風(fēng)電機(jī)組葉片覆冰安全運(yùn)行邊界條件研究

楊亞炬

摘 要：根據(jù)風(fēng)機(jī)覆冰運(yùn)行時(shí)段輸出功率及振動(dòng)參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，運(yùn)用時(shí)間序列的方法分析數(shù)據(jù)，得到風(fēng)機(jī)因覆冰運(yùn)行振動(dòng)參數(shù)加劇邊界條件下風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用率參數(shù)，反求出對(duì)應(yīng)情況風(fēng)機(jī)可運(yùn)行風(fēng)速下的輸出功率，通過(guò)監(jiān)控實(shí)時(shí)輸出的功率參數(shù)，為判斷風(fēng)機(jī)是否停機(jī)提供直觀參考和依據(jù)，保證了風(fēng)電機(jī)組覆冰期間安全。

關(guān)鍵詞：葉片覆冰;風(fēng)能利用系數(shù);氣動(dòng)性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TM315文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2019）16-0059-03

Absrtact： According to the database data of the output power and vibration parameters of the fan during the ice-covered operation period， the time series method is used to analyze the data. The parameters of wind energy utilization rate of the fan under the boundary condition that the vibration parameters of the fan are aggravated by the ice-covered operation are obtained， and the output power of the fan under the corresponding operating wind speed is calculated. The output power parameters can provide direct reference and basis for judging whether the fan is shut down or not， which ensures the safety of the wind turbine during icing.

Keywords： blade icing;wind energy utilization coefficient;aerodynamic performance

河南省的風(fēng)能資源豐富，技術(shù)可開(kāi)發(fā)的風(fēng)能資源多數(shù)分布在山區(qū)，少量分布在丘陵、高地。并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量共計(jì)550萬(wàn)kW，風(fēng)機(jī)覆冰天氣持續(xù)時(shí)長(zhǎng)較短，幾乎所有風(fēng)機(jī)均未采用葉片除冰措施，在冬季低溫時(shí)段無(wú)法應(yīng)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片覆冰的惡劣情況，一定情況下，風(fēng)機(jī)葉片振動(dòng)加劇，極易引起覆冰運(yùn)行超載荷（三葉片載荷不均）、冰塊掉落高空墜物、風(fēng)機(jī)葉片斷裂、機(jī)組倒塔等事故，故通過(guò)時(shí)間序列的方法分析機(jī)葉片覆冰運(yùn)行期間功率輸出情況和同時(shí)段葉片振動(dòng)情況，反求出風(fēng)機(jī)葉片振動(dòng)加劇邊界條件下風(fēng)機(jī)輸出功率情況，直觀準(zhǔn)確地判斷出覆冰安全運(yùn)行的邊界條件，實(shí)現(xiàn)機(jī)組安全運(yùn)行和最大限度爭(zhēng)取發(fā)電量份額目標(biāo)。

1 風(fēng)機(jī)葉片覆冰過(guò)程及現(xiàn)象分析

風(fēng)機(jī)葉片的覆冰過(guò)程如圖1所示，覆冰主要位于葉片前緣和迎風(fēng)面，前緣覆冰呈角狀凸起，氣動(dòng)性能迅速惡化，葉片重量不斷加大，風(fēng)機(jī)覆冰條件下引起風(fēng)機(jī)被動(dòng)停機(jī)、葉片振動(dòng)加劇、系統(tǒng)性失效、本體斷裂等一系列問(wèn)題，順利通過(guò)融冰期后風(fēng)機(jī)可正?；謴?fù)運(yùn)行。

提取風(fēng)機(jī)覆冰運(yùn)行期間的10min運(yùn)行日志，準(zhǔn)確判斷出確保機(jī)組在安全邊界條件內(nèi)運(yùn)行發(fā)電，盡可能提高覆冰氣候條件下機(jī)組運(yùn)行的發(fā)電量。葉片結(jié)冰后，改變?nèi)~片的空氣動(dòng)力學(xué)輪廓，減小風(fēng)能利用系數(shù)，從而調(diào)整風(fēng)機(jī)的輸出功率，減少機(jī)組發(fā)電量。從所有風(fēng)機(jī)中選擇X號(hào)、XX號(hào)等風(fēng)機(jī)提取風(fēng)機(jī)葉片覆冰運(yùn)行期間的10min狀態(tài)日志數(shù)據(jù)，提取有功均值、有功最小值、有功最大值、風(fēng)速均值、空氣溫度，提取主軸1最大轉(zhuǎn)速、主軸2最大轉(zhuǎn)速、振動(dòng)1A最大值、振動(dòng)2B最大值、振動(dòng)SSD最大值等參數(shù)，取得風(fēng)機(jī)覆冰運(yùn)行期間的運(yùn)行參數(shù)，從而建立基于時(shí)間序列法的數(shù)據(jù)庫(kù)。

