風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片防覆冰保護(hù)策略

一、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片覆冰機(jī)理

水存在氣相、液相和固相三種形態(tài)，當(dāng)氣液兩相平衡不穩(wěn)定時(shí)，過(guò)冷水會(huì)因冷凝核作用形成固體冰。覆冰是受氣象、環(huán)境等多因素影響的復(fù)雜物理現(xiàn)象，其形態(tài)和性質(zhì)與形成條件密切相關(guān)。根據(jù)葉片工作狀態(tài)和環(huán)境差異，覆冰主要分為云中覆冰和降水覆冰兩類(lèi)：云中覆冰多發(fā)生在葉片運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由過(guò)冷水滴撞擊葉片表面凍結(jié)形成，依水滴直徑不同可形成霧淞或冰霜；降水覆冰則在葉片靜止時(shí)發(fā)生，由過(guò)冷水滴或濕雪花吸附凍結(jié)而成，冰層致密厚重，破壞性更強(qiáng)[]。

二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片覆冰的影響及判斷

（一）風(fēng)機(jī)葉片覆冰的影響

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片覆冰會(huì)產(chǎn)生多方面影響。在風(fēng)能利用效率上，覆冰扭曲葉片外形與流場(chǎng)，使升力系數(shù)大幅降低、阻力系數(shù)增加，導(dǎo)致風(fēng)能利用率下降，重度覆冰可使機(jī)組功率輸出不足額定值的 10% 。對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行而言，覆冰增加葉片粗糙度與摩擦阻力，降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、引發(fā)扭矩波動(dòng)，造成機(jī)組過(guò)載，軸承溫度升高、損耗加大、壽命縮短，嚴(yán)重時(shí)觸發(fā)停機(jī)。在葉片材料方面，覆冰增加葉片質(zhì)量，多種載荷疊加使葉根受力與扭矩劇增，共振時(shí)易引發(fā)葉片根部損壞甚至疲勞斷裂[]。

（二）風(fēng)機(jī)葉片覆冰現(xiàn)象判斷

風(fēng)機(jī)葉片覆冰可從五方面評(píng)估： ① 風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)性能下降，偏離設(shè)計(jì)性能曲線； ② 風(fēng)速計(jì)顯示正常，偏差小，風(fēng)速測(cè)量無(wú)異常； ③ 風(fēng)向指示燈正常，偏航角與風(fēng)向角偏差在10度以內(nèi)（依機(jī)型死區(qū)調(diào)整）； ④ 無(wú)AGC、當(dāng)電網(wǎng)電能質(zhì)量異?；蚴謩?dòng)功率限制啟動(dòng)時(shí)，若風(fēng)機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)且葉片全開(kāi)（零度），則需重點(diǎn)關(guān)注其運(yùn)行特性； ⑤ 在風(fēng)機(jī)機(jī)艙溫度低于 5^°C ，并伴隨大雪、濃霧或強(qiáng)降雨等高濕度氣象條件下，設(shè)備性能可能顯著下降。若上述條件均滿足，應(yīng)根據(jù)制造商的安全規(guī)范采取緊急停機(jī)措施，并及時(shí)派遣技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查與評(píng)估。

三、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片覆冰檢測(cè)及保護(hù)控制

依托現(xiàn)有設(shè)施，在系統(tǒng)中新增溫濕度監(jiān)測(cè)單元，并整合變槳電機(jī)功率特征分析、機(jī)艙振動(dòng)檢測(cè)及扭矩偏差預(yù)警等功能模塊，建立多維度綜合評(píng)估體系，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片結(jié)冰狀態(tài)的精確判斷，從而提升其在嚴(yán)寒環(huán)境下的運(yùn)行穩(wěn)定性，減少覆冰帶來(lái)的安全隱患。

（一）控制系統(tǒng)保護(hù)一

智能覆冰運(yùn)行控制策略通過(guò)評(píng)估覆冰狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)控風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行，基于檢測(cè)結(jié)果主動(dòng)優(yōu)化氣動(dòng)特性，提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)的負(fù)荷與發(fā)電效率。覆冰狀態(tài)下分為三種運(yùn)行模式[3：

1.防凍保護(hù)模式：初始覆冰階段，機(jī)組通過(guò)在線軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控切換至防凍模式，識(shí)別凍結(jié)條件并調(diào)整葉片傾角，改善升力系數(shù)，避免葉片拍打，保障運(yùn)行可靠性。

2.嚴(yán)重覆冰停機(jī)模式：當(dāng)天氣惡化導(dǎo)致覆冰加重，葉片無(wú)法有效捕風(fēng)，設(shè)備在強(qiáng)風(fēng)下功率低于額定值的 10% ，且因振動(dòng)過(guò)高或無(wú)法并網(wǎng)，連續(xù)三次故障后啟動(dòng)停機(jī)保護(hù)。

3.霜凍恢復(fù)模式：通過(guò)軟件持續(xù)監(jiān)測(cè)，若判定為非凍結(jié)狀態(tài)則重啟機(jī)組，根據(jù)啟動(dòng)性能與振動(dòng)評(píng)估覆冰消除情況。若正常啟動(dòng)則回歸常規(guī)運(yùn)行；若仍存在振動(dòng)故障或性能不達(dá)標(biāo)，嘗試三次啟動(dòng)后按流程處置。（覆冰功率曲線見(jiàn)圖1）。

