大型風(fēng)電機(jī)組葉片的氣熱抗冰關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用實(shí)踐

■ 馮學(xué)斌 楊文濤* 陳海根 周強(qiáng) 嚴(yán)煜坤 周家興

(1.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司；2.國(guó)家電投江西電力有限公司新能源發(fā)電分公司)

0 引言

我國(guó)南方地區(qū)冬季的氣溫相對(duì)較高，但凍雨災(zāi)害頻發(fā)。出現(xiàn)凍雨較多的省份是貴州省，其次是湖南省、江西省、湖北省等，其中，高海拔山區(qū)比平原地區(qū)多發(fā)。凍雨是多種結(jié)冰方式中結(jié)冰速率最快的一種，其危害也最大[1-2]。

對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)電機(jī)組葉片的抗冰、抗凍技術(shù)，熱鼓風(fēng)加熱法是一種重要且常用的方法，并獲得了國(guó)內(nèi)外相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)研究的驗(yàn)證[3-7]，該技術(shù)被稱(chēng)為“氣熱抗冰”技術(shù)。本文針對(duì)我國(guó)南方及中西部地區(qū)所面臨的嚴(yán)重的結(jié)冰天氣，介紹了氣熱抗冰技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)結(jié)冰環(huán)境下的情況，為氣熱抗冰技術(shù)在風(fēng)電存量市場(chǎng)的推廣和應(yīng)用提供可行性評(píng)估依據(jù)。

1 氣熱抗冰系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 系統(tǒng)組成

由株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司自主開(kāi)發(fā)的氣熱抗冰系統(tǒng)采用了氣熱抗冰技術(shù)，該系統(tǒng)由葉片腔內(nèi)加熱系統(tǒng)和主機(jī)塔內(nèi)控制系統(tǒng)兩大部分組成。其中，葉片腔內(nèi)加熱系統(tǒng)主要由鼓風(fēng)機(jī)、加熱器、通風(fēng)管道、支架和安裝附件等組成；主機(jī)塔內(nèi)控制系統(tǒng)采用六柜式結(jié)構(gòu)，主要由3個(gè)葉根控制柜、1個(gè)機(jī)艙柜、1個(gè)電源分配箱和1個(gè)塔基柜及相應(yīng)電力、通信線纜組成，如圖1所示。

圖1 氣熱抗冰系統(tǒng)布局圖

1.2 工作原理

氣熱抗冰系統(tǒng)主要通過(guò)葉根部的裝置加熱空氣，然后通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)管道將熱空氣輸送到葉片內(nèi)部，以達(dá)到除冰、防冰的目的[8]。尤其是對(duì)已裝機(jī)的主流葉片進(jìn)行技改時(shí)可采用該系統(tǒng)。

圖2為葉片熱鼓風(fēng)工作原理示意圖，圖中紅色、黃色箭頭為氣流方向。葉片腔內(nèi)的氣流經(jīng)過(guò)加熱器加熱后沿紅色箭頭所指方向通過(guò)玻璃鋼引風(fēng)管吹向葉尖位置，氣流從葉尖通過(guò)與腹板形成的風(fēng)道形成完整的空氣循環(huán)流動(dòng)路線，腔內(nèi)空氣的循環(huán)加熱可有效加熱葉片結(jié)冰的前緣重點(diǎn)區(qū)域并兼顧葉片后緣和葉根段，達(dá)到葉片除冰、防冰的效果。

圖2 葉片熱鼓風(fēng)工作原理示意圖

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)我國(guó)南方面臨冰凍災(zāi)害的在役風(fēng)電機(jī)組，可采用在葉片內(nèi)腔布置加熱裝置和通風(fēng)管道的氣熱抗冰系統(tǒng)，并對(duì)氣熱抗冰技術(shù)的安全可靠性、實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了理論與實(shí)踐評(píng)估，具體研究?jī)?nèi)容如表1所示。

表1 在役風(fēng)電機(jī)組葉片氣熱抗冰系統(tǒng)技改關(guān)鍵技術(shù)

2 風(fēng)電場(chǎng)抗冰試驗(yàn)

本項(xiàng)目基于江西天湖山風(fēng)電場(chǎng)實(shí)施，通過(guò)對(duì)正在運(yùn)行的2MW機(jī)型葉片的加熱系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)電氣部分設(shè)計(jì)、結(jié)冰探測(cè)器選型和運(yùn)行信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)估，研究葉片氣熱抗冰技術(shù)的優(yōu)、缺點(diǎn)及適用性，并獲取對(duì)葉片的抗冰功能進(jìn)行技改時(shí)的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)過(guò)程的技術(shù)要點(diǎn)，使葉片氣熱抗冰技術(shù)這一科技創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際工程應(yīng)用。

