風力發電機組葉片覆冰及防范策略

李建強

摘 要：本文首先分析風機葉片覆冰原理及工況條件，然后探討風機葉片覆冰的危害及判斷，之后分析風機葉片覆冰檢測及保護控制，最后提出風機葉片防覆冰措施，包括熱能防冰除冰和涂層防冰，以期為有效應對風機覆冰、提升風機安全性及經濟性提供參考。

關鍵詞：風力發電機組葉片;覆冰;防范策略

中圖分類號：TM315文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）14-0034-03

Abstract： This paper first analyzed the principle and working conditions of fan blade icing， then discussed the harm and judgment of fan blade icing， then analyzed the detection and protection control of fan blade icing， and finally put forward the anti icing measures of fan blade， including thermal anti icing and de icing and coating anti icing， in order to provide reference for effectively dealing with fan icing and improving fan safety and economy.

Keywords： wind turbine blades;icing;preventive measures

風機覆冰是山地風場常見故障之一[1]。風機覆冰后，存在極大的安全隱患。據此，本文針對風機葉片覆冰工況條件進行分析，對風機覆冰檢測及保護控制機理進行闡述，并提出了防止風機葉片覆冰的控制策略。

1 風機葉片覆冰原理及工況條件分析

影響風機運行的覆冰類型主要有云中覆冰和降水結冰。其中，云中覆冰是指過冷水滴高速拍打到結構表面之后凍結，可形成明冰和霜冰。明冰形成的過程較慢，因此，相對密實，成透明色，附著力大;而霜冰形成較快，冰粒之間充滿空氣，因此，成乳白色，附著力小。降水結冰主要指融雪結冰，附著力適中。

風機葉片覆冰工況如表1所示。對風電場現場葉片覆冰數據進行分析得出以下結論：溫度在0 ℃附近（-2～2 ℃），且濕度在80%左右工況下，風機葉片容易形成覆冰;空氣溫度一定時，結冰速度隨相對濕度呈單調增加關系;在某一濕度條件下，溫度越低，凍結速度越快;在氣溫和濕度一定時，結冰時間越長，冰層越厚;凍結時間變長以后，凍結厚度增加速率有減緩的趨勢。

2 風機葉片覆冰的危害及判斷

2.1 風機葉片覆冰的危害

2.1.1 葉片覆冰對機組運行的影響。靜態方面，明顯改變葉片的氣動翼型、質量分布和截面剛度。動態方面，葉片氣動載荷不平衡，增大振動;慣性載荷不平衡，風輪動平衡失衡，剛度增大，耐疲勞性能顯著降低。

2.1.2 葉片覆冰的危害。葉片覆冰會影響功率曲線，振動加劇損壞傳動件、連接件;嚴重影響風輪、傳動鏈壽命及整機壽命;工況嚴重時，導致葉片斷裂。葉片覆冰后，隨著氣溫回升，冰塊會脫落，存在極大的安全隱患[2]。

①造成設備損壞。風機覆冰，風機葉片的空氣動力學輪廓就會受到影響，葉片表面的大量覆冰會引起風機的附加載荷與額外的振動（不平衡），從而降低其使用壽命。在極端情況下，積冰甚至會造成風塔整體坍塌或局部破損。

②造成人身傷害。如果覆冰后風機葉片繼續旋轉，落冰可能被拋出一段距離，如果沒有遇到阻礙物，甚至可能會被拋出數百米遠。被拋出的落冰可能會損害建筑物和車輛，甚至會傷害風場附近的人員。

③造成發電量損失。風機葉片覆冰后還會影響風電場的發電量。風機葉片掛冰運轉或停運，風場發電量都會大幅度減少。

2.2 風機葉片覆冰現象判斷

風機葉片覆冰基本可以通過五點判斷：①風場風機均不同程度（根據覆冰量）出現功率下降、嚴重偏離風機設計功率曲線情況;②風機風速儀（2個）顯示均正常，偏差小，所有風機類比均正常，風速測量正常;③風機風向儀（2個）顯示正常，檢查風機偏航對風角度與風向角度均在10°以內（各機型控制死區不一樣），風機對風正常;④無自動發電量控制（Automatic Generation Control，AGC）、電能質量后臺、手動等限制功率情況下，風機參數均正常且風機葉片全開（0°）;⑤風機機艙溫度在-5 ℃以下，且伴隨有大雪、大霧、大雨等高濕度天氣，功率下降變化速度快。

出現上述五點情況后，應及時停運風機（根據風機廠家給予的安全紅線確定），然后前往現場確認風機情況，對現場設備進行檢查。

3 風機葉片覆冰檢測及保護控制

在現有機型上加裝溫濕度傳感器，利用功率曲線匹配性、機艙振動和變槳電機轉矩偏差軟件進行檢測，以綜合判斷風機葉片是否結冰，從而確保在覆冰情況下能對風機進行有效保護，以減少覆冰對風機部件的影響[3]。

3.1 控制系統保護一

智能覆冰運行控制策略通過判斷葉片的結冰情況，自動控制風機在安全工況下運行。借助上述結冰檢測輸出結果，判斷機組結冰運行狀態，并通過主動控制機組氣動特性，使其獲得更優的載荷和發電功率。具體結冰狀態下的運行情況分為以下三種模式。

3.1.1 風機冰凍保護性運行模式。針對初期覆冰較少，機組通過在線軟件的實時監測功能，判別冰凍及覆冰情況，自動進入冰凍運行模式。通過槳距角提升的變化來減少葉片進入失速狀態的概率，使處于失速情況下的翼型回到翼型正常運行攻角范圍以內，升力系數得到一定提高，并且不引起葉片的顫振，從而保證機組運行的可靠性。