（二）控制系統(tǒng)保護(hù)二

1.敏感防凍。如果薄冰觸發(fā)薄冰警告線（理論發(fā)電量的 55% ），則執(zhí)行保護(hù)停機(jī)。

2.在輕度覆冰預(yù)警期間，系統(tǒng)通過(guò)俯仰控制策略降低載荷，實(shí)現(xiàn)帶冰運(yùn)行；若檢測(cè)到重度覆冰且理論發(fā)電量降至 25% 時(shí)，將觸發(fā)強(qiáng)制停機(jī)機(jī)制。在極端覆冰疊加強(qiáng)風(fēng)等惡劣工況下，為確保設(shè)備安全，需采取預(yù)防性停機(jī)措施進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避。

上述兩種模式觸發(fā)關(guān)機(jī)后，若設(shè)備檢測(cè)到環(huán)境溫度出現(xiàn)顯著變化且溫升幅度超過(guò)預(yù)設(shè)閾值 T^°C 并持續(xù)保持該狀態(tài)超過(guò)H小時(shí)，則系統(tǒng)將自動(dòng)重啟運(yùn)行。其對(duì)應(yīng)的覆冰率變化曲線見(jiàn)圖2。

該方法對(duì)板材結(jié)構(gòu)無(wú)改動(dòng)，只需添加加熱器與熱風(fēng)管，適用性廣，新舊葉片均可安裝。

但因葉片材料導(dǎo)熱差，熱量傳遞效率低，導(dǎo)致防冰除冰耗時(shí)久、耗電多，且設(shè)備安裝與電纜更新改造成本高。

2.電加熱方法。在葉片生產(chǎn)時(shí)內(nèi)置由加熱元件、逆變器等構(gòu)成的電制冰系統(tǒng)（見(jiàn)圖4）。其原理是利用電阻加熱元件（如碳布）將電能轉(zhuǎn)化為熱能提升葉片表面溫度?？紤]成本與效率，在遠(yuǎn)離葉根2/3、靠近葉尖1/3的葉片前緣鋪設(shè)加熱元件，可實(shí)現(xiàn)快速除冰。

在葉片內(nèi)部加熱薄膜的方法可以實(shí)現(xiàn)更好的結(jié)冰和除冰，不過(guò)，該方法僅適用于新制葉片，無(wú)法用于現(xiàn)有葉片改造，且葉片電加熱及內(nèi)部電阻線鋪設(shè)，易遭雷擊，還會(huì)因葉片極化、波動(dòng)，導(dǎo)致電阻絲易斷裂失效，后期維護(hù)困難。

四、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片防覆冰措施

（一）熱能防冰除冰

熱能防冰除冰是利用各種熱能對(duì)葉片進(jìn)行加熱，使葉片表面溫度超過(guò)0^°C ，達(dá)到防冰除霜的目的。該方法包括兩種常用方法：氣體加熱和電加熱。

1.氣體加熱方法。在氣輪轂內(nèi)裝加熱裝置，葉片內(nèi)設(shè)加熱通風(fēng)管，使熱空氣循環(huán)實(shí)現(xiàn)防冰除冰（見(jiàn)圖3）。

（二）涂層防冰

涂層防冰基于荷葉效應(yīng)，超疏水涂層憑借高水接觸角使水難以浸潤(rùn)表面，形成水滴后易滾落，其微納米結(jié)構(gòu)還能抑制過(guò)冷水凍結(jié)，并具自清潔能力。不過(guò)，現(xiàn)有涂層防冰技術(shù)無(wú)法徹底杜絕葉片結(jié)冰，僅能延緩結(jié)冰、縮短結(jié)冰周期，且涂層使用壽命有限，長(zhǎng)期防冰效果欠佳。在風(fēng)機(jī)葉片防水除冰方案中，電除冰雖效果佳但適配新葉片，氣熱除冰效率待驗(yàn)證，相比之下，涂覆防冰涂層安全性高，時(shí)效雖短，但可通過(guò)定期涂抹維持防護(hù)效果。

五、結(jié)束語(yǔ)

在多山、高濕地區(qū)風(fēng)力發(fā)電的核心挑戰(zhàn)是葉片覆冰導(dǎo)致發(fā)電效率銳減與設(shè)備損耗?，F(xiàn)有技術(shù)中，超聲波阻尼檢測(cè)優(yōu)勢(shì)顯著，可通過(guò)分析葉片振動(dòng)阻尼變化精準(zhǔn)判斷覆冰狀態(tài)及厚度（精度±0.5mm） ，且不影響氣動(dòng)外形。超聲波除冰技術(shù)能耗低（僅為電熱除冰的1/5）、非接觸，與超疏水涂層形成的協(xié)同體系，可有效應(yīng)對(duì)多種覆冰場(chǎng)景。該復(fù)合方案的試點(diǎn)應(yīng)用，能使覆冰停機(jī)時(shí)間減少 70% 以上，為高海拔寒冷地區(qū)機(jī)組運(yùn)行提供創(chuàng)新路徑。匪

參考文獻(xiàn)：

[1]朱名巖、鄧勝祥。基于FLUENT的風(fēng)力機(jī)葉片翼型NRELS809覆冰的數(shù)值模擬[J].太陽(yáng)能，2019（1）：61-66.

[2]楊大川。葉片覆冰對(duì)風(fēng)力機(jī)功率特性的影響[D].重慶大學(xué)，2019.

[3]羅夢(mèng)維。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片損壞物理過(guò)程[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2017（6）：62-63.作者單位：江蘇金風(fēng)軟件技市有限公司