風力機葉片結(jié)冰檢測系統(tǒng)的試驗研究

黃昌堯，葉　林，葛俊鋒，周　燦

(華中科技大學自動化學院，湖北武漢　430074)

0　引言

風力發(fā)電機組一般安裝在高寒、沿海地區(qū)，其表面結(jié)冰是由過冷水滴撞擊葉片表面后凍結(jié)成冰覆蓋在葉片表面形成的[1]。覆冰會改變?nèi)~片的外部形狀和氣動性能，增大葉片阻力、減少升力，影響全機操縱性、穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致風能的轉(zhuǎn)化效率降低；結(jié)冰嚴重時，會破壞風力機的安全性，甚至導(dǎo)致葉片損毀、發(fā)生運行事故。因此，研制風力機葉片結(jié)冰檢測系統(tǒng)并對其進行試驗研究，對保證風力機的安全運行，提高發(fā)電效率有著重要的意義。

目前國內(nèi)外已經(jīng)對風力機葉片結(jié)冰狀態(tài)檢測進行了一系列研究。國內(nèi)已設(shè)計的風力機葉片結(jié)冰狀態(tài)檢測裝置主要應(yīng)用磁致伸縮原理[2]，通過傳感器的結(jié)冰程度來判斷葉片結(jié)冰情況，檢測效果受電磁干擾影響較大。國外對風力機結(jié)冰模型的研究較為透徹，其風力機結(jié)冰檢測技術(shù)也領(lǐng)先國內(nèi)水平。其中，發(fā)展相對成熟的結(jié)冰檢測方法有：電學法、機械法、光學法、波導(dǎo)法等[3-5]。文中介紹了一種風力機葉片結(jié)冰檢測系統(tǒng)[6]，它具有成本低、功耗低、抗電磁干擾能力強等諸多優(yōu)勢。

文中利用高低溫試驗箱產(chǎn)生試驗所需的外界環(huán)境溫度、風速、濕度，在模擬的環(huán)境條件下模擬風力機葉片的結(jié)冰過程，分析系統(tǒng)的輸出電壓與傳感器表面結(jié)冰厚度的關(guān)系?？紤]到實際應(yīng)用環(huán)境中，雨水等會對系統(tǒng)檢測結(jié)冰產(chǎn)生干擾，進行了雨水干擾試驗。最后，將系統(tǒng)安裝在風力機上，在現(xiàn)場進行試驗，驗證了系統(tǒng)的可行性。

1　風力機葉片結(jié)冰檢測系統(tǒng)

風力機葉片結(jié)冰檢測系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：模擬風力機葉片的傳感器(下文中稱為：殼體)、光纖式結(jié)冰傳感器、電子處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。殼體用與風力機葉片同等材質(zhì)的玻璃鋼制成，且進行了特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，以模擬風力機葉片各部位的結(jié)冰；每個光纖傳感器對應(yīng)有3路輸出電壓(記為V1，V2，V3)，綜合判斷出傳感器的結(jié)冰厚度，進而計算出葉片表面的結(jié)冰厚度；電子處理系統(tǒng)完成傳感器中信號的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、處理及采集，采用了雙層鐵質(zhì)機箱以屏蔽現(xiàn)場環(huán)境的強電磁干擾；數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)則實時顯示采集的電壓值，并將其與結(jié)冰厚度預(yù)警值對應(yīng)的電壓進行比較，當結(jié)冰厚度超過預(yù)警值時，會發(fā)出告警信號。在實際使用時，光纖式結(jié)冰傳感器嵌入在殼體不同的位置，可探測葉片不同部位的結(jié)冰。

圖1　風力機葉片結(jié)冰檢測系統(tǒng)總體框圖

2　實驗室模擬結(jié)冰試驗

2．1試驗說明

風力機葉片結(jié)冰檢測系統(tǒng)，最終要用于檢測風力機葉片表面結(jié)冰厚度，故必須在實驗室環(huán)境下進行大量的結(jié)冰試驗來驗證原理的正確性。同時，需利用試驗數(shù)據(jù)找出傳感器特性曲線，為數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)準確標定傳感器表面結(jié)冰厚度提供數(shù)據(jù)庫支持。

