淺談風機葉片覆冰情況分析及運行監控

王雪冬

摘要：由于全球范圍內能源短缺和生態環境的日益惡化，人們逐漸認識到風能的地位和作用，越來越清醒地認識到開發清潔能源、保護大氣環境已是迫在眉捷。風能的利用價值和地位日益顯著，近5年來，我國利用風力發電的研究得到了迅速的發展，且效果顯著。本論文詳細介紹了研究風力發電機葉片防覆冰技術的目的和現實意義，對葉片表面覆冰形成的過程及條件作了詳細介紹，通過葉片覆冰情況分析和風機遠程監控及時發現葉片覆冰狀況，得出葉片覆冰影響以及解決方案。

關鍵詞：風機葉片；覆冰；影響；解決方案

中圖分類號：TK83 文獻標識碼：A

0 引言

隨著人們逐漸認識到風力發電在減輕環境污染、調整電網中的能源結構以及解決偏遠地區居民用電問題等方面的突出作用，無論從調整電網結構，還是從商業化方面都使人們開始重視發展風力發電。風電也成為近年來世界上增長最快的能源之一。截至2016年底，我國風電裝機總量達到約168，690MW，占全球風電累計裝機總量的34.7%。，然而風電迅猛發展的同時，并網風機對電網影響的逐步加大，也對風電設備的安全穩定運行提出了更高的要求。

1 風機葉片覆冰的目的和意義

隨著目前的二氧化碳排放，酸雨，能源短缺等問題變得越來越激烈，風能作為一種清潔的可再生資源，任何傳統能源都無法避免的環境污染問題，在世界范圍內得到了越來越多的重視。我國有遼闊的草原和漫長的海岸線，風能儲量豐富，然而豐富的風力資源主要分布在寒冷的北部和潮濕的沿海地帶，其環境非常惡劣[4]。風力發電風機在攝氏零度以及零度以下低溫條件下運行時，如果遇到潮濕空氣、雨水、鹽霧、冰雪，特別是遇到過冷卻水滴后，就會發生凍冰現象。風機葉片覆冰后，會產生很大的危害。

葉片覆冰后就會產生較大的冰載，影響葉片的壽命，而且加載在每個葉片上的并載不盡相同，使得機組的不平衡載荷增大，若繼續運行，對機組產生非常大的危害，若停機，常年處于低溫地區的機組利用率大大降低[1]。

風機葉片覆冰后，由于葉片每個截面覆冰厚度不一，使得葉片原有的翼型改變，大大影響風電機組的載荷和出力，使得風機的發電效率大打折扣；

葉片表面覆冰后，隨著溫度升高，冰塊就會脫落，會對機組和現場人員造成很大的安全隱患。

在我國，風電機組大多安裝在常年冰雪環境及其惡劣的北方，以及濕氣鹽霧較嚴重的沿海地帶，我國各省市多發大霧及凍雨天氣的地區，每年的2、3月份和11月份尤其嚴重，在這種天氣下，風機極易發生葉片覆冰狀況[2]。如果葉片結冰，不僅機組出力差，利用率低，風機會發生不同程度的出力不足現象，影響設備穩定運行，嚴重者更會導致損壞葉片、風機倒塔，甚至對人身安全帶來威脅。因此開展預防風機結冰新技術研究具有重要的現實意義。而2、3月份和11月份又是每年的大風季節，風機的發電量勢必受到嚴重影響。如何通過對風機遠程監控，及時的發現葉片覆冰狀況？風機葉片覆冰時應該如何正確處理等一系列問題應引起我們的關注和思考[3]。

2 葉片覆冰情況分析

環境氣溫在零度左右時的大霧及凍雨天氣是造成風機葉片覆冰的主要原因。此時的風機葉片會觸碰到較低的云層。葉片覆冰初期，葉片表面有薄冰形成，會導致風機出力不足、風速與功率不匹配現象；當葉片覆冰嚴重時，因葉片表面形成的不規則覆冰，改變了葉片的氣動外形，從而導致了葉片失速可能比設計預期提前或延后。那么變槳控制也會隨之做出錯誤判斷。發電功率出現較大幅度的振蕩，并隨覆冰程度直至衰減到零功率運行。（葉片覆冰所引起的風機出力不足，不屬于風機降容運行，風機的發電機轉矩不會隨之發生變化）。

