中國廣核新能源控股有限公司 成和祥 行九暉 北京金風(fēng)慧能技術(shù)有限公司 劉 杰

北京雅德士工程技術(shù)咨詢有限公司 楊 慶

我國已經(jīng)制定出可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，要實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、降耗，這是能源發(fā)展的主要趨勢。按照政府發(fā)布的戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃，在2020年非化石能源占據(jù)一次性能源消費比例控制在15%左右。風(fēng)力發(fā)電資源利用率較高，技術(shù)也較成熟，隨著技術(shù)發(fā)展成本也在下降，所以樁基容量大幅提高，但是風(fēng)力發(fā)電對氣象條件的變化非常敏感，具有一定程度的不穩(wěn)定性。冬春季節(jié)氣候濕潤的地區(qū)，風(fēng)機葉片覆冰成為風(fēng)電場無法正常運行發(fā)電的主要影響因素。葉片覆冰后，葉片氣動特性改變、機組動態(tài)荷載增加，會對風(fēng)電場安全運行和效益產(chǎn)生負(fù)面影響。不同氣候環(huán)境、地形條件影響，風(fēng)機葉片工作中會形成了質(zhì)地不同、形狀各異的覆冰，不同區(qū)域的風(fēng)機葉片覆冰過程和特征存在很大差異，相應(yīng)的除冰技術(shù)措施也不同。

1 風(fēng)電機組葉片覆冰機理及類型

1.1 風(fēng)電機組葉片覆冰產(chǎn)生的基本氣象條件

按照覆冰區(qū)域展開分析，風(fēng)電場氣象合理預(yù)測與運行狀況了解，葉片出現(xiàn)覆冰的問題應(yīng)該具備如下條件：環(huán)境溫度低于0℃、葉片表面低于-5℃、空氣濕度在85%以上。雖然這幾個氣象條件范圍較窄，但通常風(fēng)電場會處于大氣冷熱氣流交匯地區(qū)，受微地形微氣象的影響嚴(yán)重，所以部分風(fēng)電場機組葉片覆冰現(xiàn)象較為普遍。

1.2 葉片表面結(jié)冰原理分析

1.2.1 葉片表面結(jié)冰機制

葉片表面出現(xiàn)結(jié)冰的現(xiàn)象，是水在特定環(huán)境之下產(chǎn)生的物相變化，只要是溫度不足0℃水就會發(fā)生結(jié)冰的現(xiàn)象，這是自然規(guī)律、是無法改變的。在規(guī)定條件之下，空氣過冷造成的水滴和風(fēng)機葉片出現(xiàn)碰撞而導(dǎo)致凝結(jié)成冰，葉片表面的結(jié)冰形式中一般是過冷水滴成冰。下面重點分析過冷水滴在風(fēng)機葉片表面結(jié)成冰的原因。

過冷水滴主要指在環(huán)境處于0℃以下時依然以液態(tài)存在的水滴。環(huán)境中的氣壓不同，水的汽、液、固的狀態(tài)也會有明顯的變化，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓水的結(jié)冰溫度為0℃，環(huán)境氣壓增大結(jié)冰的溫度會逐步降低，所以在低于0℃的情況下也會存在液態(tài)水。大氣層中的過冷水滴穩(wěn)定性很差，如果環(huán)境出現(xiàn)變化，過冷水滴會快速凝結(jié)而轉(zhuǎn)化為冰。風(fēng)電機組葉片表面撞擊到存在過冷水滴的空氣時，水滴因撞擊會直接在葉片的前緣迎風(fēng)面的位置上，過冷水滴的內(nèi)部平衡被破壞，使得過冷水滴的結(jié)冰溫度變高，更易在風(fēng)電機組葉片的表面結(jié)冰。風(fēng)電機組葉片表面結(jié)冰的發(fā)生是耦合相變復(fù)雜傳熱的階段，因為葉片表面溫度要低于冷水滴的溫度，所以在過冷水滴撞擊葉片時，會快速的吸收水分而經(jīng)過凝固之后釋放熱量，然后過冷水滴在葉片表面迅速成冰。

