基于電加熱方式的大型風(fēng)機(jī)除冰系統(tǒng)研究與應(yīng)用

程樂

摘要： 通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片電加熱除冰系統(tǒng)的研究，并在風(fēng)電場(chǎng)得到批量應(yīng)用。通過(guò)對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，得出電加熱系統(tǒng)的除冰效率。同時(shí)針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際氣候條件，對(duì)機(jī)組的控制策略進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以達(dá)到減少凝冰損失電量的目的。

關(guān)鍵詞： 風(fēng)機(jī);葉片;電加熱;發(fā)電量

引言

目前國(guó)內(nèi)外風(fēng)機(jī)防凝冰研究的技術(shù)路線主要是葉片涂層以及熱風(fēng)式加熱除冰，其中葉片涂層容易受風(fēng)沙的侵蝕，而熱風(fēng)式加熱除冰由于葉片面積較大，無(wú)法達(dá)到有效的除冰效果。

因此本文提出的基于電加熱方式的葉片防凝冰技術(shù)路線，是在葉片表面鋪加熱膜，直接對(duì)葉片表面進(jìn)行加熱，可以提高加熱效率，較少凝冰損失電量。

風(fēng)機(jī)電加熱除冰系統(tǒng)概述

風(fēng)機(jī)電加熱除冰系統(tǒng)原理

風(fēng)機(jī)電加熱除冰系統(tǒng)主要包括：機(jī)組除冰供電系統(tǒng)、結(jié)冰檢測(cè)系統(tǒng)、葉片加熱系統(tǒng)、葉片溫度監(jiān)控系統(tǒng)以及除冰控制系統(tǒng)。

葉片加熱系統(tǒng)說(shuō)明

葉片加熱系統(tǒng)包括：加熱膜、絕緣材料、金屬網(wǎng)，加熱控制板和溫度監(jiān)控板，溫度傳感器，銅柱等。

電加熱膜鋪層結(jié)構(gòu)

葉片前緣位置鋪設(shè)電加熱膜，電加熱膜的功率密度為275W/㎡。電加熱膜外側(cè)再鋪設(shè)防雷金屬網(wǎng)，用于保護(hù)加熱膜。（雷電擊點(diǎn)落到加熱膜區(qū)域時(shí)金屬網(wǎng)會(huì)將雷電流導(dǎo)走）。

葉片加熱膜布置

一是距葉根5m至20m上下殼體各鋪設(shè)兩條加熱膜，20m至37m上下殼體各鋪設(shè)一條加熱膜（考慮加熱區(qū)域應(yīng)包含葉片前緣至葉片翼型最大厚度位置，即前緣至30%弦長(zhǎng)位置）。

二是加熱膜弦長(zhǎng)方向距前緣60mm，同一殼體兩條加熱膜弦長(zhǎng)方向相距60mm。

三是考慮加熱效率，加熱膜長(zhǎng)度方面每8m一段，長(zhǎng)度方面每段相距100mm。

加熱膜電氣接線方式

預(yù)埋的電源線與銅柱連接，銅柱再分別和加熱膜連接。

加熱控制和溫度監(jiān)控采集

葉片加熱控制柜中主要有葉片加熱控制板和溫度監(jiān)控板。加熱控制板負(fù)責(zé)給各個(gè)區(qū)域的加熱膜供電;溫度監(jiān)控板通過(guò)溫度傳感器（PT100）監(jiān)測(cè)葉片加熱膜區(qū)域溫度，當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)置值時(shí)，停止對(duì)加熱膜的供電。同時(shí)溫度監(jiān)控板需要把檢測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換為profibus‐DP信號(hào)，接入變槳柜發(fā)給主控系統(tǒng)。

防雷系統(tǒng)

葉片表面布置電加熱膜，金屬網(wǎng)的布置區(qū)域覆蓋加熱膜，弦向長(zhǎng)出加熱膜50mm，軸向長(zhǎng)出100mm。在葉片根部，使用鋁板和金屬網(wǎng)全面接觸，之后將鋁板使用導(dǎo)線連接到引下系統(tǒng)。