2．2試驗裝置

在自然環(huán)境中，決定風力機葉片表面結(jié)冰狀態(tài)的因素有4個：風速、溫度、液態(tài)水含量(LWC)和水滴粒徑(MVD)。目前結(jié)冰環(huán)境模擬的最好的是冰風洞，它可以真實地模擬大氣結(jié)冰狀態(tài)。在目前的實驗室條件下，達到像冰風洞那樣對四要素的模擬是不太可能的，實驗室環(huán)境下比較容易實現(xiàn)的是對溫度和MVD的控制。

試驗平臺的設(shè)計思路就是：保持其他環(huán)境因素基本恒定，通過對溫度和MVD的調(diào)整，來實現(xiàn)對結(jié)冰的模擬。其中，對溫度的控制通過高低溫試驗箱實現(xiàn)，高低溫試驗箱可以提供-70～+150 ℃的測試環(huán)境。對MVD的控制是通過噴水裝置來實現(xiàn)的。噴水裝置有噴霧泵與噴水槍兩種可選，噴霧泵噴出的水滴速度慢、粒徑小，噴水槍噴出的水滴速度快、粒徑大。

在上述試驗平臺上，經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)：噴霧泵噴出的水，在傳感器表面的結(jié)冰為淞冰；噴水槍噴出的水，在傳感器表面的結(jié)冰為明冰。經(jīng)過對現(xiàn)場風力機葉片結(jié)冰長期的觀察發(fā)現(xiàn)，風力機葉片上的覆冰以淞冰為主，因此在實驗室模擬結(jié)冰試驗時，噴水裝置選噴霧泵。

2．3試驗過程及結(jié)果

將傳感器放入高低溫箱中，調(diào)整合適的位置，以方便對傳感器表面噴水進行結(jié)冰試驗。在第一次試驗前，應(yīng)該調(diào)整電路的參數(shù)，使電子系統(tǒng)最終輸出的各路電壓保持在0.5 V，這是因為輸出電壓大于0時，更有利于采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。在以后進行試驗時，則應(yīng)當保持電路的參數(shù)不變。

開啟試驗箱，設(shè)置溫度點為-25 ℃。溫度到達設(shè)定的溫度點時，將噴水裝置的出水口對準傳感器表面，噴水約5 s，每秒鐘噴水3次。每15 min噴水1次，每30 min記錄1次冰厚及輸出電壓。冰厚達到4 mm左右時，停止試驗。重復(fù)試驗3次，整理試驗數(shù)據(jù)，取平均值后得到系統(tǒng)輸出電壓與結(jié)冰厚度的關(guān)系，如圖2所示。

圖2　外界溫度-25 ℃輸出電壓與結(jié)冰厚度關(guān)系曲線

設(shè)置溫度點為-15 ℃，重復(fù)3次試驗，取平均值得到輸出電壓與結(jié)冰厚度的關(guān)系如圖3所示。其中，完成1次-25 ℃條件下的結(jié)冰試驗，平均所需時間為5.5 h，完成1次-15 ℃條件下的結(jié)冰試驗則平均耗時7.8 h．

圖3　外界溫度-15 ℃輸出電壓與結(jié)冰厚度關(guān)系曲線

2．4試驗結(jié)果分析

圖2、圖3的曲線分別反應(yīng)了每個傳感器的3路輸出電壓在外界溫度為-25 ℃、-15 ℃時隨結(jié)冰厚度的變化規(guī)律?，F(xiàn)以圖2為例說明V1、V2、V3隨冰厚增加時的變化規(guī)律。V1隨冰厚增加的變化規(guī)律為：冰厚在1.3 mm內(nèi)，V1隨冰厚增加，從0.5 V快速上升至9.1 V；冰厚在1.3～2 mm時，V1隨冰厚增加而下降，從9.1 V下降至7.8 V；冰厚在2 mm以上時，V1隨冰厚增加時基本保持不變。V2在冰厚較小(0.4 mm以內(nèi))時，基本不變，冰厚大于0.4 mm后，隨冰厚增加而呈線性增加；V3隨冰厚的增加變化不明顯。

對比圖2、圖3，不同外界環(huán)境溫度時，輸出電壓隨冰厚的變化規(guī)律是一樣的。在實際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)可制定如下算法以實現(xiàn)對結(jié)冰厚度的判斷：當V2、V3均為0.5 V時，如果V1大于0.5 V，可判斷此時結(jié)冰厚度在0.4 mm以內(nèi)，此時可通過V1的值來標定精確冰厚；如果V1大于6 V，V2大于0.5 V，V3維持在0.5 V，可判斷此時冰厚在0.4 mm以上，此時根據(jù)輸出電壓V2的值，即可精確標定結(jié)冰厚度。標定結(jié)冰厚度后，當傳感器表面結(jié)冰厚度超過閾值時，系統(tǒng)發(fā)出告警信號。

