王雪冬

摘要：由于全球范圍內(nèi)能源短缺和生態(tài)環(huán)境的日益惡化，人們逐漸認(rèn)識(shí)到風(fēng)能的地位和作用，越來(lái)越清醒地認(rèn)識(shí)到開(kāi)發(fā)清潔能源、保護(hù)大氣環(huán)境已是迫在眉捷。風(fēng)能的利用價(jià)值和地位日益顯著，近5年來(lái)，我國(guó)利用風(fēng)力發(fā)電的研究得到了迅速的發(fā)展，且效果顯著。本論文詳細(xì)介紹了研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片防覆冰技術(shù)的目的和現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)葉片表面覆冰形成的過(guò)程及條件作了詳細(xì)介紹，通過(guò)葉片覆冰情況分析和風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控及時(shí)發(fā)現(xiàn)葉片覆冰狀況，得出葉片覆冰影響以及解決方案。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)葉片；覆冰；影響；解決方案

中圖分類號(hào)：TK83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著人們逐漸認(rèn)識(shí)到風(fēng)力發(fā)電在減輕環(huán)境污染、調(diào)整電網(wǎng)中的能源結(jié)構(gòu)以及解決偏遠(yuǎn)地區(qū)居民用電問(wèn)題等方面的突出作用，無(wú)論從調(diào)整電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，還是從商業(yè)化方面都使人們開(kāi)始重視發(fā)展風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)電也成為近年來(lái)世界上增長(zhǎng)最快的能源之一。截至2016年底，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)總量達(dá)到約168，690MW，占全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)總量的34.7%。，然而風(fēng)電迅猛發(fā)展的同時(shí)，并網(wǎng)風(fēng)機(jī)對(duì)電網(wǎng)影響的逐步加大，也對(duì)風(fēng)電設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的要求。

1 風(fēng)機(jī)葉片覆冰的目的和意義

隨著目前的二氧化碳排放，酸雨，能源短缺等問(wèn)題變得越來(lái)越激烈，風(fēng)能作為一種清潔的可再生資源，任何傳統(tǒng)能源都無(wú)法避免的環(huán)境污染問(wèn)題，在世界范圍內(nèi)得到了越來(lái)越多的重視。我國(guó)有遼闊的草原和漫長(zhǎng)的海岸線，風(fēng)能儲(chǔ)量豐富，然而豐富的風(fēng)力資源主要分布在寒冷的北部和潮濕的沿海地帶，其環(huán)境非常惡劣[4]。風(fēng)力發(fā)電風(fēng)機(jī)在攝氏零度以及零度以下低溫條件下運(yùn)行時(shí)，如果遇到潮濕空氣、雨水、鹽霧、冰雪，特別是遇到過(guò)冷卻水滴后，就會(huì)發(fā)生凍冰現(xiàn)象。風(fēng)機(jī)葉片覆冰后，會(huì)產(chǎn)生很大的危害。

葉片覆冰后就會(huì)產(chǎn)生較大的冰載，影響葉片的壽命，而且加載在每個(gè)葉片上的并載不盡相同，使得機(jī)組的不平衡載荷增大，若繼續(xù)運(yùn)行，對(duì)機(jī)組產(chǎn)生非常大的危害，若停機(jī)，常年處于低溫地區(qū)的機(jī)組利用率大大降低[1]。

風(fēng)機(jī)葉片覆冰后，由于葉片每個(gè)截面覆冰厚度不一，使得葉片原有的翼型改變，大大影響風(fēng)電機(jī)組的載荷和出力，使得風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率大打折扣；

