風力發電機組葉片覆冰成因及防凍除冰技術分析

國家電投集團江西電力有限公司 劉忠德 雷和林 周 強 鄔偉駿 懷曉偉

天湖山風電場海拔670～1152m，冬季受西伯利亞和蒙古冷高壓的控制盛行偏北風，葉片每年的結冰時間為25天，結冰的主要類型是雨凇和霧凇。天湖山風電場主要采用的是29#風機，其風力發電機組為XE100-2000，采用三葉片、水平軸以及變轉速等進行控制，葉輪直徑為105m，輪轂的高度是30m，切入風速為3m/s，所運行的溫度范圍是-30℃到40℃，但如低于-8℃就會出現結冰現象。

1 風力發電機組葉片覆冰成因

1.1 氣象條件

根據天湖山風電場發電機組葉片的覆冰情況可以了解到，環境溫度直接影響風力發電機組葉片覆冰的形成[1]，在-1℃～-8℃的環境下時，由于溫度過低很容易產生雪花現象而不會出現覆冰問題，所以，對于天湖山風電機組來說，由于其海拔較高、氣溫較低，在冬季容易出現覆冰問題；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%的環境下容易出現葉片覆冰現象，還容易產生雨凇。通常情況下，較為容易出現覆冰問題的主要集中在湖南、湖北等地區，其環境濕度較高，一般在90%以上。

1.2 地形及地理環境

風力發電機組葉片覆冰極容易受到當地地形和地理環境的影響[2]，其與山區地帶的坡向、走向、分水嶺等都有密切關聯，尤其對于山區的風力發電機組而言，其葉片覆冰受地形地理環境影響最大。天湖山風電場海拔高度在670～1152m，海拔較高，往往會直接影響葉片覆冰，而其周邊的地形環境和相對高度，也會影響葉片覆冰。一般來說，風況較好的地理環境，如迎風坡、山頂等位置，更容易出現液冰，也更容易出現嚴重的葉片覆冰問題。

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，容易引發結冰現象，且潛熱釋放速度相對較慢。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溫度條件下，產生的凍結高度也各有不同。表1列舉了部分環境溫度、相對濕度和露點的關系。通常情況下，當風力發電機組的葉輪掃風區域高度在凝結高度之上時，該區域的機組葉片會更容易出現嚴重的覆冰現象。

表1 環境溫度、相對濕度和露點對照關系

2 葉片覆冰對風力發電機組的不良影響

相關研究發現，覆冰的厚度會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系，覆冰厚度/最大冰跳高度的具體數值如下：5mm/0.92m、10mm/1.35m、15mm/1.97m、20mm/2.89m[4]。由此可見，當覆冰的厚度越厚時，在脫冰率相同的條件下釋放的能量就越多，而相應過程就越強烈、振動幅度就越大。并且最大冰跳高度也會受到檔距的影響。在覆冰均勻的情況下，導線最大冰跳高度會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，均勻覆冰的冰跳高度會小于非均勻覆冰情況。

此外，覆冰問題還會嚴重影響葉片的質量及其運轉頻率。若葉片覆冰分布不均勻，那么一旦處于結冰氣候時，結冰就會主要分布在葉片的邊緣，從葉輪軸線到葉尖呈現線性遞增的趨勢，而覆冰的厚度計算如下：覆冰厚度=K×（T-T0）×（1+∝×V），式中：T為環境溫度，T0是結冰的起始溫度，V是風速，K和∝則是經驗系數，通過這一公式的計算就可以解到葉片覆冰厚度的變化。

3 風力發電機組葉片防凍除冰技術

3.1 覆冰檢測

天湖山風電場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，那么就要對其進行覆冰檢測，通過判斷分析葉片是否存在覆冰現象，分析其特征屬性，采取針對性技術措施，包括直接檢測和間接檢測兩種方法。

直接檢測。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，在檢測區域兩端安裝聲學部件接收檢測信號，若信號發生變化則證明檢測區域有冰，因此其被用為檢測風力發電機組葉片覆冰的主要方法之一，能夠有效檢測1～4mm 左右厚度的冰層；其次可以采用振動測量方式，將振動探針放置于與葉片所處的相同環境當中，當探針結冰后質量加大，其振動頻率會受影響下降。根據此原理，若探頭結冰其振動頻率加大，進而推斷葉片是否存在覆冰；光學測量方法。可以通過傳感器發射端光源按照一定角度向冰面斜射，發生內反射反應，在冰層上呈現出對應光斑。在進行光學測量時可測出葉片結冰的密度：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。主要是利用風力發電機組的外部環境條件和內部設備運轉對葉片覆冰情況進行推斷：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下的歷史共振頻率，再對比覆冰后的葉片共振頻率情況，根據覆冰會影響葉片的負載分布、影響其共振頻率的特點，判斷葉片是否存在覆冰；其二，可通過判斷發動機的輸出功率分析覆冰情況。在風電機組葉片正常狀態下運轉時，將其輸出功率作為預期功率，若實際運行功率小于預期功率則證明葉片存在覆冰。