1.2.2 覆冰類型及分類

葉片表面結(jié)冰主要有雨凇、霧凇和混合凇三種類型：雨凇。如過冷水滴直徑相對較大，在和葉片出現(xiàn)碰撞后，水滴先散開成水膜后迅速凝結(jié)成冰凌。此類覆冰一般環(huán)境溫度在0～5℃時出現(xiàn)，空氣濕度較大的條件之下，葉片表面會出現(xiàn)透明的硬度較高的冰層。此類冰層密度較大，附著力強；霧凇。過冷水滴的直徑較小，在空氣中漂浮運動，撞擊葉片后快速形成冰凌，以干增長方式存在。一般在環(huán)境溫度低于-5℃時，空氣內(nèi)水含量很少，晶體的形狀是不規(guī)則的，極易在不光滑的葉片表面形成冰面，其質(zhì)地疏松、密度小、粘附力不足；混合凇。過冷水滴的直徑不同，空氣內(nèi)漂浮運動，在與葉片接觸后快速成冰，有些為干增長、有些則為濕增長。冰內(nèi)部以半透明的形式存在，密度中等，一般是出現(xiàn)在葉片迎水面，附著力較大。山區(qū)地帶中風(fēng)速較高的條件下，從云中來的冰晶會有一些大小中等的地面霧存在，通常環(huán)境溫度在-10～-3℃之間時出現(xiàn)。

因此，葉片表面極易出現(xiàn)霧凇、混合淞的形式。此外，葉片的長期運行之下，表面會存在較多的污漬、前緣腐蝕、葉片粗糙度過大等問題，也會導(dǎo)致葉片出現(xiàn)覆冰的問題。

2 覆冰影響因素分析

風(fēng)電機組葉片覆冰和風(fēng)電場的自然環(huán)境、地形條件有著直接的關(guān)系，而覆冰類型和環(huán)境溫度、風(fēng)速、葉輪掃風(fēng)區(qū)過冷水滴直徑、空氣內(nèi)液態(tài)水含量等存在直接的聯(lián)系。

2.1 影響葉片覆冰的氣象條件

環(huán)境溫度。給葉片覆冰影響最直接也最為明顯，覆冰一般發(fā)生在環(huán)境溫度為-1℃至-8℃之間，環(huán)境溫度太低過冷水滴會出現(xiàn)雪花的情況，不會發(fā)生覆冰。因此冬季環(huán)境較低的情況下北方地區(qū)覆冰發(fā)生率較低，而南方的云南、貴州、湖南等地區(qū)濕度高的情況下發(fā)生覆冰的問題比較嚴(yán)重；空氣濕度。其高低對于葉片覆冰的形成是有絕對性影響的，通?？諝庀鄬穸瘸^85%極易產(chǎn)生葉片覆冰，還易導(dǎo)致雨凇的出現(xiàn)。覆冰發(fā)生率最高的為湖南、湖北、江西等地，冬季與初春的時節(jié)陰雨綿綿，空氣濕度非常高，很多情況下甚至?xí)_(dá)到90%以上，所以葉片的覆冰發(fā)生率較高，且主要是以雨凇的形式存在；風(fēng)速。由于風(fēng)可以直接進(jìn)行過冷水滴的輸送，所以也會給葉片覆冰產(chǎn)生直接影響。風(fēng)速較小情況下有效地促進(jìn)霧凇形成，風(fēng)速較大會產(chǎn)生粒狀霧凇的形式。一般風(fēng)速越大葉片覆冰形成的速度也會更快。