葉片表面覆冰后，隨著溫度升高，冰塊就會(huì)脫落，會(huì)對(duì)機(jī)組和現(xiàn)場(chǎng)人員造成很大的安全隱患。

在我國(guó)，風(fēng)電機(jī)組大多安裝在常年冰雪環(huán)境及其惡劣的北方，以及濕氣鹽霧較嚴(yán)重的沿海地帶，我國(guó)各省市多發(fā)大霧及凍雨天氣的地區(qū)，每年的2、3月份和11月份尤其嚴(yán)重，在這種天氣下，風(fēng)機(jī)極易發(fā)生葉片覆冰狀況[2]。如果葉片結(jié)冰，不僅機(jī)組出力差，利用率低，風(fēng)機(jī)會(huì)發(fā)生不同程度的出力不足現(xiàn)象，影響設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，嚴(yán)重者更會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞葉片、風(fēng)機(jī)倒塔，甚至對(duì)人身安全帶來(lái)威脅。因此開(kāi)展預(yù)防風(fēng)機(jī)結(jié)冰新技術(shù)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。而2、3月份和11月份又是每年的大風(fēng)季節(jié)，風(fēng)機(jī)的發(fā)電量勢(shì)必受到嚴(yán)重影響。如何通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控，及時(shí)的發(fā)現(xiàn)葉片覆冰狀況？風(fēng)機(jī)葉片覆冰時(shí)應(yīng)該如何正確處理等一系列問(wèn)題應(yīng)引起我們的關(guān)注和思考[3]。

2 葉片覆冰情況分析

環(huán)境氣溫在零度左右時(shí)的大霧及凍雨天氣是造成風(fēng)機(jī)葉片覆冰的主要原因。此時(shí)的風(fēng)機(jī)葉片會(huì)觸碰到較低的云層。葉片覆冰初期，葉片表面有薄冰形成，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出力不足、風(fēng)速與功率不匹配現(xiàn)象；當(dāng)葉片覆冰嚴(yán)重時(shí)，因葉片表面形成的不規(guī)則覆冰，改變了葉片的氣動(dòng)外形，從而導(dǎo)致了葉片失速可能比設(shè)計(jì)預(yù)期提前或延后。那么變槳控制也會(huì)隨之做出錯(cuò)誤判斷。發(fā)電功率出現(xiàn)較大幅度的振蕩，并隨覆冰程度直至衰減到零功率運(yùn)行。（葉片覆冰所引起的風(fēng)機(jī)出力不足，不屬于風(fēng)機(jī)降容運(yùn)行，風(fēng)機(jī)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩不會(huì)隨之發(fā)生變化）。

3 通過(guò)風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控及時(shí)發(fā)現(xiàn)葉片覆冰狀況。

在遇有這種天氣時(shí)，運(yùn)行人員應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備監(jiān)視，細(xì)心觀察風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的風(fēng)速、風(fēng)向、出力及風(fēng)機(jī)變槳角度、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速等參數(shù)變化。及時(shí)發(fā)現(xiàn)葉片覆冰狀況。運(yùn)行人員在對(duì)風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)觀察時(shí)，可由以下幾方面進(jìn)行比較和判斷：

（1）負(fù)荷參數(shù)的對(duì)比分析：對(duì)鄰近風(fēng)機(jī)及同一集電線路上的風(fēng)機(jī)進(jìn)行參數(shù)對(duì)比。如在相同風(fēng)速和風(fēng)向時(shí)，臨近風(fēng)機(jī)是否發(fā)生負(fù)荷差異過(guò)大的情況；這種負(fù)荷差異的情況，在風(fēng)速較大時(shí)表現(xiàn)的會(huì)比較明顯，而在風(fēng)速較小時(shí)需仔細(xì)觀察。

（2）功率曲線的對(duì)比分析：如發(fā)現(xiàn)有負(fù)荷差異過(guò)大的風(fēng)機(jī)，繼續(xù)觀察此風(fēng)機(jī)的瞬時(shí)風(fēng)速、60s平均風(fēng)速和10min平均風(fēng)速，并與該型號(hào)風(fēng)機(jī)的功率曲線進(jìn)行對(duì)比分析，做進(jìn)一步判斷。

（3）對(duì)風(fēng)角度、風(fēng)向的對(duì)比分析：檢查該風(fēng)機(jī)的偏航角度、對(duì)風(fēng)角度、瞬時(shí)風(fēng)向及25s平均風(fēng)向等參數(shù)，觀察風(fēng)機(jī)兩個(gè)風(fēng)速風(fēng)向儀數(shù)據(jù)是否一致，并與鄰近風(fēng)機(jī)的對(duì)風(fēng)角度相比較，以此判斷是否為風(fēng)機(jī)的風(fēng)速風(fēng)向儀發(fā)生故障而排除由于葉片覆冰影響導(dǎo)致；

