風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片氣熱法防除冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅玉平，舒 禹，黃宜健，毛林波，李 偉

(1.大唐貴州新能源開發(fā)有限公司，貴州 貴陽 550009;2.貴州理工學(xué)院，貴州 貴陽 550003)

0 引言

在我國可再生能源持續(xù)大力開發(fā)和轉(zhuǎn)化利用的能源發(fā)展戰(zhàn)略驅(qū)動(dòng)下，風(fēng)力資源的開發(fā)利用得到了前所未有的發(fā)展機(jī)遇，提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)組年發(fā)電量是風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主生產(chǎn)管理和技術(shù)改進(jìn)的首要目標(biāo)。然而，地處云貴高原潮濕凝凍環(huán)境下的營運(yùn)風(fēng)電場(chǎng)，在冬季積冰期普遍存在風(fēng)機(jī)積冰運(yùn)行，有時(shí)積冰停運(yùn)期長達(dá)40余天，極大地影響了風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主經(jīng)營效益和安全生產(chǎn)。因此，預(yù)防和解決風(fēng)電機(jī)組葉片在冬季結(jié)冰期的結(jié)冰問題已成為該區(qū)域風(fēng)電場(chǎng)生產(chǎn)管理難題，攻克風(fēng)電機(jī)組在冬季結(jié)冰期的葉片防除冰技術(shù)，勢(shì)在必行，是提升云貴高原地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)營管理和安全生產(chǎn)水平的有效途徑之一[1-2]。

國內(nèi)外學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片防除冰技術(shù)進(jìn)行了大量的相關(guān)研究，發(fā)展了多種風(fēng)機(jī)葉片防除冰技術(shù)[3-6]。例如，采用葉片振動(dòng)和超聲除冰的葉片機(jī)械除冰法、采用涂料的葉片涂層防冰法和采用電能直接加熱的葉片熱力除冰法等。然而，這些葉片除冰方法都有其自身的工程應(yīng)用局限性，例如存在現(xiàn)場(chǎng)施工困難、效率較低、現(xiàn)場(chǎng)改造不可行和改造投資費(fèi)用較高等情況，難以有效推廣應(yīng)用。

近年來，針對(duì)營運(yùn)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組葉片防除冰工程應(yīng)用需求，采用氣熱法進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組葉片防除冰技術(shù)越來越引起重視[7-8]。與其他防冰技術(shù)比較，葉片氣熱法具有在現(xiàn)場(chǎng)易實(shí)現(xiàn)改造、易維護(hù)、除冰效率較高、設(shè)計(jì)與運(yùn)行靈活等工程技術(shù)優(yōu)勢(shì)。本文針對(duì)云貴高原風(fēng)電場(chǎng)當(dāng)前營運(yùn)的主流2 WM風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片氣熱法防除冰系統(tǒng)開展設(shè)計(jì)，同時(shí)就其中的關(guān)鍵問題進(jìn)行探討，為推進(jìn)該方法的工程應(yīng)用提供技術(shù)借鑒。

1 單支葉片內(nèi)加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

風(fēng)電機(jī)組通常采用水平軸三葉片設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，每支葉片的氣熱法防除冰方法及設(shè)計(jì)相同，現(xiàn)就單支葉片的氣熱法工作原理和設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

2 MW風(fēng)機(jī)葉片內(nèi)腔被剪切腹板分隔為前緣通道(葉片前緣側(cè))和后緣通道(葉片后緣側(cè))，兩通道在葉尖部位連通，在葉根處人孔板密封后葉片內(nèi)形成一個(gè)內(nèi)循環(huán)通道，如圖1所示。

圖1 葉片氣熱法防除冰工作示意

葉片內(nèi)氣熱法防除冰系統(tǒng)設(shè)備主要包括鼓風(fēng)機(jī)、加熱器、導(dǎo)風(fēng)管和擋風(fēng)板，在葉根輪轂處加熱控制系統(tǒng)控制下實(shí)現(xiàn)葉片加熱。

通常而言，葉片前緣結(jié)冰情況較嚴(yán)重，因而在葉片前緣通道內(nèi)靠近葉根處，設(shè)計(jì)并且安裝適當(dāng)功率(3 kW)鼓風(fēng)機(jī)和大功率加熱器(30 kW)，加熱器出口采用Φ200耐熱導(dǎo)風(fēng)管沿著葉尖方向安裝，約10 m位置處，繼續(xù)向前因空間狹窄難以施工。在導(dǎo)風(fēng)管出口處設(shè)計(jì)耐熱擋風(fēng)板，在固定導(dǎo)熱管的同時(shí)將出口熱空氣和葉根方向冷空氣隔離，保證熱空氣持續(xù)加熱葉片本體并向葉尖方向前緣通道和后緣通道在鼓風(fēng)機(jī)作用下強(qiáng)制熱空氣循環(huán)流動(dòng)。