3.2 防凍技術

天湖山風電場機組葉片在-8℃時就會出現覆冰現象，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，以此降低結冰的概率。一般可將乙醇作為防凍液在葉片上進行涂抹，在葉片運轉的過程中防凍液就會隨之運動并與水滴相融合，同時落在葉片上，此時的溶液冰點會有所下降，進而起到防凍作用。對于乙醇溶液來說，其冰點降低的公式如下：ΔTf=Kf×m，式中：ΔTf是冰點的下降值，Kf是溶劑的冰點降低常數，m是溶質的質量摩爾濃度，其中m的計算如下：m=W/M，式中：W是乙醇的質量，M是乙醇的摩爾質量，大約是46.07g/mol。溶液防凍技術在實際操作過程中需要使用大量的防凍液隨時補充，且其維持時間相對較短，同時容易受到周圍環境影響。

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

熱能防凍。該技術主要通過熱能處理手段對葉片覆冰進行處理，通過對熱能保護機中的重要零部件進行加熱的方式，使其表面溫度升高，超過冰點溫度，進而起到防凍防結冰的作用。就當前的熱能防凍技術應用情況來看，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管道，對其進行加熱，并使用鼓風機在內部各零件之間傳輸熱風對整體進行加熱，破壞葉片覆冰環境條件；電熱防凍主要是在葉片中安裝防冰裝置，使得葉片在運行的過程中將電能轉化為熱能，對易覆冰的位置進行重點保護，以此降低覆冰發生的概率。

3.3 除冰技術

3.3.1 機械除冰技術

機械除冰技術主要是通過機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。目前在實際操作過程中，大部分會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，但需注意將葉片關閉后再進行操作，以保證除冰的安全性。

3.3.2 熱能除冰技術

原理類似于熱能防冰技術，其能夠利用不同類型的熱能對零件表面進行加熱，使其表面溫度提高，進而促進葉片覆冰的融化，將葉片表面的冰全部清除。熱能除冰技術主要分為三種不同類型。

自身散熱除冰技術。將除冰抗凍系統安裝于葉片之上，葉片運轉過程中會產生熱量，由除冰抗凍系統對熱量進行吸收，再利用循環系統使得吸收的熱量傳輸到葉片的各部位，發揮除冰效果。自身散熱除冰技術在實際操作中存在一定缺陷，即風力發電機組葉片本身較厚、體積較大，所以其周圍的溫度相對較低，僅依靠自身所散發的熱量，要想將覆冰全部融化難度較大[3]。

葉片微波除冰技術。通過微波加熱的方式對葉片進行加熱，使得葉片覆蓋的冰層逐漸脫離葉片表面，粘附力不斷下降，加之在葉片運行過程中覆冰容易受離心力和重力的影響，自然會從葉片上脫落，進而實現對覆冰的去除效果。這種除冰方法在應用過程中相對較為復雜，需要安裝多個微波裝置，且安裝和后續維修難度都相對較大，若是安裝不夠均勻，那么除冰效果也就不夠均勻，甚至可能會損傷葉片本身，影響機組的運行。當葉片上有覆冰時，開啟電熱加熱裝置，使其運轉產生動能，通過其熱能轉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風力發電機組的危害。這一方法在實際操作過程中，需要在葉片上安裝加熱裝置，容易使得葉片的運行受到影響，加大其損壞的可能性，甚至導致機組運行出現故障。

激光除冰技術。利用激光束對冰雪表面進行高能量密度的照射，使冰雪局部升溫并融化而實現除冰效果。激光除冰技術通常用于對小面積或特定部位的冰層進行精準去除。

3.3.3 氣動帶除冰技術

也稱為膨脹管除冰技術，在葉片的前端邊緣處安裝膨脹管，一旦葉片出現覆冰膨脹管就會受影響發生膨脹，直接將機組葉片上的冰層震碎，使得震碎后的覆冰脫落，以此達到除冰的目的。在此環節中需要使用多個外加包裝，如膨脹管、充氣泵、輸氣管等，利用泄壓閥將其中產生的氣體全部排出后葉片就會出現振動，進而發生持續的充氣和排氣動作，葉片在不斷振動下將覆蓋上面的冰層震碎[4]。

3.3.4 電磁脈沖除冰技術

電磁脈沖除冰技術利用在葉片上安裝電磁線圈的方式，一旦葉片上出現覆冰電磁線圈就會在此作用下被影響，出現反復斷電和通電的問題，進而對葉片上的覆冰起到去除作用。電磁脈沖除冰技術的應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用。在應用時也要注意涂層防冰，結合主動型除冰方案，保障風力發電機安全高效運行[5]。

3.3.5 超聲波除冰技術

超聲波除冰技術利用超聲波所產生的能量對葉片及其相關零部件上的覆冰層進行清除。超聲波有兩種導波且存在兩種不同的傳播方向，空氣介質也可傳播超聲波，利用該原理可有效通過超聲波傳播引起葉片振動，使覆冰逐漸從葉片表面脫離[6]。