一种风电机组叶片气热内循环除冰装置的研究应用

曾益民

大唐华银(湖南)新能源有限公司 湖南 长沙410000

1 引言

某南方山地风力发电场发电瓶颈多积郁在冬季叶片结冰导致的主动弃风,然而冬季多为季节变化以及山区与城市冷热交换时期,该时节具有风速较大,且南方电取暖用电负荷高、水电处于冬枯期受限电影响小,充分利用该季节可显著提高风电场利用小时数。作为风电场运营单位在该时期对风机的运行方式多以经验武断,或是直接弃风放弃该时段有效风頻。叶片覆冰运行风险较大有导致叶片损失甚至折断的风险,而直接弃风将导致大量的电量损失。

2 基于直驱式同步永磁单轴承风力发电机组叶片气热内循环除冰技术

2.1 叶片气热内循环系统结构及原理 叶片通风加热除冰系统采用气热法除冰方式,其主要部件包括鼓风机、空气加热器、通风管等部件组成。鼓风机和空气加热器安装在叶片根部,导管延伸至风力机叶片叶尖等容易结冰处。其工作原理如下图所示,空气加热器将空气加热,而后通过鼓风机经通风管将热空气输送至叶尖。并在前、后缘腹板形成对流。

图1 叶片加热控制回路图(1、加热器2、风管3挡板)

2.2 叶片气热内循环除冰系统设计

2.2.1 加热系统设计 加热系统主要由鼓风机和加热器组成,加热器采用的是33个独立的PTC加热器并联组合而成,分为3档加热,根据叶腔内部的温度选择投切PTC的数量。10k W加热并联11个PTC加热器进行加热,20k W加热并联22个PTC 加热器进行加热,30k W加热并联33个PTC加热器进行加热。

PTC加热器有热阻小、换热效率高的优点,是一种自动恒温加热器。它的一大突出特点在于安全性能上,即遇风机故障停转时,PTC加热器因得不到充分散热,其功率会自动急剧下降,从而不致产生如电热管类加热器的表面“发红”现象,从而引起火灾的隐患。

2.2.2 通风系统设计 通风系统主要包括通风管道及挡板两部分组成,将加热器和鼓风机吹出来的热风通过波纹管连接14.4米的通风管道吹向叶尖位置,通过挡板叶尖,然后返回至叶根。

2.2.3 控制系统设计 通控制系统包括后台软件系统和机组就地控制系统组成,后台软件系统手动控制各叶片加热系统的启停和数据管理,机组就地控制系统自动控制机组各叶片的恒温和数据采集。采用光纤通讯将通风加热除冰系统控制送至风场控制室。

通风加热除冰系统结合分散控制集中管理(DCS)和PLC控制系统的特点,将信号采集和控制置于轮毂控制柜内,将通风加热装置置于叶片内,形成一个自动温度系统;考虑PTC加热器的特性,充分发挥PTC加热器的保护和温升调节功能。控制器检测三个叶片的加热器出口和挡板PT100传感器的温度,依据通风加热除冰系统内部的逻辑,控制鼓风机和加热器的电源的投切。

图2 加热控制系统示意图

3 叶片气热内循环除冰技术应用要求

首先,要求被改造机组属于直驱式单轴承内转子风力发电机组结构,这种结构的机组可以直接从机舱进入轮毂,便于有效获得发电机、主轴承的余热,且加热通风管布置简单。其次,要求风电场运营方提前掌握天气变化情况,当外界环境温度接近0℃,空气湿度80%以上,根据经验叶片会发生凝冰,运行人员观察风速与机组出力明显不匹配,手动启动叶片气热除冰系统。鼓风机启动120s,10k W加热器、20k W加热器接触器吸合同时投入加热,当加热器出口检测温度达至恒温气控温度时,10k W加热器接触器断开退出运行,保留20k W加热器运行。当加热器出口检测温度达至恒温气下限时,20k W加热器接触器断开退出运行,10k W加热器投入运行,当加热器出口检测温度达至恒温上限时,10k W加热器、20k W加热器接触器断开同时退出加热,当温度低于下限温度时,启动10k W加热器进行加热。

4 叶片气热内循环除冰系统运行结果分析

表1 南方某风电场风机运行红外成像的记录

通风加热除冰系统外界环境温度大于0摄氏度以上、空气湿度低于90%的运行环境及叶片轻微结冰的时,此时通风加热除冰系统产生的热量大于叶片向周围环境释放的热量,运投入通风加热除冰装置有加速叶片融冰的效果,实际运行的功率曲线和参考曲线基本一致,对风机的运行还是有明显的效果。每加热一小时叶尖温度升高1.2℃左右,叶根升高0.4℃,当达到产生的热量和释放的热量达到平衡时,叶根和叶尖的温度也不再升高。

当外界温度不低于-3摄氏度,空气湿度不大于94%时(线路覆冰8 mm左右),此时加热除冰系统产生的热量和叶片周围环境释放的热量均等,风机可运行,但是功率曲线稍有偏差,风机叶片除冰系统需长时间投运。运行过程中当叶片向周围环境释放的热量大于叶片除冰装置产生的热量时,叶片会结冰停机,需要对叶片进行静态加热,加速融化叶片表面的冰块,重新进行启动。环境温度-3摄氏度,空气湿度94%的运行条件下,通风加热除冰系统产生的热量和叶片向周围环境释放的热量基本达到了一个平衡,叶片结冰后续要对风机进行停机静态加热除冰后风机能够启机。

随着温度降低和空气湿度增大及持续冰冻等情况,叶片除冰系统产生的热量小于叶片向周围环境释放的热量时,持续的开启叶片除冰系统产也不能够产生加速融化叶片表面的冰块。

7 结语

本叶片气热内循环除冰技术属于表面间接加热技术,根据直驱式单轴承内转子风力发电机组的机构特点,并结合该机型的运行时发电机、主轴承、轮毂的温度情况提出。该设计方式主要是针对在知晓有降温过程前提前转入叶片加热状态,实现机组不停机加热叶片,主要应对克服因雾凇停机,确保机组在轻结冰期间的连续运行,以提升机组利用小时。该技术具有改造成本低、改造工程量小、无需停机加热、可以连续运行等优点,但加热时间长、加热效率低、难以应对极端天气。