過冷卻水滴直徑大小。水滴直徑比較大的情況下，與葉片接觸之下會產(chǎn)生結(jié)冰反應(yīng)，潛熱釋放速度很慢，相反潛熱釋放速度過快結(jié)冰也會更快，因此覆冰形成的特征相差很大。葉片雨凇覆冰過程中過冷水滴直徑較大，約在10～40μm之間，多為是毛毛雨天氣。霧凇覆冰時過冷水滴直徑在1～20μm之間，而混合凇水滴直徑在5～35μm之間，多為濃霧天氣；凝結(jié)高度。其為大氣環(huán)境中的過冷水滴形成冰晶或雪花狀態(tài)的海拔高度，會根據(jù)不同地面氣溫與露點溫度而出現(xiàn)一定的變化。凝結(jié)高度主要是地面作為起始點為基準(zhǔn)的空氣水滴經(jīng)過碰撞后所產(chǎn)生凍結(jié)的高度，其數(shù)值大小對于高海拔地帶內(nèi)的風(fēng)電機組葉片覆冰會存在直接的影響。當(dāng)風(fēng)電機組所處葉輪掃風(fēng)區(qū)域高度超過凝結(jié)高度時，此區(qū)域機組多為嚴(yán)重覆冰工況。

2.2 影響葉片覆冰的地形及地理環(huán)境

風(fēng)電機組葉片覆冰受本地地形條件、氣象條件和風(fēng)電機組的運行狀態(tài)影響。覆冰與山區(qū)地帶的走向、坡向、分水嶺等方面存在直接的影響，山區(qū)風(fēng)電機組的葉片覆冰在地形條件下影響最大。從目前研究結(jié)論分析，覆冰嚴(yán)重性與地形條件有著直接的影響，絕對海拔高度并不會對覆冰產(chǎn)生直接影響，但周邊環(huán)境內(nèi)的地形與測量點和周邊相對高度也會給覆冰造成影響。風(fēng)況相對好的條件下突出的地形條件，如山頂、埡口、迎風(fēng)坡等，還有空氣水份較高的江河、山頂?shù)任恢蒙先菀壮霈F(xiàn)液冰的區(qū)域，其覆冰也會更加嚴(yán)重。

2.3 葉片覆冰對機組功率輸出的影響

葉片結(jié)冰在迎風(fēng)面的發(fā)生率比較高，且葉尖覆冰主要沉積在葉根位置，覆冰累積與不規(guī)則脫落也會造成機組輸出功率的影響。在葉片表面發(fā)生微覆冰問題會導(dǎo)致其表面粗糙度較高而出現(xiàn)葉片氣動性能很低，機組運行功率也很低；葉片覆冰嚴(yán)重會導(dǎo)致葉片轉(zhuǎn)矩為零，不會有任何輸出功率，自然覆冰也會造成振動嚴(yán)重而產(chǎn)生停機的問題。

葉片覆冰會直接影響系統(tǒng)的輸出功率，受到覆冰重量、覆冰后翼分布、葉片設(shè)計與風(fēng)機控制。以VestasV80-1.8MW風(fēng)機進(jìn)行仿真分析，在雨凇條件下葉片覆冰可達(dá)709kg，占葉片重量的11%（葉片總重量6500kg）；在霧凇條件下葉片覆冰可達(dá)434kg，占葉片重量的6.7%。研究分析發(fā)現(xiàn)，下面兩種情況產(chǎn)生的覆冰問題會給葉片阻力帶來影響：葉片的阻力沿葉片軸向以指數(shù)次增長，雨凇時葉尖阻力增加了365%，霧凇時增加了250%，而在兩種條件下葉尖的升力均減小了40%。

綜上，葉片覆冰結(jié)合不同的冰災(zāi)嚴(yán)重性，風(fēng)機輸出功率會產(chǎn)生很大的變化，比較輕的覆冰會讓葉片功率有一部分損失，而覆冰嚴(yán)重會導(dǎo)致其輸出功率為零，也就會停止運行。

葉片覆冰對于機組產(chǎn)生的危害有靜態(tài)與動態(tài)載荷的不平衡、機組振動過于劇烈、葉片頻率發(fā)生變化、增加疲勞載荷、增加葉片彎矩、造成人身危害等。

