一種風電機組葉片氣熱內循環除冰裝置的研究應用

曾益民

大唐華銀(湖南)新能源有限公司 湖南 長沙410000

1 引言

某南方山地風力發電場發電瓶頸多積郁在冬季葉片結冰導致的主動棄風,然而冬季多為季節變化以及山區與城市冷熱交換時期,該時節具有風速較大,且南方電取暖用電負荷高、水電處于冬枯期受限電影響小,充分利用該季節可顯著提高風電場利用小時數。作為風電場運營單位在該時期對風機的運行方式多以經驗武斷,或是直接棄風放棄該時段有效風頻。葉片覆冰運行風險較大有導致葉片損失甚至折斷的風險,而直接棄風將導致大量的電量損失。

2 基于直驅式同步永磁單軸承風力發電機組葉片氣熱內循環除冰技術

2.1 葉片氣熱內循環系統結構及原理 葉片通風加熱除冰系統采用氣熱法除冰方式,其主要部件包括鼓風機、空氣加熱器、通風管等部件組成。鼓風機和空氣加熱器安裝在葉片根部,導管延伸至風力機葉片葉尖等容易結冰處。其工作原理如下圖所示,空氣加熱器將空氣加熱,而后通過鼓風機經通風管將熱空氣輸送至葉尖。并在前、后緣腹板形成對流。

圖1 葉片加熱控制回路圖(1、加熱器2、風管3擋板)

2.2 葉片氣熱內循環除冰系統設計

2.2.1 加熱系統設計 加熱系統主要由鼓風機和加熱器組成,加熱器采用的是33個獨立的PTC加熱器并聯組合而成,分為3檔加熱,根據葉腔內部的溫度選擇投切PTC的數量。10k W加熱并聯11個PTC加熱器進行加熱,20k W加熱并聯22個PTC 加熱器進行加熱,30k W加熱并聯33個PTC加熱器進行加熱。

PTC加熱器有熱阻小、換熱效率高的優點,是一種自動恒溫加熱器。它的一大突出特點在于安全性能上,即遇風機故障停轉時,PTC加熱器因得不到充分散熱,其功率會自動急劇下降,從而不致產生如電熱管類加熱器的表面“發紅”現象,從而引起火災的隱患。

2.2.2 通風系統設計 通風系統主要包括通風管道及擋板兩部分組成,將加熱器和鼓風機吹出來的熱風通過波紋管連接14.4米的通風管道吹向葉尖位置,通過擋板葉尖,然后返回至葉根。

2.2.3 控制系統設計 通控制系統包括后臺軟件系統和機組就地控制系統組成,后臺軟件系統手動控制各葉片加熱系統的啟停和數據管理,機組就地控制系統自動控制機組各葉片的恒溫和數據采集。采用光纖通訊將通風加熱除冰系統控制送至風場控制室。

通風加熱除冰系統結合分散控制集中管理(DCS)和PLC控制系統的特點,將信號采集和控制置于輪轂控制柜內,將通風加熱裝置置于葉片內,形成一個自動溫度系統;考慮PTC加熱器的特性,充分發揮PTC加熱器的保護和溫升調節功能。控制器檢測三個葉片的加熱器出口和擋板PT100傳感器的溫度,依據通風加熱除冰系統內部的邏輯,控制鼓風機和加熱器的電源的投切。

圖2 加熱控制系統示意圖

3 葉片氣熱內循環除冰技術應用要求

首先,要求被改造機組屬于直驅式單軸承內轉子風力發電機組結構,這種結構的機組可以直接從機艙進入輪轂,便于有效獲得發電機、主軸承的余熱,且加熱通風管布置簡單。其次,要求風電場運營方提前掌握天氣變化情況,當外界環境溫度接近0℃,空氣濕度80%以上,根據經驗葉片會發生凝冰,運行人員觀察風速與機組出力明顯不匹配,手動啟動葉片氣熱除冰系統。鼓風機啟動120s,10k W加熱器、20k W加熱器接觸器吸合同時投入加熱,當加熱器出口檢測溫度達至恒溫氣控溫度時,10k W加熱器接觸器斷開退出運行,保留20k W加熱器運行。當加熱器出口檢測溫度達至恒溫氣下限時,20k W加熱器接觸器斷開退出運行,10k W加熱器投入運行,當加熱器出口檢測溫度達至恒溫上限時,10k W加熱器、20k W加熱器接觸器斷開同時退出加熱,當溫度低于下限溫度時,啟動10k W加熱器進行加熱。

4 葉片氣熱內循環除冰系統運行結果分析

表1 南方某風電場風機運行紅外成像的記錄

通風加熱除冰系統外界環境溫度大于0攝氏度以上、空氣濕度低于90%的運行環境及葉片輕微結冰的時,此時通風加熱除冰系統產生的熱量大于葉片向周圍環境釋放的熱量,運投入通風加熱除冰裝置有加速葉片融冰的效果,實際運行的功率曲線和參考曲線基本一致,對風機的運行還是有明顯的效果。每加熱一小時葉尖溫度升高1.2℃左右,葉根升高0.4℃,當達到產生的熱量和釋放的熱量達到平衡時,葉根和葉尖的溫度也不再升高。

當外界溫度不低于-3攝氏度,空氣濕度不大于94%時(線路覆冰8 mm左右),此時加熱除冰系統產生的熱量和葉片周圍環境釋放的熱量均等,風機可運行,但是功率曲線稍有偏差,風機葉片除冰系統需長時間投運。運行過程中當葉片向周圍環境釋放的熱量大于葉片除冰裝置產生的熱量時,葉片會結冰停機,需要對葉片進行靜態加熱,加速融化葉片表面的冰塊,重新進行啟動。環境溫度-3攝氏度,空氣濕度94%的運行條件下,通風加熱除冰系統產生的熱量和葉片向周圍環境釋放的熱量基本達到了一個平衡,葉片結冰后續要對風機進行停機靜態加熱除冰后風機能夠啟機。

隨著溫度降低和空氣濕度增大及持續冰凍等情況,葉片除冰系統產生的熱量小于葉片向周圍環境釋放的熱量時,持續的開啟葉片除冰系統產也不能夠產生加速融化葉片表面的冰塊。

7 結語

本葉片氣熱內循環除冰技術屬于表面間接加熱技術,根據直驅式單軸承內轉子風力發電機組的機構特點,并結合該機型的運行時發電機、主軸承、輪轂的溫度情況提出。該設計方式主要是針對在知曉有降溫過程前提前轉入葉片加熱狀態,實現機組不停機加熱葉片,主要應對克服因霧凇停機,確保機組在輕結冰期間的連續運行,以提升機組利用小時。該技術具有改造成本低、改造工程量小、無需停機加熱、可以連續運行等優點,但加熱時間長、加熱效率低、難以應對極端天氣。