3　雨水干擾試驗

3．1試驗說明

風力機葉片結(jié)冰檢測系統(tǒng)在實際使用過程中，會遇到雨水的干擾。當雨水降落在傳感器表面時，從傳感器中發(fā)射管射出的紅外光會反射至接收管，從而使系統(tǒng)產(chǎn)生一定的輸出電壓，如果數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)不對此進行區(qū)分，會造成系統(tǒng)產(chǎn)生錯誤的警報信息。為此，進行了雨水干擾試驗，并根據(jù)相應(yīng)的試驗結(jié)果制定相應(yīng)的算法，使系統(tǒng)能夠排除雨水干擾，避免在下雨時發(fā)出錯誤警報。

3．2試驗裝置

試驗使用了噴水角度、水滴粒徑和速度均可調(diào)的灑水槍，其噴出的水可模擬傳感器表面的雨水。同時需要一些防水裝置，以便對電子系統(tǒng)使用防水處理，防止其受到“雨水”的損害。

3．3試驗過程

連接并調(diào)試風力機葉片結(jié)冰檢測系統(tǒng)。確認系統(tǒng)無誤后，灑水槍分別從多個角度，向傳感器表面噴水，噴水時間持續(xù)180 s，整個試驗重復(fù)3次。每次試驗前，應(yīng)將傳感器表面的水擦拭干凈，使系統(tǒng)的輸出回到零點。

3．4試驗結(jié)果

取各次試驗的平均值，得到傳感器輸出V1的變化規(guī)律如圖4所示。在15 s時，V1有一個急劇上升的過程，這是因為此時開始向傳感器表面噴水；在15～165 s之間，V1在3 V左右跳動，這是因為傳感器表面的雨水并不是連續(xù)不變的，這也說明了傳感器的靈敏度很高；在165 s之后，V1有一個急劇的上升和下降，這是由擦拭引起的。V2和V3在整個雨水試驗過程中基本保持不變。

圖4　系統(tǒng)輸出電壓V1隨時間變化曲線

3．5試驗結(jié)果分析

由圖4和圖2、圖3分析可知，雨水和結(jié)冰情況下，V1的變化呈現(xiàn)如下規(guī)律：短時間(如6 s)內(nèi)的雨水不是連續(xù)的，且V1有升有降，V1波動較大；實際環(huán)境中，短時間內(nèi)的結(jié)冰趨勢一致，即一直增加、或保持不變、或一直減少，相應(yīng)地，V1一直增加、或保持不變、或一直減少。

根據(jù)以上規(guī)律，數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)可采取如下算法，以識別出雨水對系統(tǒng)的干擾。取6 s內(nèi)采集的V1、V2、V3，如果V1有升有降，且值在區(qū)間[2，4]內(nèi)，V2、V3維持在0.5V基本不變，V1的方差D(V1)大于0.5，則可判斷此時傳感器表面為雨水，而不是結(jié)冰。

4　現(xiàn)場結(jié)冰試驗

4．1試驗說明

整個系統(tǒng)的模擬環(huán)境結(jié)冰試驗和雨水干擾試驗均在實驗室中完成，系統(tǒng)受到的電磁干擾較小。然而在風力機現(xiàn)場環(huán)境下，電磁干擾很強，這對系統(tǒng)的抗電磁干擾能力提出了較高的要求。為了驗證系統(tǒng)在實際環(huán)境中的可行性，進行了現(xiàn)場試驗。

4．2試驗過程

綜合考慮安裝難度及對風力機葉片的結(jié)冰探測敏感度，將帶有傳感器的殼體安裝在風力機葉片根部的平臺上，將電子系統(tǒng)安裝在風力機的頂部機艙，將帶有數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)的計算機固定在風力機底部，并使系統(tǒng)保持開啟狀態(tài)。調(diào)試系統(tǒng)后發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)在現(xiàn)場的強電磁干擾下仍能正常工作。