（4）對(duì)風(fēng)機(jī)變槳情況的觀察分析：觀察風(fēng)機(jī)三個(gè)葉片的變槳角度，是否可隨風(fēng)速、負(fù)荷的變化進(jìn)行正常變槳（因葉片結(jié)冰改變氣動(dòng)外形，且葉片載荷發(fā)生變化，變槳控制系統(tǒng)會(huì)使槳葉在10°以上角度頻繁調(diào)整）。

（5）排除其它影響風(fēng)機(jī)出力的缺陷：查看該臺(tái)風(fēng)機(jī)其它運(yùn)行參數(shù)及近期的設(shè)備記錄，考慮是否發(fā)生過(guò)變頻器出力不足等相關(guān)的缺陷。

（6）借助風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控設(shè)備分析風(fēng)機(jī)主傳動(dòng)鏈運(yùn)行情況：注意觀察并記錄風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)變化，此數(shù)據(jù)為安裝在風(fēng)機(jī)主傳動(dòng)鏈上多個(gè)位置的傳感器的振動(dòng)反饋數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)反映風(fēng)機(jī)主軸前后端、齒輪箱及發(fā)電機(jī)等主設(shè)備的振動(dòng)情況。同時(shí)密切監(jiān)視風(fēng)機(jī)機(jī)艙的監(jiān)控畫面，及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)部的異常情況。

（7）葉片結(jié)冰初期，也可以對(duì)葉片帶動(dòng)風(fēng)嘯的異音進(jìn)行判斷；

但葉片覆冰發(fā)生時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行拋出的冰層碎塊或掉落的大冰塊可能會(huì)傷害到風(fēng)機(jī)附近的人或物，不建議工作人員到現(xiàn)場(chǎng)查看。如確認(rèn)葉片發(fā)生覆冰情況，應(yīng)停止風(fēng)機(jī)運(yùn)行，以免發(fā)生人身傷害及設(shè)備事故。

4 葉片覆冰影響及解決方案

葉片覆冰導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出力不足，影響設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。如果風(fēng)機(jī)在葉片發(fā)生結(jié)冰情況時(shí)，仍繼續(xù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，會(huì)使葉片應(yīng)力發(fā)生變化，導(dǎo)致葉片性能降低，使用壽命縮短；風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)自身的完整性也會(huì)受到結(jié)冰葉片的不平衡或不對(duì)稱的影響。使風(fēng)機(jī)部件改變?cè)蓄l率引起共振，也會(huì)增大風(fēng)機(jī)的疲勞載荷?？諝饷芏鹊纳仙赡軙?huì)增大載荷和最大功率輸出。如果風(fēng)機(jī)沒(méi)能自動(dòng)反應(yīng)做出保護(hù)控制，發(fā)電機(jī)或傳動(dòng)鏈可能會(huì)燒壞，齒輪箱可能過(guò)載或損壞，甚至導(dǎo)致風(fēng)機(jī)倒塔事故發(fā)生。覆冰后風(fēng)機(jī)葉片繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，葉片上的結(jié)冰可能被拋離葉片，并會(huì)被拋出數(shù)百米遠(yuǎn)。這些落冰可能會(huì)損害附近的建筑物和車輛，甚至?xí)Φ斤L(fēng)場(chǎng)的工作人員或者其他人員，埋下了嚴(yán)重的安全隱患。

我國(guó)各地區(qū)的風(fēng)場(chǎng)已發(fā)生過(guò)多起因凍雨天氣導(dǎo)致的葉片結(jié)冰。解決葉片覆冰問(wèn)題應(yīng)引起我們的重視?，F(xiàn)階段有兩種解決方案：一種是在葉片內(nèi)部加裝加熱器（通過(guò)在杭州運(yùn)達(dá)風(fēng)機(jī)廠家學(xué)習(xí)了解）；另一種是在葉片表面涂刷新型防結(jié)冰涂料，可有效避免冰水在葉片表面停留。

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