為了驗(yàn)證加熱抗冰系統(tǒng)在風(fēng)電場(chǎng)結(jié)冰環(huán)境下的實(shí)用性、有效性、先進(jìn)性，積累優(yōu)化控制策略方面的經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)展了試驗(yàn)，包括4部分內(nèi)容：1)通電狀態(tài)測(cè)試；2)自動(dòng)運(yùn)行測(cè)試；3)靜態(tài)融冰效果測(cè)試；4)動(dòng)態(tài)防冰功能測(cè)試。

2.1 通用工具和測(cè)量設(shè)備

測(cè)試過(guò)程中涉及到的主要設(shè)備如表2所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)備及說(shuō)明

2.2 通電狀態(tài)測(cè)試

2.2.1 目的與環(huán)境要求

進(jìn)行通電狀態(tài)測(cè)試主要是為了檢測(cè)葉片氣熱抗冰系統(tǒng)的儀表及設(shè)備的工作狀態(tài)。通電狀態(tài)測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)狀態(tài)完好。對(duì)測(cè)試環(huán)境無(wú)特別要求。

2.2.2 試驗(yàn)過(guò)程

測(cè)試系統(tǒng)各頁(yè)面如圖3～圖6所示，分別對(duì)觸摸屏正常狀態(tài)及塔基柜、機(jī)艙柜、葉根柜中葉片腔內(nèi)加熱設(shè)備的顯示信息予以確認(rèn)并記錄。

圖3 觸摸屏正常狀態(tài)主頁(yè)面

圖4 塔基柜系統(tǒng)正常狀態(tài)主頁(yè)面

圖5 機(jī)艙柜系統(tǒng)正常狀態(tài)主頁(yè)面

圖6 葉根柜系統(tǒng)正常狀態(tài)主頁(yè)面

2.3 自動(dòng)運(yùn)行測(cè)試

2.3.1 目的與環(huán)境要求

進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行測(cè)試，主要是檢測(cè)葉片氣熱抗冰系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行、動(dòng)作和保護(hù)功能。試驗(yàn)環(huán)境需選擇結(jié)冰醞釀期。

2.3.2 試驗(yàn)過(guò)程

在塔基柜的觸摸屏上啟動(dòng)葉片氣熱抗冰系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行模式，開(kāi)關(guān)選擇如圖7所示，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境調(diào)整參數(shù)設(shè)置，直至氣熱抗冰系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)并自主運(yùn)行。

圖7 塔基柜的自動(dòng)運(yùn)行模式開(kāi)關(guān)選擇

圖8為結(jié)冰環(huán)境下加熱系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行的監(jiān)控界面。

由圖8可以看到，遠(yuǎn)程監(jiān)控畫(huà)面顯示了結(jié)冰環(huán)境下，系統(tǒng)已檢測(cè)到結(jié)冰并自動(dòng)運(yùn)行了此臺(tái)試驗(yàn)風(fēng)機(jī)的3支葉片的加熱設(shè)備。

圖8 結(jié)冰環(huán)境下加熱系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行監(jiān)控界面

圖9為系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行下的動(dòng)作與保護(hù)功能圖，圖中2、2.5、10、15 m分別代表距葉根的溫度傳感器的位置。

圖9 系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行下的動(dòng)作與保護(hù)功能圖

試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)濕度為100%、結(jié)冰值為100時(shí)，表示葉片“已結(jié)冰”。由于結(jié)冰探測(cè)器每隔10 min會(huì)自融，所以在結(jié)冰環(huán)境下會(huì)不斷發(fā)出“結(jié)冰/防冰”狀態(tài)指令，導(dǎo)致各個(gè)位置傳感器會(huì)因加熱設(shè)備的“啟?！倍S之波動(dòng)；且因2 m位置的熱空氣的溫度高達(dá)上限，實(shí)現(xiàn)了高溫報(bào)警而停止加熱的保護(hù)動(dòng)作。系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行與關(guān)停時(shí)會(huì)實(shí)現(xiàn)“鼓風(fēng)機(jī)較加熱器先開(kāi)后關(guān)”的原則，防止加熱器在無(wú)空氣散熱的情況下干燒，這體現(xiàn)了加熱器與鼓風(fēng)機(jī)“起?；ユi”的功能；加熱設(shè)備在“結(jié)冰/防冰”工作模式下會(huì)有不同的功率輸出，這體現(xiàn)了其智慧節(jié)能的功能。