3.1.2 葉片結冰嚴重時的主動停機模式。隨著天氣環境的進一步惡化，葉片覆冰可能會加劇，從而導致葉片翼型的啟動特性喪失，不能再有效捕獲風能。在此情況下，機組可能表現為大風下風機出力不足額定功率的10%。此時，機組會出現頻繁啟停機的現象，由于振動過大或者無法達到并網條件，機組會在連續3次振動故障后停機保護，確定葉片覆冰無法運行。

3.1.3 冰凍恢復啟機模式。機組會連續通過軟件在線監測功能，判斷冰凍條件，當判斷為非冰凍模式后，機組將重新啟動。可通過啟動運行的功率以及振動情況判斷機組覆冰消除情況，如果可以正常啟動，則會進入正常運行模式，若仍有振動故障或有功出力無法達到預期目標，機組將嘗試啟機3次，如果啟機均失敗，機組將進一步停機，等待覆冰消除。覆冰功率曲線如圖1所示。

3.2 控制系統保護二

3.2.1 敏感型結冰保護。當輕度結冰，觸發輕度結冰警告線（理論發電功率55%）時，進行保護性停機。

3.2.2 帶冰運行模式。在非嚴重結冰狀態下觸發輕度結冰警告線后，通過變槳策略降低負載，實現帶冰運行;在機組嚴重結冰觸發嚴重結冰報警線（理論發電功率25%）時，保護性停機;在結冰且有大風的情況下，同樣進行保護性停機。

在上述兩種模式觸發停機后，機組判斷環境溫度變化，溫升超過[T] ℃持續[H]小時，會自動啟機。覆冰功率曲線如圖2所示。

4 風機葉片防覆冰措施

4.1 熱能防冰除冰

熱能防冰除冰是利用各種熱能加熱葉片，使葉片表面溫度超過0 ℃，以達到防冰和除冰的目的。該方法包括兩種主流的方式：氣熱和電熱。

4.1.1 氣熱防冰、除冰。在輪轂內部設置加熱裝置，在葉片內安裝暖風通氣管道，讓輪轂內的暖氣在管道內循環[4]，如圖3所示。該系統是在葉片保持原有結構不變的情況加裝加熱設備和熱風管路，具有較廣的適用性。無論是新做的葉片還是風場已經運行的機組，均可加裝該裝置實現葉片的防除冰。

由于葉片主體材料導熱性能較差，因此，通過輪轂內置加熱裝置產生的空氣熱能傳導至葉片表面的效率較低。無論是防冰還是除冰，均需要較長的時間，消耗的電能也較多。同時，由于需要加裝各種設備以及升級輪轂內部預留電纜的功率，改造投入的成本較大。

4.1.2 電熱防冰、除冰。在葉片制作時，預埋由加熱元件、轉化器、過熱保護裝置及電源組成的電熱防冰系統[5]。葉片加熱膜結構如圖4所示。該方式的主要機理是在葉片上敷設一層電阻加熱元件（如碳布等），通電后電阻加熱元件將電能轉換為熱能，使葉片表面溫度升高。距葉尖1/3部分葉片保證了整個葉片90%風能捕獲，而距葉根2/3區域的葉片對功率產出貢獻較小。由于加熱元件成本較高，所以選擇在葉片前緣距葉尖1/3段開始敷設加熱元件，這樣既能對風能轉換的關鍵部位快速除冰，又能兼顧成本。

葉片內置加熱膜的方式能較好地實現防冰、除冰，但也存在一些問題。該方案適用于新制葉片，并不適用于風場現有葉片的改造升級。由于葉片采用電加熱，葉片內部鋪設有加熱電阻絲，存在較大的雷擊風險。受葉片偏振和揮舞的影響，葉片內置的加熱電阻絲極易發生斷裂或失效，后期對這種問題的維修是極其困難的。

4.2 涂層防冰

涂層防冰的原理是荷葉效應。超疏水涂層具有很高的水接觸角，使水不易在表面浸潤和附著，而是形成水珠，只要表面輕微擾動或傾斜，水珠就從表面滾落下來，故表面不易結冰。而且其表面的微納米結構也具有抑制過冷水凝固結冰的作用，同時水珠還能將黏附的灰塵顆粒帶走，起到自清潔的效果。

現有的涂層防冰技術不能完全解決葉片結冰問題，只能在一定程度上延緩結冰以縮短葉片結冰周期，并且涂層本身的壽命普遍較短。疏水性防冰涂料在短時間內具有一定的防冰效果，但是長期防冰效果并不理想。

綜上所述，上述三種方案的對比結果如表2所示。

5 結論

對于風機葉片防水除冰，電熱除冰效果最好，但該方式主要適用于新安裝的風機葉片;氣熱除冰的經濟性還有待現場驗證;目前較保險的方案是涂層防冰，雖然其防冰效果時間較短，但可以定期涂刷防冰涂層。

參考文獻：

[1]龍源電力集團股份有限公司.風力發電基礎理論[M].北京：中國電力出版社，2016：28-56.

[2]蘇紹禹.風力發電機設計與運行維護[M].北京：中國電力出版社，200：46-56.

[3]雙妙，宋波.風荷載的非高斯性對風機結構疲勞損傷的影響[J].哈爾濱工業大學學報，2017（12）：152-158.

[4]蘇銀海.小型垂直軸風機低風速下性能優化的實驗研究[D].南京：東南大學，2016：25.

[5]申曉東，時連斌，劉洪海，等.風力發電機組防覆冰技術研究[J].電氣技術，2013（6）：48-51.