2 機(jī)組覆冰運(yùn)行的影響分析

風(fēng)機(jī)葉片的覆冰邊界條件包括覆冰時(shí)的風(fēng)速、濕度、環(huán)境溫度、風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)速、出力和振動(dòng)等數(shù)據(jù)。在惡劣的覆冰氣候條件下，保證機(jī)組安全，在此基礎(chǔ)上發(fā)更多的電。葉片結(jié)冰后，改變?nèi)~片的空氣動(dòng)力學(xué)輪廓，減小風(fēng)能利用系數(shù)，從而調(diào)整風(fēng)機(jī)的輸出功率，減少機(jī)組發(fā)電量[1];風(fēng)機(jī)葉片表面積大表面覆冰重量不斷影響葉片壽命，增加維護(hù)成本，葉片表面大量覆冰會(huì)引起風(fēng)機(jī)的附加載荷和額外的機(jī)組振動(dòng)（三葉片動(dòng)力學(xué)不平衡），以至于系統(tǒng)性失效;風(fēng)機(jī)塔筒高度90m，加上葉片高度，高度最高達(dá)146m，存在安全隱患。隨著溫度回升，葉片上的覆冰在葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械力和自身重力的雙重作用下被甩出去，掉落碎冰很可能危害附近箱變、行人和車(chē)輛等安全，因此，確認(rèn)風(fēng)機(jī)葉片覆冰達(dá)到安全運(yùn)行邊界條件后，需立即對(duì)風(fēng)機(jī)手動(dòng)停機(jī)。在覆冰條件下風(fēng)機(jī)出力下降的原因主要有以下幾點(diǎn)：①葉片覆冰改變?nèi)~片翼型，使風(fēng)機(jī)葉片阻力增加、風(fēng)能捕獲能力降低;②隨著葉片覆冰不斷附著，質(zhì)量逐漸增加，逐漸吸收葉片所捕獲的風(fēng)能，造成風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)風(fēng)速下出力逐漸下降。

3 機(jī)組覆冰停機(jī)邊界條件計(jì)算

風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速與功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

（1）

式中，[P]為輸入風(fēng)機(jī)的能量;[ρ=1.29kg/m3]為空氣密度;[A]為風(fēng)機(jī)葉片的掃掠面積，A = πr2 半徑[r=60.5m];[V]為風(fēng)速;[Cp]為風(fēng)能轉(zhuǎn)化率（貝茲極限，[Cp]值最高59%）;[η]為機(jī)械能到電能的傳遞效率（發(fā)電機(jī)組傳遞效率為0.90～0.95）[2]。

提取X、XX號(hào)等風(fēng)機(jī)覆冰運(yùn)行時(shí)段的10min運(yùn)行日志，計(jì)算風(fēng)機(jī)每10min的風(fēng)能利用率，以時(shí)間軸為橫軸、以對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)風(fēng)機(jī)振動(dòng)數(shù)值為縱軸，如圖2所示。2019年2月14日00：00以后風(fēng)機(jī)振動(dòng)加劇，以時(shí)間軸為橫軸、以對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)風(fēng)能利用率參數(shù)為縱軸，如圖3所示。風(fēng)能利用率參數(shù)2019年2月13日21：30左右持續(xù)下降，2019年2月14日00：00下降至20%左右，故及時(shí)判斷出葉片覆冰，及時(shí)將風(fēng)機(jī)停機(jī)，從而判斷出風(fēng)機(jī)葉片覆冰情況嚴(yán)重，綜合判斷及時(shí)對(duì)問(wèn)題風(fēng)機(jī)進(jìn)行了停機(jī)處理[3]。上述計(jì)算數(shù)據(jù)均為10min平均值，故有部分風(fēng)能利用率[Cp]值較高，但不影響趨勢(shì)判斷。風(fēng)能利用系數(shù)波動(dòng)情況分析如表1所示。

風(fēng)機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中，[T1]周期到[T2]周期：平均風(fēng)速由[V1]變至[V2];風(fēng)機(jī)輪轂轉(zhuǎn)速由[n1]變至[n2];輪轂動(dòng)能由[E1]變至[E2]，部分輪轂動(dòng)能[ΔE]傳遞至發(fā)電機(jī)，此時(shí)，對(duì)應(yīng)風(fēng)速[V2]下，發(fā)電機(jī)的實(shí)際平均輸出功率[P=P2+ΔP]，風(fēng)能利用率系數(shù)[C=CP+ΔC]（風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用率系數(shù)[CP]，在不改變翼型情況下實(shí)際并未發(fā)生改變，此處僅為數(shù)據(jù)推算值;風(fēng)的阻力與相對(duì)速度V的2次方成正比，故風(fēng)機(jī)輪轂轉(zhuǎn)速由[V1]變至[V2]，輪轂所受阻力也相應(yīng)發(fā)生改變，本文暫不考慮輪轂阻力變化情況）[4]。

