風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)氣象站防凝凍技術(shù)研究

羅定夫 胡滿

摘 要：研究風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組氣象站防凝凍技術(shù)，增強(qiáng)氣象站在冰凍期間的可靠性，確保在冰凍期間風(fēng)機(jī)氣象站正常工作，從而保證風(fēng)機(jī)在冰凍期間運(yùn)行，降低葉片覆冰的可能性，極大減小葉片覆冰厚度，降低風(fēng)機(jī)故障率，提高風(fēng)機(jī)可利用率及發(fā)電能力。通過對(duì)實(shí)際風(fēng)力發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)觀察發(fā)現(xiàn)使用性能優(yōu)良的超聲波氣象站有效提高設(shè)備冰凍期間的可利用率。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;氣象站;防凝凍技術(shù)

1 概述

風(fēng)電場(chǎng)出現(xiàn)大面積冰凍停運(yùn)情況，當(dāng)時(shí)天氣狀況：大霧，空氣濕度82%，最高氣溫為4 ℃，最低氣溫為-2℃，平均風(fēng)速為9 m/s，最大風(fēng)速為12m/s。從15日凌晨1 時(shí)40分起，溫度從2℃左右急劇下降至-3℃。凌晨4時(shí)，風(fēng)場(chǎng)投入運(yùn)行的24臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組陸續(xù)全部故障停機(jī)。上位機(jī)監(jiān)控檢查24臺(tái)機(jī)組故障均為5309（風(fēng)向儀無擺動(dòng)故障）或5308（冰凍報(bào)警）。調(diào)取風(fēng)機(jī)歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：各臺(tái)因故障停運(yùn)機(jī)組風(fēng)速信號(hào)仍然有數(shù)值顯示但是明顯偏低，風(fēng)向儀保持一定數(shù)值長時(shí)間不變化。故判斷風(fēng)機(jī)有風(fēng)速、無風(fēng)向信號(hào)，無法識(shí)別風(fēng)況，導(dǎo)致故障停機(jī)。

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量分析可知：在2015年12月至2016年2月的冰凍期間，因結(jié)冰導(dǎo)致風(fēng)機(jī)停運(yùn)造成電量損失累計(jì)超過200萬kW·h，占每年損失電量比重較大?？梢?，冰凍對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶了巨大的損失。研究氣象站抗冰凍的方法顯得十分迫切。

2 氣象站結(jié)冰情況與分析

2.1 氣象站結(jié)冰情況

12月15日上午8時(shí)，維護(hù)人員登塔檢查停運(yùn)風(fēng)機(jī)狀況，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)氣象站完全被冰雪凍住，導(dǎo)致氣象站無法正常工作。檢查風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)加熱回路工作正常，用手觸摸氣象站表面，感覺到加熱效果，且冰雪堆積處有明顯融冰痕跡，但因溫度持續(xù)下降，覆冰太厚導(dǎo)致風(fēng)向標(biāo)旋轉(zhuǎn)部件凍住無法擺動(dòng)。出機(jī)艙用望遠(yuǎn)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。

2.2 氣象站結(jié)冰情況分析

通過在冰凍期內(nèi)對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況的長期跟蹤，氣象站結(jié)冰影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行的主要原因如下：①地處高寒山區(qū)，春冬兩季空氣濕度很大，能達(dá)到90% 以上，如遇氣溫急劇下降，冰凍情況嚴(yán)重。②風(fēng)機(jī)氣象站現(xiàn)有設(shè)備加熱功率（100 W）基本滿足要求，如遇持續(xù)降溫恐無法達(dá)到融冰要求。但如若大功率加熱器長時(shí)間加熱可能會(huì)造成設(shè)備內(nèi)精密元件的加速老化。③ 機(jī)械式氣象站風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速儀轉(zhuǎn)動(dòng)部位連接處為由于離加熱元件較遠(yuǎn)，較容易發(fā)生冰凍。④當(dāng)風(fēng)向標(biāo)結(jié)冰加上主控程序的設(shè)置不合理，而引發(fā)偏航系統(tǒng)進(jìn)入偏航死區(qū)內(nèi)，報(bào)扭纜故障告警，增加風(fēng)機(jī)故障概率。⑤風(fēng)機(jī)葉片結(jié)冰，將改變?nèi)~片迎風(fēng)面形狀，會(huì)增加塔架載荷和水平方向推力，損耗吸收進(jìn)葉輪的機(jī)械能。

3 氣象站抗冰凍措施及實(shí)施

3.1 解決問題的思路

根據(jù)風(fēng)機(jī)安裝位置氣候條件，冰凍季節(jié)長但單次冰凍時(shí)間普遍較短且回暖較快。只要解決風(fēng)機(jī)氣象站因冰凍不能正常工作的問題，風(fēng)機(jī)在冰凍情況下正常運(yùn)行，葉片表面涂有憎水材料，在動(dòng)態(tài)下不易覆冰且能利用離心力將附在表面的薄冰甩掉，從而可有效減輕風(fēng)機(jī)葉片覆冰情況，盡可能減少風(fēng)機(jī)冰凍期間因葉片結(jié)冰的停機(jī)。因此，可通過增強(qiáng)氣象站在冰凍期間的可靠性，確保在冰凍期間風(fēng)機(jī)氣象站正常工作，從而保證風(fēng)機(jī)在冰凍期間運(yùn)行，降低葉片覆冰的可能性，極大減小葉片覆冰厚度，降低風(fēng)機(jī)故障率，提高風(fēng)機(jī)可利用率及發(fā)電能力。

