大型风电机组叶片的气热抗冰关键技术及工程应用实践

■ 冯学斌 杨文涛* 陈海根 周强 严煜坤 周家兴

(1.株洲时代新材料科技股份有限公司；2.国家电投江西电力有限公司新能源发电分公司)

0 引言

我国南方地区冬季的气温相对较高，但冻雨灾害频发。出现冻雨较多的省份是贵州省，其次是湖南省、江西省、湖北省等，其中，高海拔山区比平原地区多发。冻雨是多种结冰方式中结冰速率最快的一种，其危害也最大[1-2]。

对于风电场中风电机组叶片的抗冰、抗冻技术，热鼓风加热法是一种重要且常用的方法，并获得了国内外相关基础技术研究的验证[3-7]，该技术被称为“气热抗冰”技术。本文针对我国南方及中西部地区所面临的严重的结冰天气，介绍了气热抗冰技术应用于实际风电场结冰环境下的情况，为气热抗冰技术在风电存量市场的推广和应用提供可行性评估依据。

1 气热抗冰系统关键技术

1.1 系统组成

由株洲时代新材料科技股份有限公司自主开发的气热抗冰系统采用了气热抗冰技术，该系统由叶片腔内加热系统和主机塔内控制系统两大部分组成。其中，叶片腔内加热系统主要由鼓风机、加热器、通风管道、支架和安装附件等组成；主机塔内控制系统采用六柜式结构，主要由3个叶根控制柜、1个机舱柜、1个电源分配箱和1个塔基柜及相应电力、通信线缆组成，如图1所示。

图1 气热抗冰系统布局图

1.2 工作原理

气热抗冰系统主要通过叶根部的装置加热空气，然后通过鼓风机和引风管道将热空气输送到叶片内部，以达到除冰、防冰的目的[8]。尤其是对已装机的主流叶片进行技改时可采用该系统。

图2为叶片热鼓风工作原理示意图，图中红色、黄色箭头为气流方向。叶片腔内的气流经过加热器加热后沿红色箭头所指方向通过玻璃钢引风管吹向叶尖位置，气流从叶尖通过与腹板形成的风道形成完整的空气循环流动路线，腔内空气的循环加热可有效加热叶片结冰的前缘重点区域并兼顾叶片后缘和叶根段，达到叶片除冰、防冰的效果。

图2 叶片热鼓风工作原理示意图

1.3 关键技术

针对我国南方面临冰冻灾害的在役风电机组，可采用在叶片内腔布置加热装置和通风管道的气热抗冰系统，并对气热抗冰技术的安全可靠性、实用性和经济性进行了理论与实践评估，具体研究内容如表1所示。

表1 在役风电机组叶片气热抗冰系统技改关键技术

2 风电场抗冰试验

本项目基于江西天湖山风电场实施，通过对正在运行的2MW机型叶片的加热系统模块化设计、控制系统电气部分设计、结冰探测器选型和运行信号数据进行分析和评估，研究叶片气热抗冰技术的优、缺点及适用性，并获取对叶片的抗冰功能进行技改时的设计、施工和维护过程的技术要点，使叶片气热抗冰技术这一科技创新成果转化为实际工程应用。

为了验证加热抗冰系统在风电场结冰环境下的实用性、有效性、先进性，积累优化控制策略方面的经验，开展了试验，包括4部分内容：1)通电状态测试；2)自动运行测试；3)静态融冰效果测试；4)动态防冰功能测试。

2.1 通用工具和测量设备

测试过程中涉及到的主要设备如表2所示。

表2 试验设备及说明

2.2 通电状态测试

2.2.1 目的与环境要求

进行通电状态测试主要是为了检测叶片气热抗冰系统的仪表及设备的工作状态。通电状态测试结果表明，该系统状态完好。对测试环境无特别要求。

2.2.2 试验过程

测试系统各页面如图3～图6所示，分别对触摸屏正常状态及塔基柜、机舱柜、叶根柜中叶片腔内加热设备的显示信息予以确认并记录。

图3 触摸屏正常状态主页面

图4 塔基柜系统正常状态主页面

图5 机舱柜系统正常状态主页面

图6 叶根柜系统正常状态主页面

2.3 自动运行测试

2.3.1 目的与环境要求

进行自动运行测试，主要是检测叶片气热抗冰系统的自动运行、动作和保护功能。试验环境需选择结冰酝酿期。

2.3.2 试验过程

在塔基柜的触摸屏上启动叶片气热抗冰系统的自动运行模式，开关选择如图7所示，可根据现场环境调整参数设置，直至气热抗冰系统自动触发并自主运行。

图7 塔基柜的自动运行模式开关选择

图8为结冰环境下加热系统自动运行的监控界面。

由图8可以看到，远程监控画面显示了结冰环境下，系统已检测到结冰并自动运行了此台试验风机的3支叶片的加热设备。

图8 结冰环境下加热系统自动运行监控界面

图9为系统自动运行下的动作与保护功能图，图中2、2.5、10、15 m分别代表距叶根的温度传感器的位置。

图9 系统自动运行下的动作与保护功能图

试验过程中，当湿度为100%、结冰值为100时，表示叶片“已结冰”。由于结冰探测器每隔10 min会自融，所以在结冰环境下会不断发出“结冰/防冰”状态指令，导致各个位置传感器会因加热设备的“启停”而随之波动；且因2 m位置的热空气的温度高达上限，实现了高温报警而停止加热的保护动作。系统开始运行与关停时会实现“鼓风机较加热器先开后关”的原则，防止加热器在无空气散热的情况下干烧，这体现了加热器与鼓风机“起停互锁”的功能；加热设备在“结冰/防冰”工作模式下会有不同的功率输出，这体现了其智慧节能的功能。