現(xiàn)場大氣環(huán)境為：白天平均溫度在3 ℃以上，且空氣中液態(tài)水含量較低，不足以使葉片表面結(jié)冰；夜晚平均溫度在0 ℃左右，空氣中霧氣較重，液態(tài)水含量較高，葉片表面有可能會結(jié)冰?；趯ΜF(xiàn)場環(huán)境的分析，每天早上提取試驗數(shù)據(jù)，對其進行分析處理。

4．3試驗結(jié)果

提取傳感器的各路輸出電壓，V1變化較大，V2、V3基本不變。V1隨時間變化曲線如圖5所示。其中時間軸中的開始時刻為18：30：00，結(jié)束時刻為第二天凌晨01：30：00，其他時間段系統(tǒng)仍在工作，但是V1、V2、V3均保持不變，故不在圖中顯示。

圖5　系統(tǒng)輸出電壓V1隨時間變化曲線

4．4結(jié)果分析

圖5中，V1有兩次次緩慢上升和下降的過程，且電壓的變化緩慢，可以排除雨水的干擾，認為傳感器表面有結(jié)冰。根據(jù)發(fā)電廠監(jiān)控室提供的數(shù)據(jù)可知，當夜20：00左右和凌晨12：30左右的溫度在0 ℃以下，且空氣中霧氣很濃(即液態(tài)水含量較高)，達到了結(jié)冰的環(huán)境條件。因此，可認為該結(jié)冰檢測系統(tǒng)在現(xiàn)場環(huán)境下，準確地檢測了葉片表面的結(jié)冰狀態(tài)。

從風力機運行安全的角度考慮，僅進行了3 d的現(xiàn)場試驗。受大氣環(huán)境限制，沒有觀測到較厚的結(jié)冰，也沒有觀測到系統(tǒng)對雨水的抗干擾能力。因此，在系統(tǒng)的后續(xù)優(yōu)化中，需更全面地考慮安裝問題，使系統(tǒng)能夠長時間安全地運行在風力機上。

5　結(jié)束語

上述各試驗表明，文中介紹的風力機葉片結(jié)冰檢測系統(tǒng)能夠有效區(qū)分雨水對系統(tǒng)的干擾，實時檢測風力機葉片表面的結(jié)冰厚度。當結(jié)冰厚度超過設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)會發(fā)出報警信號，提示控制中心進行相應(yīng)的操作，保障風力機的運行安全。同時，該系統(tǒng)還具有功耗低、抗電磁干擾能力強等優(yōu)點，殼體的結(jié)構(gòu)以及安裝方式還可進一步改進?？傊?，該系統(tǒng)初步滿足風力機葉片的結(jié)冰檢測要求，具有很大的研究價值和工程應(yīng)用價值。目前，該系統(tǒng)正進入產(chǎn)品化和應(yīng)用階段。

參考文獻：

[1]陳彥，吳曉敏，葉欽巴圖，等．風力機葉片表面結(jié)冰模擬．中國工程物理學會傳熱傳質(zhì)學學術(shù)年會，東莞，2012．

[2]王建維，張海華．一種風電機組葉片結(jié)冰狀態(tài)檢測裝置：中國：201020638661．4[P]．2011-06-15．

[3]PARENT O，ILINCA A．Anti-icing and de-icing techniques for wind turbines Critical review．Cold Regions Science and Technology，2011，65：88-96．

[4]KRAJ A G K，BIBEAU E L B．Phases of icing on wind turbine blades characterized by ice accumulation．Renewable Energe，2010，35：966-972．

[5]DALILI N，EDRISY A，CARRIVEAU R．A review of surface engineering issues critical to wind turbine performance．ScienceDirect，2009，13：428-438．

[6]易賢，趙萍，陳坤，等．水平軸風力機結(jié)冰探測器設(shè)計．空氣動力學學報，2013，31(2)：260-264．

[7]李薇，葉林．光纖式結(jié)冰傳感器的試驗研究．華中科技大學學報(自然科學版)，2009，37(8)：16-19．

[8]陳斌，張浩，王立文．飛機地面積/除冰環(huán)境模擬與試驗研究．中國安全科學學報，2011，21(11)：96-102．

[9]鄒建紅，葉林，葛俊鋒，等．一種用于氣象觀測的的光纖結(jié)冰探測儀的研制．儀表技術(shù)與傳感器，2012(4)：15-18．

[10]許一飛，葉林，葛俊鋒，等．基于多傳感器技術(shù)的機場地面結(jié)冰檢測系統(tǒng)．儀表技術(shù)與傳感器，2012(9)：36-38．