風(fēng)機(jī)電加熱控制說(shuō)明程序

風(fēng)機(jī)觸發(fā)風(fēng)速功率不匹配（風(fēng)機(jī)實(shí)際功率低于理論功率的25%）結(jié)冰停機(jī)，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)葉片加熱除冰系統(tǒng)，加熱40分鐘后，風(fēng)機(jī)啟機(jī)并網(wǎng)，如果風(fēng)機(jī)再次觸發(fā)風(fēng)速與功率不匹配故障，風(fēng)機(jī)停機(jī)，再加熱40分鐘啟機(jī)并網(wǎng)，重復(fù)此過(guò)程5次后，風(fēng)機(jī)會(huì)報(bào)自啟動(dòng)次數(shù)超限故障停機(jī)，需人工干預(yù)復(fù)位啟機(jī)。

風(fēng)機(jī)電加熱系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

以某臺(tái)風(fēng)機(jī)為例，圖6是從2019年2月8日0點(diǎn)到2019年2月11日24點(diǎn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

從圖3中可以看出，2月8日22：30開始機(jī)組結(jié)冰，2月11日環(huán)境溫度升高，接近–2度，存在自然融冰環(huán)境，由此可以認(rèn)為本次結(jié)冰期結(jié)束。

此期間，機(jī)組通過(guò)葉片加熱除冰系統(tǒng)，在結(jié)冰停機(jī)后經(jīng)過(guò)40分鐘的葉片加熱過(guò)程，啟機(jī)發(fā)電，在結(jié)冰期的開始階段，通過(guò)加熱除冰后，機(jī)組能夠正常發(fā)電，該過(guò)程持續(xù)兩次，后因環(huán)境太惡劣，機(jī)組葉片加熱除冰后很快葉片又覆上冰，機(jī)組不能正常發(fā)電。

從圖3中可以看出，在結(jié)冰初期，機(jī)組結(jié)冰停機(jī)后，通過(guò)葉片加熱除冰，再次啟機(jī)時(shí)機(jī)組能正常發(fā)電;但是在結(jié)冰嚴(yán)重的時(shí)候，停機(jī)加熱后，在啟機(jī)發(fā)電的過(guò)程中葉片表面很快又結(jié)冰，功率較差。因此只能反復(fù)進(jìn)行停機(jī)除冰再啟機(jī)發(fā)電。其他機(jī)組加熱除冰過(guò)程類似。

圖3中記錄了風(fēng)機(jī)5次加熱除冰過(guò)程，從圖中可以看出，停機(jī)期間代表風(fēng)機(jī)在進(jìn)行加熱，加熱時(shí)間基本上都在40分鐘左右。由于風(fēng)機(jī)覆冰嚴(yán)重，并網(wǎng)約30分鐘后，風(fēng)機(jī)觸發(fā)風(fēng)速與功率不匹配故障，風(fēng)機(jī)繼續(xù)執(zhí)行停機(jī)加熱除冰程序。

通過(guò)對(duì)0605號(hào)風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，此期間風(fēng)機(jī)累計(jì)發(fā)電量73103千瓦時(shí)，占風(fēng)機(jī)理論發(fā)電量134448千瓦時(shí)的54.37%。

總結(jié)

通過(guò)風(fēng)機(jī)電加熱除冰系統(tǒng)的研究，可以使風(fēng)機(jī)在凝冰情況下，風(fēng)機(jī)實(shí)際功率能達(dá)到理論功率的54.37%，能解決凝冰時(shí)風(fēng)機(jī)無(wú)法發(fā)電的問(wèn)題。同時(shí)通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行分析，可以對(duì)電加熱除冰系統(tǒng)控制策略進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，進(jìn)而減少凝冰損失電量。

參考文獻(xiàn)

牟書香，吳芮等.基于高分子電熱膜的風(fēng)電葉片復(fù)合材料試驗(yàn)件電熱除冰性能研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2014（06）.

舒立春，戚家浩，胡琴，等.風(fēng)機(jī)葉片電加熱除冰及電阻絲布置方式試驗(yàn)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2017，37（13）：3816–3822.

舒立春，戚家浩，胡琴，等.風(fēng)機(jī)葉片電加熱防冰模型及分區(qū)防冰方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2017，37（5）：1448–1454.