由以上可知，加热设备在自动运行状态下会根据控制逻辑进行相关动作，包括除冰/防冰模式转换、功率调节、高温报警、加热器与鼓风机起停互锁等，达到智慧节能和安全保护的目的。

2.4 静态融冰效果测试

2.4.1 目的与环境要求

静态融冰效果测试需在叶片覆冰停机时进行测试，主要目的是为了检测风电机组在结冰停机状态下，是否可有效实现叶片气热抗冰系统的除冰效果。

2.4.2 试验过程

试验前，将风轮处于静止状态，用照相设备和热成像仪对试验叶片覆冰状态和表面温度分布情况进行观察。图10和图11显示了除冰过程中的叶尖表面状态的变化。

图10 风力机叶片结冰状态下的环境温度检测

图11 风力机叶片融冰过程视频瞬间

图12和图13分别是对因结冰而停机的风力机中1支叶片进行加热前后的覆冰状态对比照片。

静态融冰效果测试结果表明，该系统在环境温度为-10 ℃左右时，对因结冰导致停机的叶片可有效除冰。

图12 加热前的1支叶片覆冰状态

图13 加热后的叶片前缘无冰状态

2.5 动态防冰功能测试

2.5.1 目的与环境要求

动态防冰功能测试的目的是检测在风力机叶片结冰的环境下，气热抗冰系统的防冰效果。试验环境为叶片结冰时且风速不低于5 m/s。

2.5.2 试验过程

叶片除冰后启动风力机使其发电，直至满出力后，观察风力机处于结冰环境下的叶片防冰的有效性和可持续性。

图14是叶片除冰后在结冰环境下持续防冰24 h时表面的无冰状态，图15是叶片在无冰状态下的局部热成像仪温度分布检测，表面的融熔水膜维持在0 ℃左右。

图14 防冰模式下的叶片表面无冰状态

图15 防冰模式下叶片的表面温度分布

图16 防冰模式下风力机叶片加热系统自动运行数据图

图16为防冰试验期间根据控制逻辑进行相关动作的数据图。

测试结果表明，气热抗冰系统在结冰环境下可以使叶片达到持续防冰的效果，并可持续正常发电。

3 效益展望

3.1 发电量提升预测

基于江西天湖山风电场，持续收集2018年1月5-11日和1月26日～2月6日共22天内采用气热抗冰系统的风电机组T29-04结冰期的发电数据，并将该数据与同个风电场中的普通风电机组的发电情况进行对比，具体如图17所示。

图17 采用气热抗冰系统的风电机组与普通风电机组的发电数据对比

由图17可知，采用气热抗冰系统的风电机组T29-04在结冰环境下实现了满功率运行。

通过对数据统计分析可知，在2018年冰冻期，采用气热抗冰系统的风电机组与普通风电机组相比，其平均每小时增加发电量970 kWh。江西天湖山风电场处于南方Ⅳ 类风区，气热抗冰系统的可利用率达到90%以上，因此，单台风电机组在22天冰冻期内的收益为：22天×24 h/天×970 kWh /h×90% =46.1万kWh。

根据该风电场2015～2017年的发电数据，冬季为全年盛风期，单台风电机组未采用气热抗冰系统前，每年因结冰导致的发电量损失理论计算值约为30万kWh，而其年发电量约为550万kWh。因此，采用气热抗冰系统的风电机组的年均发电量提升空间为：30÷550×100%=5.45%。

3.2 潜在收益

风电机组的运行环境十分恶劣，叶片作为风电机组的关键部件在实际运行中会遭受各种环境的考验，尤其是叶片表面的结冰问题，是一个亟待解决的难点。叶片结冰后，其气动外形会发生改变，将会造成风电机组的发电功率降低。叶片结冰严重时，风电机组必须要停机，而这样做除了会影响发电外，结冰还会造成叶片质量不平衡，增加风电机组部件的疲劳损伤；此外，伴随叶片旋转甩出的冰块会对风电场附近的人、畜及建筑等造成危害。

3.3 社会效益

风电机组叶片结冰问题是一项全球性技术难题[6-7]。本项目基于江西天湖山风电场对叶片抗冰技术进行了研究，课题成果除可以指导风电场内部风电机组叶片的抗冰情况外，还可以指导江西甚至整个面临冰冻灾害的南方省份风电场的技改工作，并会对促进低风速地区风资源开发带来积极的行业效益和社会效益。

4 结论

本文针对大型风电机组叶片的气热抗冰系统的工程化应用开展了相关的风电场试验，并介绍了该技术应用于实际风电场结冰环境下的情况，为气热抗冰技术的产业化推广提供了有效的评估依据。研究结论为：

1)通电状态测试结果表明，该系统状态完好，具有全面的信号采集功能和人机交互界面。

2)自动运行测试结果表明，该系统在风电机组结冰气候酝酿期可实现适时自动启动，并能根据控制逻辑实现除冰/防冰模式转换、功率调节、高温报警、加热器与鼓风机起停互锁等功能。

3)静态融冰效果测试结果表明，该系统在环境温度为-10 ℃左右时，对因结冰导致停机的叶片能够有效除冰。

4)动态防冰功能测试结果表明，该系统在结冰环境下可以使叶片达到持续防冰的效果并持续正常发电。

该项目通过2018年初我国南方典型结冰环境的试验，证明气热抗冰系统可实现叶片抗冰，且采用该技术满足了国家电投集团科技项目的预期目标，可在我国南方及中西部风区得到优先推广。