南山風電場XE82 機型氣象站抗冰凍的研究

鄧磊，馮高煜，曾益民

(大唐華銀城步新能源開發(fā)有限責任公司南山風電場，湖南 邵陽422500 )

南山風電場地處高寒山區(qū)，平均海拔1 800 m以上，冰凍期較長且強度大。該風電場Ⅰ期25 臺風機于冰凍期因冰凍導致風機氣象站無法判別風向、風速導致風機停運。

2011 年12 月8 日，南山風電場天氣情況:大霧，空氣濕度82%，最高氣溫為1.44 ℃，最低氣溫為-6.99 ℃，平均風速為5.5 m/s，最大風速為17.6 m/s。從8 日凌晨1 時起，溫度從1.4 ℃左右在30 min 內(nèi)急劇下降至-6.8 ℃，風向從西南轉(zhuǎn)至東北。上午8 時，風場投入試運行的9 臺風機(其余的風力發(fā)電機組正在調(diào)試期間，信號未接入后臺系統(tǒng)，不做統(tǒng)計分析)有8 臺因故障停機，停機機組占總量的88.8%。至風機監(jiān)控檢查:8 臺風機首出故障均為T230 (風向標故障)，T231 (風向標1 結(jié)冰)，T233 (風向標1，2 不一致)，且因風機緊急變槳伴發(fā)其他故障。調(diào)取風機實時數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):各臺因故障停運機組風速信號為0，風向標1，2 方向分別為182°，35°，且基本不變化。故判斷風機因無風速、風向信號，無法識別風況，導致故障停機。

根據(jù)南山風電場電量分析可知:在2011 年2月至2012 年3 月的冰凍期間，因結(jié)冰導致風機停運造成電量損失共計107.25 萬kWh，占損失電量比重大。

可見，冰凍對風電場的安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行帶了巨大的損失。研究南山風電場氣象站抗冰凍的解決方法是十分必要。

1 氣象站結(jié)冰情況與分析

1.1 氣象站結(jié)冰情況

12 月8 日，風電場維護人員登塔檢查停運風機狀況，發(fā)現(xiàn)風機氣象站完全被冰雪凍住，因與避雷針、航空障礙燈之間間距太小而連成一個整體，導致氣象站無法正常工作。檢查風速儀、風向標加熱回路工作正常，但用手觸摸氣象站表面，感覺不到加熱效果，且冰雪堆積處無明顯融冰痕跡。出艙用望遠鏡檢查葉片表面附有很薄的白霜，部分位置結(jié)有薄冰，且在不斷掉落。

經(jīng)過12 月對風機安裝區(qū)域冰凍天氣情況的觀察，發(fā)現(xiàn):1)發(fā)生冰凍時降溫并不猛烈，并且氣溫也不特別低;2)降溫后24 h 內(nèi)，氣溫普遍回升或天氣轉(zhuǎn)晴，風向由北風、東北風迅速轉(zhuǎn)至南風、西南風;3)在結(jié)冰期間，氣溫升高到0 ℃以上的時候，葉片覆冰基本掉落，只有一層很薄的白霜，部分機組的機械式風速、風向傳感器，恢復了轉(zhuǎn)動。綜上所述，南山冰凍天氣的特點為:降溫較快、濕度較大 (2 次結(jié)冰時濕度的平均值為78%)、冰凍期長、單次冰凍時長較短、氣溫回升快。在此種天氣條件下，風機氣象站因露天安裝于80 m 的機艙頂部，容易被冰雪堆積，無法識別風況。葉片在結(jié)冰時部分位置會附有薄冰，但因其位置處于垂直狀態(tài)，氣溫稍有回暖覆冰會不斷掉落。根據(jù)表1 統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知:風機停運時間的長短主要取決于氣象站恢復的速度，葉片恢復的時間均在氣象站之前。

表1 結(jié)冰情況記錄

1.2 相關(guān)分析

通過在冰凍期內(nèi)對風機運行狀況的長期跟蹤，氣象站結(jié)冰影響風機運行的主要原因如下:

