件進(jìn)行加熱的方式，使其表面溫度升高，超過冰點(diǎn)溫度，進(jìn)而起到防凍防結(jié)冰的作用。就當(dāng)前的熱能防凍技術(shù)應(yīng)用情況來看，通常采用氣熱和電熱兩種方法。其中，氣熱主要是在葉片的空腔中安裝通風(fēng)管道，對(duì)其進(jìn)行加熱，并使用鼓風(fēng)機(jī)在內(nèi)部各零件之間傳輸熱風(fēng)對(duì)整體進(jìn)行加熱，破壞葉片覆冰環(huán)境條件；電熱防凍主要是在葉片中安裝防冰裝置，使得葉片在運(yùn)行的過程中將電能轉(zhuǎn)化為熱能，對(duì)易覆冰的位置進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)，以此降低覆冰發(fā)生的概率。

3.3 除冰技術(shù)

3.3.1 機(jī)械除冰技術(shù)

機(jī)械除冰技術(shù)主要是通過機(jī)械或人工操作的方式直接將葉片上的覆冰層去除[6]。首先將冰層擊碎，再使用離心力或震動(dòng)的方式使得碎冰與葉片相分離，將葉片上的冰層完全去除。目前在實(shí)際操作過程中，大部分會(huì)選擇人工除冰的方式，先將葉片表面的冰層擊碎，再借助物理手段將冰層全部去除。這種方法操作便捷且具有較高的適用性，但需注意將葉片關(guān)閉后再進(jìn)行操作，以保證除冰的安全性。

3.3.2 熱能除冰技術(shù)

原理類似于熱能防冰技術(shù)，其能夠利用不同類型的熱能對(duì)零件表面進(jìn)行加熱，使其表面溫度提高，進(jìn)而促進(jìn)葉片覆冰的融化，將葉片表面的冰全部清除。熱能除冰技術(shù)主要分為三種不同類型。

自身散熱除冰技術(shù)。將除冰抗凍系統(tǒng)安裝于葉片之上，葉片運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生熱量，由除冰抗凍系統(tǒng)對(duì)熱量進(jìn)行吸收，再利用循環(huán)系統(tǒng)使得吸收的熱量傳輸?shù)饺~片的各部位，發(fā)揮除冰效果。自身散熱除冰技術(shù)在實(shí)際操作中存在一定缺陷，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片本身較厚、體積較大，所以其周圍的溫度相對(duì)較低，僅依靠自身所散發(fā)的熱量，要想將覆冰全部融化難度較大[3]。

葉片微波除冰技術(shù)。通過微波加熱的方式對(duì)葉片進(jìn)行加熱，使得葉片覆蓋的冰層逐漸脫離葉片表面，粘附力不斷下降，加之在葉片運(yùn)行過程中覆冰容易受離心力和重力的影響，自然會(huì)從葉片上脫落，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)覆冰的去除效果。這種除冰方法在應(yīng)用過程中相對(duì)較為復(fù)雜，需要安裝多個(gè)微波裝置，且安裝和后續(xù)維修難度都相對(duì)較大，若是安裝不夠均勻，那么除冰效果也就不夠均勻，甚至可能會(huì)損傷葉片本身，影響機(jī)組的運(yùn)行。當(dāng)葉片上有覆冰時(shí)，開啟電熱加熱裝置，使其運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生動(dòng)能，通過其熱能轉(zhuǎn)化將葉片表面溫度提升至0℃以上，將葉片上的冰層清除，可以有效降低冰凍對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的危害。這一方法在實(shí)際操作過程中，需要在葉片上安裝加熱裝置，容易使得葉片的運(yùn)行受到影響，加大其損壞的可能性，甚至導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行出現(xiàn)故障。

激光除冰技術(shù)。利用激光束對(duì)冰雪表面進(jìn)行高能量密度的照射，使冰雪局部升溫并融化而實(shí)現(xiàn)除冰效果。激光除冰技術(shù)通常用于對(duì)小面積或特定部位的冰層進(jìn)行精準(zhǔn)去除。

3.3.3 氣動(dòng)帶除冰技術(shù)

也稱為膨脹管除冰技術(shù)，在葉片的前端邊緣處安裝膨脹管，一旦葉片出現(xiàn)覆冰膨脹管就會(huì)受影響發(fā)生膨脹，直接將機(jī)組葉片上的冰層震碎，使得震碎后的覆冰脫落，以此達(dá)到除冰的目的。在此環(huán)節(jié)中需要使用多個(gè)外加包裝，如膨脹管、充氣泵、輸氣管等，利用泄壓閥將其中產(chǎn)生的氣體全部排出后葉片就會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)，進(jìn)而發(fā)生持續(xù)的充氣和排氣動(dòng)作，葉片在不斷振動(dòng)下將覆蓋上面的冰層震碎[4]。

3.3.4 電磁脈沖除冰技術(shù)

電磁脈沖除冰技術(shù)利用在葉片上安裝電磁線圈的方式，一旦葉片上出現(xiàn)覆冰電磁線圈就會(huì)在此作用下被影響，出現(xiàn)反復(fù)斷電和通電的問題，進(jìn)而對(duì)葉片上的覆冰起到去除作用。電磁脈沖除冰技術(shù)的應(yīng)用能夠保證覆冰去除的效率，且不需消耗過多的能量，因此在輸電線路中已被廣泛應(yīng)用。在應(yīng)用時(shí)也要注意涂層防冰，結(jié)合主動(dòng)型除冰方案，保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)安全高效運(yùn)行[5]。

3.3.5 超聲波除冰技術(shù)

超聲波除冰技術(shù)利用超聲波所產(chǎn)生的能量對(duì)葉片及其相關(guān)零部件上的覆冰層進(jìn)行清除。超聲波有兩種導(dǎo)波且存在兩種不同的傳播方向，空氣介質(zhì)也可傳播超聲波，利用該原理可有效通過超聲波傳播引起葉片振動(dòng)，使覆冰逐漸從葉片表面脫離[6]。