3 通過風機遠程監控及時發現葉片覆冰狀況。

在遇有這種天氣時，運行人員應加強設備監視，細心觀察風機監控系統中的風速、風向、出力及風機變槳角度、發電機轉矩、發電機轉速和風輪轉速等參數變化。及時發現葉片覆冰狀況。運行人員在對風機監控系統觀察時，可由以下幾方面進行比較和判斷：

（1）負荷參數的對比分析：對鄰近風機及同一集電線路上的風機進行參數對比。如在相同風速和風向時，臨近風機是否發生負荷差異過大的情況；這種負荷差異的情況，在風速較大時表現的會比較明顯，而在風速較小時需仔細觀察。

（2）功率曲線的對比分析：如發現有負荷差異過大的風機，繼續觀察此風機的瞬時風速、60s平均風速和10min平均風速，并與該型號風機的功率曲線進行對比分析，做進一步判斷。

（3）對風角度、風向的對比分析：檢查該風機的偏航角度、對風角度、瞬時風向及25s平均風向等參數，觀察風機兩個風速風向儀數據是否一致，并與鄰近風機的對風角度相比較，以此判斷是否為風機的風速風向儀發生故障而排除由于葉片覆冰影響導致；

（4）對風機變槳情況的觀察分析：觀察風機三個葉片的變槳角度，是否可隨風速、負荷的變化進行正常變槳（因葉片結冰改變氣動外形，且葉片載荷發生變化，變槳控制系統會使槳葉在10°以上角度頻繁調整）。

（5）排除其它影響風機出力的缺陷：查看該臺風機其它運行參數及近期的設備記錄，考慮是否發生過變頻器出力不足等相關的缺陷。

（6）借助風機監測、監控設備分析風機主傳動鏈運行情況：注意觀察并記錄風機振動監測系統的數據變化，此數據為安裝在風機主傳動鏈上多個位置的傳感器的振動反饋數據，可以實時反映風機主軸前后端、齒輪箱及發電機等主設備的振動情況。同時密切監視風機機艙的監控畫面，及時發現風機機艙內部的異常情況。

（7）葉片結冰初期，也可以對葉片帶動風嘯的異音進行判斷；

但葉片覆冰發生時，風機運行拋出的冰層碎塊或掉落的大冰塊可能會傷害到風機附近的人或物，不建議工作人員到現場查看。如確認葉片發生覆冰情況，應停止風機運行，以免發生人身傷害及設備事故。

4 葉片覆冰影響及解決方案

葉片覆冰導致風機出力不足，影響設備穩定運行。如果風機在葉片發生結冰情況時，仍繼續長時間運行，會使葉片應力發生變化，導致葉片性能降低，使用壽命縮短；風機結構自身的完整性也會受到結冰葉片的不平衡或不對稱的影響。使風機部件改變原有頻率引起共振，也會增大風機的疲勞載荷。空氣密度的上升可能會增大載荷和最大功率輸出。如果風機沒能自動反應做出保護控制，發電機或傳動鏈可能會燒壞，齒輪箱可能過載或損壞，甚至導致風機倒塔事故發生。覆冰后風機葉片繼續旋轉，葉片上的結冰可能被拋離葉片，并會被拋出數百米遠。這些落冰可能會損害附近的建筑物和車輛，甚至會傷害到風場的工作人員或者其他人員，埋下了嚴重的安全隱患。

我國各地區的風場已發生過多起因凍雨天氣導致的葉片結冰。解決葉片覆冰問題應引起我們的重視。現階段有兩種解決方案：一種是在葉片內部加裝加熱器（通過在杭州運達風機廠家學習了解）；另一種是在葉片表面涂刷新型防結冰涂料，可有效避免冰水在葉片表面停留。

參考文獻：

[1]邴浩，曹樹良，譚磊.混流泵葉輪設計正反問題迭代方法[J].排灌機械工程學報，2011（04）

[2]丁駿，杜鑫，姜斌，孫士珺，王松濤.三維葉片技術對離心風機氣動性能的影響[J].中國電機工程學報，2012（32）

[3]戎瑞.離心風機仿生葉片的設計及流動特性研究[D].華北電力大學，2013

[4]顧桂梅，王崢，汪芳莉.基于軸向振型差變化率的風輪葉片結構損傷識別方法研究[J].玻璃鋼/復合材料，2014（11）endprint