1)南山地處高寒山區(qū)，春冬兩季空氣濕度很大，能達到90%以上，如遇氣溫急劇下降，冰凍情況嚴重，但山頂部位融冰速度較快，冰凍時間較短。

2)風機氣象站現(xiàn)有設(shè)備加熱功率(50 W)太小，無法達到快速融冰要求。

3)風機氣象站布置間距較小，容易與支架、航空燈等凍成一團。

4)風機氣象站風向標、風速儀轉(zhuǎn)動部位連接處為塑料材質(zhì)，在低溫下容易折斷。

5)因風向標結(jié)冰，而引發(fā)偏航系統(tǒng)進入偏航死區(qū)內(nèi)，報扭纜故障告警，增加風機故障概率。

6)風機葉片結(jié)冰，將改變?nèi)~片迎風面形狀，會增加塔架載荷和水平方向推力，損耗吸收進葉輪的機械能。

2 氣象站抗冰凍措施及實施

2.1 解決問題的思路

根據(jù)風機安裝位置氣候條件，冰凍季節(jié)長但單次冰凍時間短且回暖較快。只要解決風機氣象站因冰凍不能正常工作的問題，風機在冰凍情況下正常運行，葉片表面涂有憎水材料，在動態(tài)下不易覆冰且能利用離心力將附在表面的薄冰甩掉，從而可有效解決風機葉片覆冰情況，確保風機冰凍期間不停機運行。

因此，可通過增強氣象站在冰凍期間的可靠性，確保在冰凍期間風機氣象站正常工作，從而保證風機在冰凍期間運行，降低葉片覆冰的可能性，極大減小葉片覆冰厚度，降低風機故障率，提高風機可利用率及發(fā)電能力。

2.2 解決措施及效果

2.2.1 進行風速儀、風向標保溫

1)實施過程:于2012 年1 月2 日完成了全風電場25 臺風機風速儀、風向標進行保溫，以迎冰凍天氣。

2)結(jié)冰的具體情況:從表1 可知，投入試運行風機21 臺，結(jié)冰風機臺數(shù)18 臺，占總量的85.71%。1 月3 日和4 日的最高溫度-0.4 ℃，最低溫度-6.32 ℃，平均氣溫-5.1 ℃，平均空氣濕度82%，最長結(jié)冰時間為#17 風機20 h。

3)檢查發(fā)現(xiàn)仍存在如下問題:①85.7%以上的風機氣象站仍然被冰雪凍住，無法識別風況信號，防結(jié)冰能力不強;②從圖1 可知，風速儀依然和航空燈結(jié)冰在一起，無法根除氣象站各元件間距問題;③進行保溫后的融冰速度得到一定程度提升，但是融冰效果不顯著。

4)結(jié)論:經(jīng)過保溫處理的氣象站在一定程度上提升了融冰能力，但未解決氣象站結(jié)冰的問題，該對策不成功。

2.2.2 更換大功率氣象站

1)實施過程:于2012 年2 月2 日完成#18 風機氣象站的大功率風速儀、風向標的安裝工作，并于2 月5 日、6 日迎來了冰凍天氣。

2)結(jié)冰的具體情況:投入試運行風機25 臺，結(jié)冰風機臺數(shù)8 臺，占總量的32%。1 月5，6 日的最高溫度0.5 ℃，最低溫度-2.5 ℃，平均氣溫-0.17 ℃，平均空氣濕度75%，最長結(jié)冰時間為#19風機(緊鄰#18 風機安裝位置，地形及氣候條件相似)，為16 h，安裝了大功率氣象站的#18 風機未受到結(jié)冰影響。

3)仍存在的問題:①大功率氣象站在結(jié)凍過程中有冰雪堆積，但其轉(zhuǎn)動部分未被凍住，能正常工作，其融冰速度比普通機械式氣象站快4 ～5 h;②加熱功率增大至100 W 對周邊設(shè)備影響很小，但繼續(xù)加大功率容易使附件元件老化;③因大功率氣象站風速儀測風元件比原機械式測風元件體積大，導致風速偏高，容易發(fā)生暴風停機。

4)結(jié)論:更換大功率氣象站能加快融冰速度，通過加長氣象站，使得氣象站各元件的間距加長，對降低冰凍影響有一定作用，但因風速偏高，在大風時易發(fā)風速過高、暴風停機等故障，降低風機的可利用率。

2.2.3 更換超聲波氣象站

1)實施過程:于2012 年3 月15 日在#6，#25風機拆除機械式氣象站風向標2，在此位置安裝超聲波氣象站，將超聲波氣象站風況數(shù)據(jù)作為主導數(shù)據(jù)引入風機進行計算，機械式風況數(shù)據(jù)作為輔助數(shù)據(jù)進行比較。在#6 風機選用某公司生產(chǎn)的Hybrid XT 型(點對點式)超聲波氣象站，在#25 風機選用國外公司的FT702LTD50 型(面對面式)超聲波氣象站。兩款超聲波氣象站加熱功率均為100 W，且能在柱體內(nèi)部加熱，熱量能傳遞到測風元件頂部。于3 月23，24 日迎來了冰凍天氣。