由以上可知，加熱設(shè)備在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下會(huì)根據(jù)控制邏輯進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作，包括除冰/防冰模式轉(zhuǎn)換、功率調(diào)節(jié)、高溫報(bào)警、加熱器與鼓風(fēng)機(jī)起?；ユi等，達(dá)到智慧節(jié)能和安全保護(hù)的目的。

2.4 靜態(tài)融冰效果測(cè)試

2.4.1 目的與環(huán)境要求

靜態(tài)融冰效果測(cè)試需在葉片覆冰停機(jī)時(shí)進(jìn)行測(cè)試，主要目的是為了檢測(cè)風(fēng)電機(jī)組在結(jié)冰停機(jī)狀態(tài)下，是否可有效實(shí)現(xiàn)葉片氣熱抗冰系統(tǒng)的除冰效果。

2.4.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)前，將風(fēng)輪處于靜止?fàn)顟B(tài)，用照相設(shè)備和熱成像儀對(duì)試驗(yàn)葉片覆冰狀態(tài)和表面溫度分布情況進(jìn)行觀察。圖10和圖11顯示了除冰過(guò)程中的葉尖表面狀態(tài)的變化。

圖10 風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰狀態(tài)下的環(huán)境溫度檢測(cè)

圖11 風(fēng)力機(jī)葉片融冰過(guò)程視頻瞬間

圖12和圖13分別是對(duì)因結(jié)冰而停機(jī)的風(fēng)力機(jī)中1支葉片進(jìn)行加熱前后的覆冰狀態(tài)對(duì)比照片。

靜態(tài)融冰效果測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在環(huán)境溫度為-10 ℃左右時(shí)，對(duì)因結(jié)冰導(dǎo)致停機(jī)的葉片可有效除冰。

圖12 加熱前的1支葉片覆冰狀態(tài)

圖13 加熱后的葉片前緣無(wú)冰狀態(tài)

2.5 動(dòng)態(tài)防冰功能測(cè)試

2.5.1 目的與環(huán)境要求

動(dòng)態(tài)防冰功能測(cè)試的目的是檢測(cè)在風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰的環(huán)境下，氣熱抗冰系統(tǒng)的防冰效果。試驗(yàn)環(huán)境為葉片結(jié)冰時(shí)且風(fēng)速不低于5 m/s。

2.5.2 試驗(yàn)過(guò)程

葉片除冰后啟動(dòng)風(fēng)力機(jī)使其發(fā)電，直至滿出力后，觀察風(fēng)力機(jī)處于結(jié)冰環(huán)境下的葉片防冰的有效性和可持續(xù)性。

圖14是葉片除冰后在結(jié)冰環(huán)境下持續(xù)防冰24 h時(shí)表面的無(wú)冰狀態(tài)，圖15是葉片在無(wú)冰狀態(tài)下的局部熱成像儀溫度分布檢測(cè)，表面的融熔水膜維持在0 ℃左右。

圖14 防冰模式下的葉片表面無(wú)冰狀態(tài)

圖15 防冰模式下葉片的表面溫度分布

圖16 防冰模式下風(fēng)力機(jī)葉片加熱系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行數(shù)據(jù)圖

圖16為防冰試驗(yàn)期間根據(jù)控制邏輯進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作的數(shù)據(jù)圖。

測(cè)試結(jié)果表明，氣熱抗冰系統(tǒng)在結(jié)冰環(huán)境下可以使葉片達(dá)到持續(xù)防冰的效果，并可持續(xù)正常發(fā)電。

3 效益展望

3.1 發(fā)電量提升預(yù)測(cè)

基于江西天湖山風(fēng)電場(chǎng)，持續(xù)收集2018年1月5-11日和1月26日～2月6日共22天內(nèi)采用氣熱抗冰系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組T29-04結(jié)冰期的發(fā)電數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)與同個(gè)風(fēng)電場(chǎng)中的普通風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電情況進(jìn)行對(duì)比，具體如圖17所示。

圖17 采用氣熱抗冰系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組與普通風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖17可知，采用氣熱抗冰系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組T29-04在結(jié)冰環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了滿功率運(yùn)行。