加熱器導(dǎo)風(fēng)管出口溫度約60～80 ℃熱空氣，在葉片前緣通道內(nèi)進(jìn)行傳導(dǎo)和對(duì)流的熱交換過程，持續(xù)加熱葉片殼層材料本體，使葉片殼層外表面溫度上升。同時(shí)，隨著熱空氣在葉片內(nèi)前緣通道和后緣通道之間往復(fù)強(qiáng)制循環(huán)，葉尖部位、后緣通道和葉根部位的葉片材料在不同溫度下也被持續(xù)加熱，使得葉片外表面溫度上升。因而，只要存在熱空氣長時(shí)間持續(xù)加熱，葉片外表面溫度將會(huì)持續(xù)上升至0 ℃以上，達(dá)到在冬季結(jié)冰期實(shí)現(xiàn)葉片表面防除冰目的。

為了提高葉片加熱系統(tǒng)設(shè)備可靠性及保護(hù)風(fēng)機(jī)葉片，加熱器采用無級(jí)調(diào)功控制策略，以加熱器出口溫度為控制變量，考慮到葉片防除冰系統(tǒng)工作模式選擇要求，即防冰模式和除冰模式。

a.防冰模式。為在葉片表面臨近結(jié)冰模式下開啟葉片防除冰系統(tǒng)以達(dá)到葉片表面不結(jié)冰目的，根據(jù)環(huán)境結(jié)冰氣象條件嚴(yán)重程度可以選擇加熱器調(diào)功控制其出口溫度在70 ℃。

b.除冰模式。為在葉片表面結(jié)冰后進(jìn)行葉片表面的融冰除冰工作，通常在風(fēng)機(jī)停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行，根據(jù)葉片表面結(jié)冰嚴(yán)重程度可選擇加熱器調(diào)功控制其出口溫度在90 ℃。

2 加熱系統(tǒng)電源選擇與設(shè)計(jì)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常在風(fēng)機(jī)塔筒底部配置有80 kVA、690 V/400 V干式變壓器，為風(fēng)電機(jī)組提供400 V電壓的工作電源，在滿足風(fēng)電機(jī)組自身400 V工作負(fù)荷之外，提供給葉片加熱系統(tǒng)的加熱器功率不足，葉片防除冰加熱系統(tǒng)正常工作的加熱電源受到限制。同時(shí)，風(fēng)電機(jī)組葉片系統(tǒng)動(dòng)力電源和控制信號(hào)通過滑環(huán)裝置獲取，德國SCL68滑環(huán)裝置如圖2所示，配置4動(dòng)力環(huán)和28信號(hào)環(huán)分別作為葉片變槳控制電源和信號(hào)通道。在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)制造時(shí)，制造商通常僅考慮了葉片變槳控制所需的動(dòng)力環(huán)和信號(hào)航空插頭配置，包括動(dòng)力環(huán)負(fù)荷載流量(80 A)和信號(hào)通道數(shù)量(16)，未曾考慮作為葉片加熱防除冰系統(tǒng)用的備用配置。

圖2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組滑環(huán)裝置(SC168)

針對(duì)干式變壓器容量和滑環(huán)限制，結(jié)合葉片防除冰系統(tǒng)大功率加熱器功率和系統(tǒng)控制信號(hào)需求，從塔筒底部干式變壓器高壓側(cè)(690 V)引入獨(dú)立的動(dòng)力電源作為葉片防除冰系統(tǒng)工作使用，大功率加熱器和鼓風(fēng)機(jī)工作電壓選擇690 V電壓等級(jí)。更換并定制風(fēng)電機(jī)組滑環(huán)，新增4通道690 V動(dòng)力環(huán)以及配置相應(yīng)的動(dòng)力環(huán)和信號(hào)環(huán)航空插頭，滑環(huán)動(dòng)力通道及葉片加熱供電系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 滑環(huán)裝置改造及葉片加熱器供電系統(tǒng)示意

葉片加熱系統(tǒng)電源從滑環(huán)輸出端接入690 V工作電壓，采用并聯(lián)方式連接。這種接線方式，增加了風(fēng)機(jī)葉片加熱系統(tǒng)工作選擇的靈活性，可以同時(shí)進(jìn)行3支葉片加熱，也可以同時(shí)進(jìn)行2支葉片加熱或單支葉片加熱，同樣方便加熱持續(xù)時(shí)間選擇。

3 結(jié)冰監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

風(fēng)電機(jī)組葉片氣熱法防除冰系統(tǒng)中結(jié)冰監(jiān)測(cè)與運(yùn)行控制系統(tǒng)主要包括結(jié)冰監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析與處理、電氣控制和加熱器單元4個(gè)工作模塊，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 葉片加熱結(jié)冰監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