2)結(jié)冰情況:投入試運行風機25 臺，結(jié)冰風機臺數(shù)22 臺，占總量的88%。3 月23，24 日的最高溫度-1.05 ℃，最低溫度-6.93 ℃，平均氣溫-3.7 ℃，平均空氣濕度83%，最長結(jié)冰時間為#17 風機43 h，安裝大功率氣象站的#18 風機受冰凍影響較小，僅停運2 h;安裝點對點型超聲波測風儀的#6 風機停運了11 h，安裝超聲波測風儀的#25 風機機械式氣象站被冰雪覆蓋，但超聲波氣象站測風正常(如圖2)，風機保持正常運行，未受到結(jié)冰影響。結(jié)冰情況見表2。

表2 更換氣象站后的結(jié)冰情況記錄

3)在冰凍情況下發(fā)現(xiàn):①在其他風機均因氣象站冰凍無法工作的情況下，#18 風機在冰凍最強的時候因無風況數(shù)據(jù)停運2 h，#25 風機在冰凍期內(nèi)正常運行。②改造后的風機在結(jié)凍過程中葉片有少量覆冰情況，影響部分電量。但未改造風機均因停運導致葉片覆冰嚴重，約有3 ～5 cm 厚。③天氣回暖后，#25，#18 風機因葉片覆冰較少，能很快恢復運行，比其他未改造機組恢復正常運行快10 ～15 h。④#6 風機雖然進行了超聲波氣象站的改造，但因冰凍伴隨大霧，其風速數(shù)據(jù)經(jīng)常連續(xù)變0，波動情況嚴重(如圖3 所示)，導致風機判別為氣象站故障，報T230 故障停機。

4)在正常天氣情況下發(fā)現(xiàn):①#18 風機安裝大功率機械式氣象站在小風工況下比其他機械式氣象站風速高出1.5 m/s，在風場平均風速11 m/s 的大風工況下，比其他機械式氣象站平均風速高出6～8 m/s，并經(jīng)常誤測出35 ～40 m/s 的極大風速。其他風機均正常滿負荷運行的情況下，出現(xiàn)因暴風(10 min 平均風速高于25 m/s，30 m/s 風速保持3 s)導致風機切出停運的情況。②#25 號超聲波氣象站與其自身機械式氣象站比較，小風時風速高出1 ～1.5 m/s，大風時也只同樣高出1 ～1.5 m/s。在其他風機正常滿負荷運行時未發(fā)生暴風停機的情況。③#25 號超聲波氣象站風速數(shù)據(jù)存在波動。因機械式氣象站測風具有連續(xù)性，在南山陣風變化較快的時候，其采樣會過濾一些時間很短的陣風，表現(xiàn)為風速數(shù)據(jù)比較平滑。但超聲波氣象站因精度高，能實時反映風速變化情況，表現(xiàn)為風速數(shù)據(jù)抖動較大。因風機在啟機后采用轉(zhuǎn)矩控制模式，風速只作為啟停機或安全鏈判別程序使用，風速數(shù)據(jù)波動不會造成風機停運。

以上3 種氣象站的風速比較如圖4 所示。

圖4 中選擇2012 年3 月14 日，主要原因是#18大功率氣象站的測風偏大的缺陷，在大風速情況會引發(fā)風速過高、暴風停機等保護動作;#17 與#18風機，#1 與#25 風機位置較近且平行具有參考價值。

5)結(jié)論:此面對面型超聲波氣象站能將冰凍對風機運行影響減少至最低，能保證在整改冰凍期間風機不停運。即在冰凍情況下能保證正常工作，風速數(shù)據(jù)雖有波動，但不會造成風機停運及暴風停機，葉片上覆冰很少，能保證風機正常連續(xù)運行。

3 總結(jié)

冰凍氣候?qū)︼L力發(fā)電電量、風機設(shè)備安全運行的影響尤為突顯。改造后的機組經(jīng)過2012 年12 月-2013 年2 月冰凍期的考驗，均未發(fā)生因氣象站結(jié)凍后不能正常工作導致風機停運的情況，所有風機均平穩(wěn)過冬。2013 年同比減少冰凍損失電量108萬kWh，直接經(jīng)濟效益66 萬元，按風機使用壽命20 年計算，總體經(jīng)濟效益將達1 000 余萬元。

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