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知，在2018年冰凍期，采用氣熱抗冰系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組與普通風(fēng)電機(jī)組相比，其平均每小時(shí)增加發(fā)電量970 kWh。江西天湖山風(fēng)電場(chǎng)處于南方Ⅳ 類(lèi)風(fēng)區(qū)，氣熱抗冰系統(tǒng)的可利用率達(dá)到90%以上，因此，單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組在22天冰凍期內(nèi)的收益為：22天×24 h/天×970 kWh /h×90% =46.1萬(wàn)kWh。

根據(jù)該風(fēng)電場(chǎng)2015～2017年的發(fā)電數(shù)據(jù)，冬季為全年盛風(fēng)期，單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組未采用氣熱抗冰系統(tǒng)前，每年因結(jié)冰導(dǎo)致的發(fā)電量損失理論計(jì)算值約為30萬(wàn)kWh，而其年發(fā)電量約為550萬(wàn)kWh。因此，采用氣熱抗冰系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組的年均發(fā)電量提升空間為：30÷550×100%=5.45%。

3.2 潛在收益

風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境十分惡劣，葉片作為風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)遭受各種環(huán)境的考驗(yàn)，尤其是葉片表面的結(jié)冰問(wèn)題，是一個(gè)亟待解決的難點(diǎn)。葉片結(jié)冰后，其氣動(dòng)外形會(huì)發(fā)生改變，將會(huì)造成風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電功率降低。葉片結(jié)冰嚴(yán)重時(shí)，風(fēng)電機(jī)組必須要停機(jī)，而這樣做除了會(huì)影響發(fā)電外，結(jié)冰還會(huì)造成葉片質(zhì)量不平衡，增加風(fēng)電機(jī)組部件的疲勞損傷；此外，伴隨葉片旋轉(zhuǎn)甩出的冰塊會(huì)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)附近的人、畜及建筑等造成危害。

3.3 社會(huì)效益

風(fēng)電機(jī)組葉片結(jié)冰問(wèn)題是一項(xiàng)全球性技術(shù)難題[6-7]。本項(xiàng)目基于江西天湖山風(fēng)電場(chǎng)對(duì)葉片抗冰技術(shù)進(jìn)行了研究，課題成果除可以指導(dǎo)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部風(fēng)電機(jī)組葉片的抗冰情況外，還可以指導(dǎo)江西甚至整個(gè)面臨冰凍災(zāi)害的南方省份風(fēng)電場(chǎng)的技改工作，并會(huì)對(duì)促進(jìn)低風(fēng)速地區(qū)風(fēng)資源開(kāi)發(fā)帶來(lái)積極的行業(yè)效益和社會(huì)效益。

4 結(jié)論

本文針對(duì)大型風(fēng)電機(jī)組葉片的氣熱抗冰系統(tǒng)的工程化應(yīng)用開(kāi)展了相關(guān)的風(fēng)電場(chǎng)試驗(yàn)，并介紹了該技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)結(jié)冰環(huán)境下的情況，為氣熱抗冰技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化推廣提供了有效的評(píng)估依據(jù)。研究結(jié)論為：

1)通電狀態(tài)測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)狀態(tài)完好，具有全面的信號(hào)采集功能和人機(jī)交互界面。

2)自動(dòng)運(yùn)行測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在風(fēng)電機(jī)組結(jié)冰氣候醞釀期可實(shí)現(xiàn)適時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，并能根據(jù)控制邏輯實(shí)現(xiàn)除冰/防冰模式轉(zhuǎn)換、功率調(diào)節(jié)、高溫報(bào)警、加熱器與鼓風(fēng)機(jī)起?；ユi等功能。

3)靜態(tài)融冰效果測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在環(huán)境溫度為-10 ℃左右時(shí)，對(duì)因結(jié)冰導(dǎo)致停機(jī)的葉片能夠有效除冰。

4)動(dòng)態(tài)防冰功能測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在結(jié)冰環(huán)境下可以使葉片達(dá)到持續(xù)防冰的效果并持續(xù)正常發(fā)電。

該項(xiàng)目通過(guò)2018年初我國(guó)南方典型結(jié)冰環(huán)境的試驗(yàn)，證明氣熱抗冰系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)葉片抗冰，且采用該技術(shù)滿足了國(guó)家電投集團(tuán)科技項(xiàng)目的預(yù)期目標(biāo)，可在我國(guó)南方及中西部風(fēng)區(qū)得到優(yōu)先推廣。