风力发电机组叶片覆冰成因及防冻除冰技术分析

国家电投集团江西电力有限公司 刘忠德 雷和林 周 强 邬伟骏 怀晓伟

天湖山风电场海拔670～1152m，冬季受西伯利亚和蒙古冷高压的控制盛行偏北风，叶片每年的结冰时间为25天，结冰的主要类型是雨凇和雾凇。天湖山风电场主要采用的是29#风机，其风力发电机组为XE100-2000，采用三叶片、水平轴以及变转速等进行控制，叶轮直径为105m，轮毂的高度是30m，切入风速为3m/s，所运行的温度范围是-30℃到40℃，但如低于-8℃就会出现结冰现象。

1 风力发电机组叶片覆冰成因

1.1 气象条件

根据天湖山风电场发电机组叶片的覆冰情况可以了解到，环境温度直接影响风力发电机组叶片覆冰的形成[1]，在-1℃～-8℃的环境下时，由于温度过低很容易产生雪花现象而不会出现覆冰问题，所以，对于天湖山风电机组来说，由于其海拔较高、气温较低，在冬季容易出现覆冰问题；其次，空气湿度也是叶片覆冰的主要成因之一，一般来说，在湿度高于85%的环境下容易出现叶片覆冰现象，还容易产生雨凇。通常情况下，较为容易出现覆冰问题的主要集中在湖南、湖北等地区，其环境湿度较高，一般在90%以上。

1.2 地形及地理环境

风力发电机组叶片覆冰极容易受到当地地形和地理环境的影响[2]，其与山区地带的坡向、走向、分水岭等都有密切关联，尤其对于山区的风力发电机组而言，其叶片覆冰受地形地理环境影响最大。天湖山风电场海拔高度在670～1152m，海拔较高，往往会直接影响叶片覆冰，而其周边的地形环境和相对高度，也会影响叶片覆冰。一般来说，风况较好的地理环境，如迎风坡、山顶等位置，更容易出现液冰，也更容易出现严重的叶片覆冰问题。

1.3 过冷却水滴直径

通常过冷却水滴直径较大，其与叶片接触面积更大，容易引发结冰现象，且潜热释放速度相对较慢。在叶片雨凇覆冰期间冷却水滴直径较大，一般在10～40μm 左右；雾凇覆冰时冷却水滴的直径一般在1～20μm 左右[3]。在不同的地面温度和露点温度条件下，产生的冻结高度也各有不同。表1列举了部分环境温度、相对湿度和露点的关系。通常情况下，当风力发电机组的叶轮扫风区域高度在凝结高度之上时，该区域的机组叶片会更容易出现严重的覆冰现象。

表1 环境温度、相对湿度和露点对照关系

2 叶片覆冰对风力发电机组的不良影响

相关研究发现，覆冰的厚度会在一定程度上影响最大冰跳高度，厚度越大冰跳高度也就越高，二者是为近似满足线性关系，覆冰厚度/最大冰跳高度的具体数值如下：5mm/0.92m、10mm/1.35m、15mm/1.97m、20mm/2.89m[4]。由此可见，当覆冰的厚度越厚时，在脱冰率相同的条件下释放的能量就越多，而相应过程就越强烈、振动幅度就越大。并且最大冰跳高度也会受到档距的影响。在覆冰均匀的情况下，导线最大冰跳高度会随着档距的不断减小而变小，通常随档距的增大而增大，其增幅基本在6%左右，档距/最大冰跳高度具体如下：400m/1.1m、600m/1.34m、800m/1.42m、1000m/1.51m。在档距低于800m 时，均匀覆冰的冰跳高度会小于非均匀覆冰情况。

此外，覆冰问题还会严重影响叶片的质量及其运转频率。若叶片覆冰分布不均匀，那么一旦处于结冰气候时，结冰就会主要分布在叶片的边缘，从叶轮轴线到叶尖呈现线性递增的趋势，而覆冰的厚度计算如下：覆冰厚度=K×（T-T0）×（1+∝×V），式中：T为环境温度，T0是结冰的起始温度，V是风速，K和∝则是经验系数，通过这一公式的计算就可以解到叶片覆冰厚度的变化。