3 風(fēng)電機組葉片覆冰檢測及葉片防冰除冰系統(tǒng)

當(dāng)前科學(xué)技術(shù)發(fā)展認(rèn)知局限性存在，不能從根本上消除覆冰問題，只能在覆冰出現(xiàn)后立即采取必要措施除覆冰，能夠有效的減輕經(jīng)濟(jì)損失。

3.1 覆冰測量方式及必要性

覆冰測量可分為直接法、間接法和數(shù)學(xué)模型法三類。直接法利用覆冰所致重量、反射特性變化測量；間接法根據(jù)覆冰相關(guān)因素如風(fēng)速、濕度和溫度及覆冰條件下風(fēng)機發(fā)電功率變化估算覆冰。覆冰檢測工作開展可通過采取措施主動進(jìn)行防凍除冰系統(tǒng)達(dá)到要求，但也容易產(chǎn)生負(fù)面作用。葉片輕微覆冰條件下會導(dǎo)致葉片輸出功率下降5～15%，如果覆冰檢測器無法準(zhǔn)確檢測出覆冰的情況，一般會在覆冰出現(xiàn)的幾個小時內(nèi)會通過視頻等方式進(jìn)行覆冰檢測，在該過程中不僅風(fēng)力發(fā)電效率降低，葉片加熱系統(tǒng)也會導(dǎo)致能耗過大，通過加熱進(jìn)行覆冰溶解。

3.2 基于葉片振動檢測葉片覆冰傳感器

精確的覆冰檢測必須直接測得葉片上的覆冰量。葉片在寒冷空氣中運轉(zhuǎn)，葉尖速度達(dá)到了250km/h，葉尖的結(jié)冰條件跟裝在機艙頂部上的傳感器監(jiān)測到的結(jié)冰條件相比相差巨大。建議機組采用葉片振動檢測葉片覆冰傳感器，其設(shè)計基于簡單的物理原則：結(jié)冰量增加會引起葉片自然振動頻率發(fā)生變化，隨著固體重量增加固有頻率會降低?；诟哽`敏度的傳感器系統(tǒng)和特殊算法可實現(xiàn)冰層厚度毫米范圍內(nèi)的測量分辨率，在風(fēng)機運行情況下或待機情況下都能執(zhí)行測量，意味看風(fēng)機在啟機前每時每刻都在進(jìn)行檢測，確保葉片上的覆冰量在運行條件的符合范圍內(nèi)。

圖1 基于光纖振動傳感器的葉片覆冰檢測系統(tǒng)

圖2 熱風(fēng)除冰葉片表面溫度云圖

3.3 葉片防冰除冰系統(tǒng)

風(fēng)機防凍除冰主要包含防冰、除冰兩個種類，前者是采取措施避免冰雪粘附到葉片表面，后者是直接進(jìn)行覆冰去除。這兩種方式也可以理解為被動、主動兩種，前者是利用物理原理避免出現(xiàn)結(jié)冰問題，后者是通過外部系統(tǒng)加熱的方式以消除覆冰。

3.3.1 防凍除冰系統(tǒng)的效益和成本

目前還沒有技術(shù)相對成熟的商業(yè)化風(fēng)機融冰系統(tǒng)，不管是主動還是被動的方式融冰系統(tǒng)都不能從根本上避免葉片覆冰問題的發(fā)生，有些融冰系統(tǒng)僅能在葉片覆冰后依然能夠保證功率輸出正常，防止產(chǎn)生停機的問題，避免給葉片產(chǎn)生嚴(yán)重的振動影響，也會保護(hù)人們的生命安全。如果通過加熱方式進(jìn)行風(fēng)機功率降低，可提高維護(hù)效果。氣候環(huán)境溫度較低的情況下，融冰系統(tǒng)耗電量僅為總發(fā)電量的3～8%，防冰系統(tǒng)耗電量為總發(fā)電量的3%以內(nèi)。假設(shè)風(fēng)機葉片防冰系統(tǒng)成本占據(jù)總投資的5%左右，防冰系統(tǒng)成本占比會伴隨著葉片尺寸增大而降低。