結(jié)冰監(jiān)測(cè)：采用雙光纖結(jié)冰監(jiān)測(cè)傳感器，安裝在風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙頂部，如圖5所示，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)電機(jī)組頂部結(jié)冰狀態(tài)，如結(jié)冰類型、厚度和速度等結(jié)冰技術(shù)參數(shù)。數(shù)據(jù)分析與處理：利用結(jié)冰技術(shù)參數(shù)，結(jié)合風(fēng)機(jī)葉片模型，采用流體計(jì)算估算葉片表面結(jié)冰分布和整體結(jié)冰量，借助現(xiàn)場(chǎng)工程數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和校正，進(jìn)而進(jìn)行葉片傳熱效率分析以制定或修正加熱器控制策略。電氣控制：采用PLC控制器，按照加熱器控制策略，結(jié)合葉片溫度監(jiān)測(cè)實(shí)施葉片加熱系統(tǒng)動(dòng)作、運(yùn)行和管理，上傳狀態(tài)監(jiān)測(cè)量與下達(dá)加熱單元執(zhí)行指令。加熱單元：接受PLC執(zhí)行指令啟動(dòng)運(yùn)行葉片內(nèi)鼓風(fēng)機(jī)和加熱器，產(chǎn)生強(qiáng)制循環(huán)熱空氣加熱葉片復(fù)合材料殼層，升高葉片表面溫度，以實(shí)現(xiàn)葉片表面防除冰目的。

圖5 風(fēng)機(jī)機(jī)艙頂部結(jié)冰傳感器

采用PLC邏輯控制，當(dāng)安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙頂部的葉片結(jié)冰傳感器獲得外部環(huán)境結(jié)冰信號(hào)后，將信號(hào)傳入加熱柜，然后與葉片內(nèi)的溫度傳感器所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)分析與除冰控制策略進(jìn)行比對(duì)，再經(jīng)過一系列的輸入/輸出口進(jìn)行邏輯分析，由PLC邏輯控制來判斷采用相應(yīng)的運(yùn)行模式。

葉片加熱系統(tǒng)運(yùn)行模式選擇如下：

a.防冰模式。當(dāng)外面環(huán)境溫度<-2 ℃、濕度>85%時(shí)，開啟防冰模式，加熱控制策略應(yīng)根據(jù)結(jié)冰監(jiān)測(cè)狀態(tài)相應(yīng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)在線防冰。

b.除冰模式。在接受到明確的結(jié)冰信號(hào)以后啟動(dòng)加熱器，開啟除冰模式，加熱控制策略根據(jù)結(jié)冰監(jiān)測(cè)狀態(tài)相應(yīng)調(diào)整，應(yīng)根據(jù)環(huán)境氣象條件、結(jié)冰速度和結(jié)冰厚度動(dòng)態(tài)計(jì)算出加熱控制策略除冰參數(shù)(除冰消耗功率和持續(xù)時(shí)間)。據(jù)此啟動(dòng)加熱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線除冰。

4 葉片氣熱法防除冰系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片氣熱法防除冰系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)改造是一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，項(xiàng)目工作量大，施工難度較高，受牽制影響因素較多，需要細(xì)致的技術(shù)勘測(cè)和設(shè)計(jì)，有備無患，才能實(shí)現(xiàn)成功的風(fēng)電機(jī)組氣熱法防除冰加熱系統(tǒng)改造、測(cè)試和運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)改造示意如圖6所示。

圖6 葉片加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

完整的風(fēng)電機(jī)組葉片氣熱法防除冰系統(tǒng)涉及到機(jī)組3支葉片同步工作，單支葉片內(nèi)加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)備選型與安裝布局相同，可采用獨(dú)立的加熱控制柜控制管理每支葉片工作，也可以采用葉根控制柜同時(shí)控制管理3支葉片內(nèi)加熱系統(tǒng)設(shè)備。在控制柜安裝位置選擇時(shí)，獨(dú)立控制柜布置在每支葉片內(nèi)部，共用葉根控制柜布置在機(jī)組輪轂空間合適位置，要特別注意加熱系統(tǒng)設(shè)備在葉片系統(tǒng)中布置均衡及安裝穩(wěn)固，避免給風(fēng)電機(jī)組葉片系統(tǒng)增加不平衡運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)載荷，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，導(dǎo)致影響機(jī)組壽命及發(fā)生機(jī)械意外的運(yùn)行事故。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片氣熱法防除冰系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)改造設(shè)計(jì)涉及的幾個(gè)關(guān)鍵問題如下：