3 风力发电机组叶片防冻除冰技术

3.1 覆冰检测

天湖山风电场叶片覆冰的主要原因是地形、温度的影响[5]，为了能够更好的除冰，那么就要对其进行覆冰检测，通过判断分析叶片是否存在覆冰现象，分析其特征属性，采取针对性技术措施，包括直接检测和间接检测两种方法。

直接检测。首先可采用超声波阻尼方法，利用声波传播受冰的影响原理，在检测区域两端安装声学部件接收检测信号，若信号发生变化则证明检测区域有冰，因此其被用为检测风力发电机组叶片覆冰的主要方法之一，能够有效检测1～4mm 左右厚度的冰层；其次可以采用振动测量方式，将振动探针放置于与叶片所处的相同环境当中，当探针结冰后质量加大，其振动频率会受影响下降。根据此原理，若探头结冰其振动频率加大，进而推断叶片是否存在覆冰；光学测量方法。可以通过传感器发射端光源按照一定角度向冰面斜射，发生内反射反应，在冰层上呈现出对应光斑。在进行光学测量时可测出叶片结冰的密度：ρ=G/（L(A-πr2）），式中：ρ为覆冰密度，G是冰重，π 为圆周率，L是覆冰的长度，A是覆冰的横截面积，r则是覆冰半径。

间接检测。主要是利用风力发电机组的外部环境条件和内部设备运转对叶片覆冰情况进行推断：其一，可通过叶片共振频率判断覆冰情况。这种方法先记录叶片在正常工作状态下的历史共振频率，再对比覆冰后的叶片共振频率情况，根据覆冰会影响叶片的负载分布、影响其共振频率的特点，判断叶片是否存在覆冰；其二，可通过判断发动机的输出功率分析覆冰情况。在风电机组叶片正常状态下运转时，将其输出功率作为预期功率，若实际运行功率小于预期功率则证明叶片存在覆冰。

3.2 防冻技术

天湖山风电场机组叶片在-8℃时就会出现覆冰现象，可采用溶液防冻的措施，通过在叶片表面涂抹防冻液的方式降低溶液的冰点，以此降低结冰的概率。一般可将乙醇作为防冻液在叶片上进行涂抹，在叶片运转的过程中防冻液就会随之运动并与水滴相融合，同时落在叶片上，此时的溶液冰点会有所下降，进而起到防冻作用。对于乙醇溶液来说，其冰点降低的公式如下：ΔTf=Kf×m，式中：ΔTf是冰点的下降值，Kf是溶剂的冰点降低常数，m是溶质的质量摩尔浓度，其中m的计算如下：m=W/M，式中：W是乙醇的质量，M是乙醇的摩尔质量，大约是46.07g/mol。溶液防冻技术在实际操作过程中需要使用大量的防冻液随时补充，且其维持时间相对较短，同时容易受到周围环境影响。

涂层防冰。该技术主要是将某些具备特殊性能的涂料在叶片上进行涂抹，对叶片与冰层之间的粘结力起降低作用，甚至直接将冰层融化，以此防止叶片覆冰出现。目前常使用的土层材料主要包括有机硅、丙烯酸、聚四氟乙烯等能够有效发挥其防冻功能，保护叶片免受覆冰影响。

热能防冻。该技术主要通过热能处理手段对叶片覆冰进行处理，通过对热能保护机中的重要零部件进行加热的方式，使其表面温度升高，超过冰点温度，进而起到防冻防结冰的作用。就当前的热能防冻技术应用情况来看，通常采用气热和电热两种方法。其中，气热主要是在叶片的空腔中安装通风管道，对其进行加热，并使用鼓风机在内部各零件之间传输热风对整体进行加热，破坏叶片覆冰环境条件；电热防冻主要是在叶片中安装防冰装置，使得叶片在运行的过程中将电能转化为热能，对易覆冰的位置进行重点保护，以此降低覆冰发生的概率。