防冰系統(tǒng)應(yīng)該連續(xù)加熱處理，確保其時刻保持在0℃以上，而除冰系統(tǒng)可有效地清理掉覆冰，兩種方式都會導(dǎo)致電能損耗。覆冰檢測可減少融冰電量損失，為了能夠減少能耗，可分為多個加熱區(qū)域，所以確保葉尖部位的30%長度無覆冰就能夠達(dá)到風(fēng)機的90%氣動性能，如果在葉尖分配設(shè)置防凍融冰系統(tǒng)能夠減少能耗。

3.3.2 葉片氣熱除冰方案介紹

葉片氣熱除冰方案基本原理是通過加熱葉片內(nèi)的空氣并在葉片內(nèi)部循環(huán)，再將熱量傳到葉片外表面，從而達(dá)到除冰的目的。加熱時葉片腔內(nèi)有氣流會出現(xiàn)在葉尖部位，氣流也會從葉尖經(jīng)過和腹板形成的風(fēng)道而組合成為氣體循環(huán)路線，腔內(nèi)空氣循環(huán)加熱可避免結(jié)冰問題的出現(xiàn)，保證葉片后緣與葉根部分進(jìn)行加熱處理，防、除冰效果很好，可顯著提高熱量傳導(dǎo)效率，降低加熱功耗。葉片外表面溫度升高就能在覆冰層與葉片出現(xiàn)了水膜的情況，就是通過葉片旋離心力實現(xiàn)除冰。

除冰時熱風(fēng)輸出溫度為60～80℃，葉片表面溫度可控制在10～0℃，由于葉片形式不會變化，設(shè)置的除冰系統(tǒng)會給空氣動力性能與防雷性能沒有任何影響，加熱除冰可應(yīng)用到氣候溫和、覆冰發(fā)生在0℃左右環(huán)境中，因為除冰要保證葉片溫度合理，所以能耗消耗僅為防冰的50%。

4 結(jié)語

綜合分析目前國內(nèi)外風(fēng)電機組葉片除冰技術(shù)可靠及適用性，對風(fēng)電機組葉片覆冰檢測方法及除冰技術(shù)方案有以下建議：使用葉片安裝振動傳感器并對其振動數(shù)據(jù)分析評估覆冰狀況在國外有批量應(yīng)用案例，經(jīng)實踐檢驗是可靠有效的一種檢測手段。使用高靈敏度的傳感器系統(tǒng)和特殊算法，可實現(xiàn)冰層厚度毫米范圍內(nèi)的測量分辨率；通過分析覆冰期風(fēng)電場運行數(shù)據(jù)，使用基于功率曲線對比的覆冰檢測通常為各大整機商所使用，目前也是最為常用的覆冰告警停機方式。

在葉片內(nèi)部安裝熱風(fēng)加熱系統(tǒng)除冰已有20多年的運行經(jīng)驗，是目前較為可行的風(fēng)電葉片除冰防冰技術(shù)方案。該方案簡單可靠，除冰效率高，但葉片加熱除冰的過程需要耗費大量自用電。提高熱風(fēng)加熱系統(tǒng)的除冰效率、降低除冰能耗有3種方式：機組葉片覆冰停機后進(jìn)行加熱除冰，不采用維持葉片本體高溫的方式進(jìn)行防冰；使用高精度覆冰檢測系統(tǒng)，由此控制除冰加熱系統(tǒng)精準(zhǔn)啟停；在葉片前緣使用超疏水涂層，預(yù)防融冰回重復(fù)凝結(jié)。需要注意的是，熱風(fēng)加熱除冰系統(tǒng)在超過60米以上葉片進(jìn)行除冰存在功率瓶頸。