a.周密的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)勘查。塔底變壓器容量確定和電壓選擇，安裝設(shè)備從塔底至機(jī)艙和葉根位置的運(yùn)送空間判斷，滑環(huán)技術(shù)參數(shù)與機(jī)組大軸穿孔尺寸確定，電纜鋪設(shè)施工和控制柜安裝地點(diǎn)確認(rèn)，葉片型號(hào)與技術(shù)參數(shù)獲得等等，盡可能地仔細(xì)判斷涉及到安裝空間和設(shè)備技術(shù)參數(shù)，為后續(xù)方案設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

b.確定葉片空間結(jié)構(gòu)與材料特性。掌握葉片空間結(jié)構(gòu)，結(jié)合葉片材料特性進(jìn)行葉片氣熱法加熱的可行性判定，運(yùn)用模擬傳熱和傳熱試驗(yàn)進(jìn)行葉片傳熱理論分析，為改造方案設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

c.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片內(nèi)加熱系統(tǒng)布局。針對(duì)改造葉片，進(jìn)入葉片內(nèi)進(jìn)行空間勘測(cè)，確定可進(jìn)入的葉片位置，確保導(dǎo)風(fēng)管和葉片擋風(fēng)板施工安裝可行；確定導(dǎo)風(fēng)管長度以及鼓風(fēng)機(jī)和加熱器安裝固定方式，選擇耐熱導(dǎo)風(fēng)管，依據(jù)葉片內(nèi)安裝位置截面空間形狀，設(shè)計(jì)擋風(fēng)板并確定導(dǎo)熱管穿孔。

d.滑環(huán)裝置選擇。機(jī)組滑環(huán)裝置對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組葉片傳熱系統(tǒng)改造至關(guān)重要，涉及到加熱動(dòng)力電源和控制系統(tǒng)通信。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝滑環(huán)技術(shù)參數(shù)及環(huán)道應(yīng)用情況，結(jié)合加熱系統(tǒng)功率和通信需求，確定滑環(huán)裝置的繼續(xù)使用或定制更換選擇。

e.加熱系統(tǒng)設(shè)備定制與安裝。根據(jù)風(fēng)機(jī)葉片加熱效率和功率選擇，定制鼓風(fēng)機(jī)、加熱器和葉根控制柜，鼓風(fēng)機(jī)功率選擇要確保葉片內(nèi)實(shí)現(xiàn)熱空氣強(qiáng)制循環(huán)，加熱器采取無級(jí)調(diào)功策略，確保葉片加熱方式的靈活選擇；加熱系統(tǒng)定制設(shè)備尺寸，要確保能從塔筒底部運(yùn)送到葉根部位，特別在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輪轂的進(jìn)入口以及葉片人孔位置，空間相對(duì)狹窄，設(shè)計(jì)時(shí)要謹(jǐn)慎考慮到這個(gè)安裝通道在運(yùn)送設(shè)備時(shí)的咽喉制約。

f.加熱系統(tǒng)通信與運(yùn)行管理。風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行控制與監(jiān)視管理通常在110 kV升壓站監(jiān)控中心SCADA系統(tǒng)上遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)。為了不影響風(fēng)電機(jī)組原有SCADA控制與管理系統(tǒng)正常運(yùn)行，葉片加熱防除冰系統(tǒng)要采取獨(dú)立的數(shù)據(jù)通信與管理系統(tǒng)，獨(dú)立運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)葉片加熱系統(tǒng)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集、顯示、管理與存儲(chǔ)。

5 結(jié)束語

采用模塊化思路，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)分析并總結(jié)了風(fēng)電機(jī)組葉片內(nèi)加熱系統(tǒng)構(gòu)成與設(shè)計(jì)、防除冰系統(tǒng)電源選擇與設(shè)計(jì)以及結(jié)冰監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容、技術(shù)要點(diǎn)與關(guān)鍵事項(xiàng)。

葉片內(nèi)加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)是風(fēng)電機(jī)組氣熱法防除冰系統(tǒng)構(gòu)建的核心環(huán)節(jié)，決定系統(tǒng)電源選擇和滑環(huán)裝置方案，從當(dāng)前某主流2 MW現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營機(jī)型角度初步設(shè)計(jì)了葉片加熱系統(tǒng)、確定供電電源和滑環(huán)裝置選擇。

結(jié)合風(fēng)電機(jī)組葉片氣熱法防除冰系統(tǒng)改造工程案例，分析了機(jī)組葉片系統(tǒng)加熱設(shè)備設(shè)計(jì)和安裝布局，提出了現(xiàn)場(chǎng)改造六項(xiàng)關(guān)鍵問題探討及改造工程經(jīng)驗(yàn)借鑒，對(duì)風(fēng)電機(jī)組氣熱法防除冰系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)改造及工程推廣應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)作用和工程意義。