因此可知，風(fēng)速由[V1]變至[V2]的情況下，對(duì)應(yīng)風(fēng)速下發(fā)電機(jī)的實(shí)際輸出功率與設(shè)計(jì)功率的變化量[ΔP]和數(shù)據(jù)推算風(fēng)能利用率系數(shù)變化量[ΔC]計(jì)算如下：

（2）

（3）

覆冰情況下風(fēng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，風(fēng)機(jī)風(fēng)輪質(zhì)量持續(xù)增加，造成風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不斷加大，因此，在風(fēng)速不斷變化的情況下，由10min平均風(fēng)速數(shù)值推算的風(fēng)能利用率參數(shù)波動(dòng)較大[5]。故風(fēng)機(jī)覆冰運(yùn)行的停機(jī)邊界條件為：①風(fēng)機(jī)葉片覆冰運(yùn)行情況下，風(fēng)能利用率降至18%以下;②因風(fēng)機(jī)葉片覆冰，造成風(fēng)機(jī)振動(dòng)情況加劇，振動(dòng)SSD最大值冰達(dá)0.6m2/s，振動(dòng)1A最大值達(dá)0.3m2/s，振動(dòng)2B最大值達(dá)0.3m2/s。

4 風(fēng)電運(yùn)行人員對(duì)覆冰機(jī)組的處理方案

針對(duì)濕冷天氣預(yù)測(cè)的天氣情況，嚴(yán)密監(jiān)視風(fēng)機(jī)室外環(huán)境溫度，通過(guò)SCADA監(jiān)視風(fēng)機(jī)風(fēng)速、功率和振動(dòng)數(shù)據(jù)，時(shí)刻監(jiān)視是否達(dá)到風(fēng)機(jī)葉片的覆冰運(yùn)行的邊界條件。達(dá)到表2對(duì)應(yīng)風(fēng)速下輸出功率及振動(dòng)情況時(shí)，及時(shí)停運(yùn)覆冰風(fēng)機(jī)，待風(fēng)機(jī)覆冰融化后再啟動(dòng)[6]。

重點(diǎn)檢查風(fēng)機(jī)葉片、箱變箱體外殼的實(shí)際覆冰情況。檢查風(fēng)電機(jī)組及箱變的覆冰情況時(shí)，覆冰隨著溫度升高，冰塊會(huì)隨時(shí)脫落，運(yùn)行及維護(hù)人員應(yīng)做好安全防范措施。針對(duì)鄰路風(fēng)機(jī)分布情況，實(shí)時(shí)觀察風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)，風(fēng)向?yàn)闁|、西風(fēng)時(shí)葉片覆冰更容易甩到道路上，安全危害更大。所以、當(dāng)風(fēng)向?yàn)闁|、西風(fēng)時(shí)，風(fēng)機(jī)葉片有覆冰情況，禁止盲目啟動(dòng)風(fēng)機(jī)[7，8]。

晚上風(fēng)速低時(shí)，手動(dòng)停止風(fēng)機(jī)，防止葉片有覆冰情況，發(fā)生甩飛傷人事故;白天觀察視頻監(jiān)控系統(tǒng)，查看路面無(wú)行人并且風(fēng)速大于4m/s，持續(xù)5min后再?zèng)Q定是否啟動(dòng)風(fēng)機(jī)。重啟覆冰條件下風(fēng)機(jī)，根據(jù)風(fēng)速檢查風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，如發(fā)現(xiàn)異常情況將風(fēng)機(jī)立即停機(jī)。

5 結(jié)論

風(fēng)電運(yùn)行人員可以通過(guò)監(jiān)控風(fēng)機(jī)SCADA系統(tǒng)，通過(guò)輸出功率以及振動(dòng)參數(shù)邊界數(shù)值直觀發(fā)現(xiàn)覆冰運(yùn)行的機(jī)組時(shí)立即停機(jī)，既保證了機(jī)組的安全，又爭(zhēng)取了最大的發(fā)電量，為河南區(qū)域普遍存在的無(wú)除冰措施的風(fēng)機(jī)提供了高安全度、爭(zhēng)取發(fā)電量的可行措施。不同的機(jī)型所對(duì)應(yīng)的功率及振動(dòng)參數(shù)必然不同，可采用本研究方法計(jì)算分析。

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