3.3 除冰技术

3.3.1 机械除冰技术

机械除冰技术主要是通过机械或人工操作的方式直接将叶片上的覆冰层去除[6]。首先将冰层击碎，再使用离心力或震动的方式使得碎冰与叶片相分离，将叶片上的冰层完全去除。目前在实际操作过程中，大部分会选择人工除冰的方式，先将叶片表面的冰层击碎，再借助物理手段将冰层全部去除。这种方法操作便捷且具有较高的适用性，但需注意将叶片关闭后再进行操作，以保证除冰的安全性。

3.3.2 热能除冰技术

原理类似于热能防冰技术，其能够利用不同类型的热能对零件表面进行加热，使其表面温度提高，进而促进叶片覆冰的融化，将叶片表面的冰全部清除。热能除冰技术主要分为三种不同类型。

自身散热除冰技术。将除冰抗冻系统安装于叶片之上，叶片运转过程中会产生热量，由除冰抗冻系统对热量进行吸收，再利用循环系统使得吸收的热量传输到叶片的各部位，发挥除冰效果。自身散热除冰技术在实际操作中存在一定缺陷，即风力发电机组叶片本身较厚、体积较大，所以其周围的温度相对较低，仅依靠自身所散发的热量，要想将覆冰全部融化难度较大[3]。

叶片微波除冰技术。通过微波加热的方式对叶片进行加热，使得叶片覆盖的冰层逐渐脱离叶片表面，粘附力不断下降，加之在叶片运行过程中覆冰容易受离心力和重力的影响，自然会从叶片上脱落，进而实现对覆冰的去除效果。这种除冰方法在应用过程中相对较为复杂，需要安装多个微波装置，且安装和后续维修难度都相对较大，若是安装不够均匀，那么除冰效果也就不够均匀，甚至可能会损伤叶片本身，影响机组的运行。当叶片上有覆冰时，开启电热加热装置，使其运转产生动能，通过其热能转化将叶片表面温度提升至0℃以上，将叶片上的冰层清除，可以有效降低冰冻对风力发电机组的危害。这一方法在实际操作过程中，需要在叶片上安装加热装置，容易使得叶片的运行受到影响，加大其损坏的可能性，甚至导致机组运行出现故障。

激光除冰技术。利用激光束对冰雪表面进行高能量密度的照射，使冰雪局部升温并融化而实现除冰效果。激光除冰技术通常用于对小面积或特定部位的冰层进行精准去除。

3.3.3 气动带除冰技术

也称为膨胀管除冰技术，在叶片的前端边缘处安装膨胀管，一旦叶片出现覆冰膨胀管就会受影响发生膨胀，直接将机组叶片上的冰层震碎，使得震碎后的覆冰脱落，以此达到除冰的目的。在此环节中需要使用多个外加包装，如膨胀管、充气泵、输气管等，利用泄压阀将其中产生的气体全部排出后叶片就会出现振动，进而发生持续的充气和排气动作，叶片在不断振动下将覆盖上面的冰层震碎[4]。

3.3.4 电磁脉冲除冰技术

电磁脉冲除冰技术利用在叶片上安装电磁线圈的方式，一旦叶片上出现覆冰电磁线圈就会在此作用下被影响，出现反复断电和通电的问题，进而对叶片上的覆冰起到去除作用。电磁脉冲除冰技术的应用能够保证覆冰去除的效率，且不需消耗过多的能量，因此在输电线路中已被广泛应用。在应用时也要注意涂层防冰，结合主动型除冰方案，保障风力发电机安全高效运行[5]。

3.3.5 超声波除冰技术

超声波除冰技术利用超声波所产生的能量对叶片及其相关零部件上的覆冰层进行清除。超声波有两种导波且存在两种不同的传播方向，空气介质也可传播超声波，利用该原理可有效通过超声波传播引起叶片振动，使覆冰逐渐从叶片表面脱离[6]。