基于電加熱方式的大型風機除冰系統研究與應用

程樂

摘要： 通過對風機葉片電加熱除冰系統的研究，并在風電場得到批量應用。通過對運行數據的統計分析，得出電加熱系統的除冰效率。同時針對風電場的實際氣候條件，對機組的控制策略進行進一步優化，以達到減少凝冰損失電量的目的。

關鍵詞： 風機;葉片;電加熱;發電量

引言

目前國內外風機防凝冰研究的技術路線主要是葉片涂層以及熱風式加熱除冰，其中葉片涂層容易受風沙的侵蝕，而熱風式加熱除冰由于葉片面積較大，無法達到有效的除冰效果。

因此本文提出的基于電加熱方式的葉片防凝冰技術路線，是在葉片表面鋪加熱膜，直接對葉片表面進行加熱，可以提高加熱效率，較少凝冰損失電量。

風機電加熱除冰系統概述

風機電加熱除冰系統原理

風機電加熱除冰系統主要包括：機組除冰供電系統、結冰檢測系統、葉片加熱系統、葉片溫度監控系統以及除冰控制系統。

葉片加熱系統說明

葉片加熱系統包括：加熱膜、絕緣材料、金屬網，加熱控制板和溫度監控板，溫度傳感器，銅柱等。

電加熱膜鋪層結構

葉片前緣位置鋪設電加熱膜，電加熱膜的功率密度為275W/㎡。電加熱膜外側再鋪設防雷金屬網，用于保護加熱膜。（雷電擊點落到加熱膜區域時金屬網會將雷電流導走）。

葉片加熱膜布置

一是距葉根5m至20m上下殼體各鋪設兩條加熱膜，20m至37m上下殼體各鋪設一條加熱膜（考慮加熱區域應包含葉片前緣至葉片翼型最大厚度位置，即前緣至30%弦長位置）。

二是加熱膜弦長方向距前緣60mm，同一殼體兩條加熱膜弦長方向相距60mm。

三是考慮加熱效率，加熱膜長度方面每8m一段，長度方面每段相距100mm。

加熱膜電氣接線方式

預埋的電源線與銅柱連接，銅柱再分別和加熱膜連接。

加熱控制和溫度監控采集

葉片加熱控制柜中主要有葉片加熱控制板和溫度監控板。加熱控制板負責給各個區域的加熱膜供電;溫度監控板通過溫度傳感器（PT100）監測葉片加熱膜區域溫度，當溫度超過設置值時，停止對加熱膜的供電。同時溫度監控板需要把檢測到的溫度數據通過信號轉換為profibus‐DP信號，接入變槳柜發給主控系統。

防雷系統

葉片表面布置電加熱膜，金屬網的布置區域覆蓋加熱膜，弦向長出加熱膜50mm，軸向長出100mm。在葉片根部，使用鋁板和金屬網全面接觸，之后將鋁板使用導線連接到引下系統。

風機電加熱控制說明程序

風機觸發風速功率不匹配（風機實際功率低于理論功率的25%）結冰停機，風機啟動葉片加熱除冰系統，加熱40分鐘后，風機啟機并網，如果風機再次觸發風速與功率不匹配故障，風機停機，再加熱40分鐘啟機并網，重復此過程5次后，風機會報自啟動次數超限故障停機，需人工干預復位啟機。

風機電加熱系統運行數據分析

以某臺風機為例，圖6是從2019年2月8日0點到2019年2月11日24點風機運行數據。

從圖3中可以看出，2月8日22：30開始機組結冰，2月11日環境溫度升高，接近–2度，存在自然融冰環境，由此可以認為本次結冰期結束。

此期間，機組通過葉片加熱除冰系統，在結冰停機后經過40分鐘的葉片加熱過程，啟機發電，在結冰期的開始階段，通過加熱除冰后，機組能夠正常發電，該過程持續兩次，后因環境太惡劣，機組葉片加熱除冰后很快葉片又覆上冰，機組不能正常發電。

從圖3中可以看出，在結冰初期，機組結冰停機后，通過葉片加熱除冰，再次啟機時機組能正常發電;但是在結冰嚴重的時候，停機加熱后，在啟機發電的過程中葉片表面很快又結冰，功率較差。因此只能反復進行停機除冰再啟機發電。其他機組加熱除冰過程類似。

圖3中記錄了風機5次加熱除冰過程，從圖中可以看出，停機期間代表風機在進行加熱，加熱時間基本上都在40分鐘左右。由于風機覆冰嚴重，并網約30分鐘后，風機觸發風速與功率不匹配故障，風機繼續執行停機加熱除冰程序。

通過對0605號風機運行數據進行分析，此期間風機累計發電量73103千瓦時，占風機理論發電量134448千瓦時的54.37%。

總結

通過風機電加熱除冰系統的研究，可以使風機在凝冰情況下，風機實際功率能達到理論功率的54.37%，能解決凝冰時風機無法發電的問題。同時通過對風機的實際運行工況進行分析，可以對電加熱除冰系統控制策略進行進一步優化，進而減少凝冰損失電量。

參考文獻

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