3.2 解決措施及效果分析

3.2.1大功率氣象站效果分析

1）目前使用的為浙江貝良所生產(chǎn)的BLF1-XⅡ大功率抗冰凍型風(fēng)速風(fēng)向儀。

2）存在的問題：①大功率氣象站在冰凍過程中有冰雪堆積，但其轉(zhuǎn)動(dòng)部分未被凍住，能正常工作，其融冰速度比普通機(jī)械式氣象站快4～5h;②加熱功率增大至100W 對(duì)周邊設(shè)備影響很小，但大功率加熱器容易元件加速老化;

3）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(duì)緩解冰凍影響有一定作用，但大功率加熱器長時(shí)間的工作，設(shè)備內(nèi)部長時(shí)間處于高溫狀態(tài)，造成內(nèi)部精密電子元件加速老化，嚴(yán)重影響設(shè)備的壽命。

3.2.2 更換超聲波氣象站

1）實(shí)施過程：于2015年11月在#10選用浙江貝良公司生產(chǎn)的BLF1-C型超聲波氣象站安裝于風(fēng)機(jī)氣象站風(fēng)向標(biāo)#2位置，并將超聲波氣象站風(fēng)況數(shù)據(jù)作為主導(dǎo)數(shù)據(jù)引入風(fēng)機(jī)進(jìn)行計(jì)算，機(jī)械式氣象站風(fēng)況數(shù)據(jù)作為輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。在#10風(fēng)機(jī)，超聲波氣象站加熱功率為最小140 W，且能在柱體內(nèi)部加熱，熱量能傳遞到測(cè)風(fēng)元件頂部，且基于其工作原理并無選裝部件大大減少冰凍旋轉(zhuǎn)部件的影響。

2）結(jié)冰情況：安裝超聲波測(cè)風(fēng)儀的#10風(fēng)機(jī)機(jī)械式氣象站被冰雪覆蓋，但超聲波氣象站能正常工作，能實(shí)時(shí)的讀取風(fēng)速數(shù)據(jù)及風(fēng)向;能正常的反應(yīng)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)的氣象數(shù)據(jù)。

3）在正常天氣情況下發(fā)現(xiàn)：#10號(hào)超聲波氣象站與其自身機(jī)械式氣象站比較，小風(fēng)時(shí)風(fēng)速高出1 ～ 1.5 m/s，大風(fēng)時(shí)高出2～ 3 m/s。有時(shí)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組誤報(bào)大風(fēng)小功率故障停機(jī)，此問題已聯(lián)系主控廠家做出程序修正。

4）結(jié)論：超聲波能將冰凍對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行影響減少至最低，能保證在整個(gè)冰凍期間氣象站不停運(yùn)。即在冰凍情況下能保證正常工作，風(fēng)速數(shù)據(jù)雖然偶爾偏高，易造成誤報(bào)故障，但通過程序修正解決且不會(huì)造成風(fēng)機(jī)停運(yùn)，因而葉片上覆冰很少，能保證風(fēng)機(jī)正常連續(xù)運(yùn)行。

4 主要結(jié)論

冰凍氣候?qū)︼L(fēng)力發(fā)電電量、風(fēng)機(jī)設(shè)備安全運(yùn)行的影響尤為突顯。

1）原裝的所有機(jī)械式抗冰凍的風(fēng)向風(fēng)速儀，因大功率持續(xù)長時(shí)間加熱等問題造成損壞（第一批次已損壞14臺(tái)），現(xiàn)已將24臺(tái)全部更換成優(yōu)化型抗冰凍型機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀。但是大功率加熱元件持續(xù)加熱對(duì)對(duì)精密元器件的損傷不可避免。因此，大功率氣象站設(shè)備在考慮加熱融冰的同時(shí)，關(guān)鍵的技術(shù)瓶頸仍然是精密電子元件的老化問題。

2）已更換超聲波氣象站的#10風(fēng)機(jī)，雖然測(cè)出風(fēng)速有些許偏差，但可通過后期程序修正解決。在冰凍天氣幾乎不會(huì)因?yàn)闅庀笳窘Y(jié)冰情況造成風(fēng)機(jī)停機(jī)的情況發(fā)生，大部分停機(jī)故障為大風(fēng)小功率，是由于葉片結(jié)冰造成，基本可滿足機(jī)組運(yùn)行要求。

3）目前，影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組冰凍時(shí)期的工作效率的主要原因是葉片結(jié)冰，而已非氣象站結(jié)冰，葉片結(jié)冰已經(jīng)成為了制約我國冰凍區(qū)域風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的一個(gè)難題。

參考文獻(xiàn)

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