浅谈风机叶片覆冰情况分析及运行监控
摘要：由于全球范围内能源短缺和生态环境的日益恶化，人们逐渐认识到风能的地位和作用，越来越清醒地认识到开发清洁能源、保护大气环境已是迫在眉捷。风能的利用价值和地位日益显著，近5年来，我国利用风力发电的研究得到了迅速的发展，且效果显著。本论文详细介绍了研究风力发电机叶片防覆冰技术的目的和现实意义，对叶片表面覆冰形成的过程及条件作了详细介绍，通过叶片覆冰情况分析和风机远程监控及时发现叶片覆冰状况，得出叶片覆冰影响以及解决方案。
关键词：风机叶片；覆冰；影响；解决方案
中图分类号：TK83 文献标识码：A
0 引言
随着人们逐渐认识到风力发电在减轻环境污染、调整电网中的能源结构以及解决偏远地区居民用电问题等方面的突出作用，无论从调整电网结构，还是从商业化方面都使人们开始重视发展风力发电。风电也成为近年来世界上增长最快的能源之一。截至2016年底，我国风电装机总量达到约168，690MW，占全球风电累计装机总量的34.7%。，然而风电迅猛发展的同时，并网风机对电网影响的逐步加大，也对风电设备的安全稳定运行提出了更高的要求。
1 风机叶片覆冰的目的和意义
随着目前的二氧化碳排放，酸雨，能源短缺等问题变得越来越激烈，风能作为一种清洁的可再生资源，任何传统能源都无法避免的环境污染问题，在世界范围内得到了越来越多的重视。我国有辽阔的草原和漫长的海岸线，风能储量丰富，然而丰富的风力资源主要分布在寒冷的北部和潮湿的沿海地带，其环境非常恶劣[4]。风力发电风机在摄氏零度以及零度以下低温条件下运行时，如果遇到潮湿空气、雨水、盐雾、冰雪，特别是遇到过冷却水滴后，就会发生冻冰现象。风机叶片覆冰后，会产生很大的危害。
叶片覆冰后就会产生较大的冰载，影响叶片的寿命，而且加载在每个叶片上的并载不尽相同，使得机组的不平衡载荷增大，若继续运行，对机组产生非常大的危害，若停机，常年处于低温地区的机组利用率大大降低[1]。
风机叶片覆冰后，由于叶片每个截面覆冰厚度不一，使得叶片原有的翼型改变，大大影响风电机组的载荷和出力，使得风机的发电效率大打折扣；
叶片表面覆冰后，随着温度升高，冰块就会脱落，会对机组和现场人员造成很大的安全隐患。
在我国，风电机组大多安装在常年冰雪环境及其恶劣的北方，以及湿气盐雾较严重的沿海地带，我国各省市多发大雾及冻雨天气的地区，每年的2、3月份和11月份尤其严重，在这种天气下，风机极易发生叶片覆冰状况[2]。如果叶片结冰，不仅机组出力差，利用率低，风机会发生不同程度的出力不足现象，影响设备稳定运行，严重者更会导致损坏叶片、风机倒塔，甚至对人身安全带来威胁。因此开展预防风机结冰新技术研究具有重要的现实意义。而2、3月份和11月份又是每年的大风季节，风机的发电量势必受到严重影响。如何通过对风机远程监控，及时的发现叶片覆冰状况？风机叶片覆冰时应该如何正确处理等一系列问题应引起我们的关注和思考[3]。
2 叶片覆冰情况分析
环境气温在零度左右时的大雾及冻雨天气是造成风机叶片覆冰的主要原因。此时的风机叶片会触碰到较低的云层。叶片覆冰初期，叶片表面有薄冰形成，会导致风机出力不足、风速与功率不匹配现象；当叶片覆冰严重时，因叶片表面形成的不规则覆冰，改变了叶片的气动外形，从而导致了叶片失速可能比设计预期提前或延后。那么变桨控制也会随之做出错误判断。发电功率出现较大幅度的振荡，并随覆冰程度直至衰减到零功率运行。（叶片覆冰所引起的风机出力不足，不属于风机降容运行，风机的发电机转矩不会随之发生变化）。
3 通过风机远程监控及时发现叶片覆冰状况。
在遇有这种天气时，运行人员应加强设备监视，细心观察风机监控系统中的风速、风向、出力及风机变桨角度、发电机转矩、发电机转速和风轮转速等参数变化。及时发现叶片覆冰状况。运行人员在对风机监控系统观察时，可由以下几方面进行比较和判断：
（1）負荷参数的对比分析：对邻近风机及同一集电线路上的风机进行参数对比。如在相同风速和风向时，临近风机是否发生负荷差异过大的情况；这种负荷差异的情况，在风速较大时表现的会比较明显，而在风速较小时需仔细观察。
（2）功率曲线的对比分析：如发现有负荷差异过大的风机，继续观察此风机的瞬时风速、60s平均风速和10min平均风速，并与该型号风机的功率曲线进行对比分析，做进一步判断。
（3）对风角度、风向的对比分析：检查该风机的偏航角度、对风角度、瞬时风向及25s平均风向等参数，观察风机两个风速风向仪数据是否一致，并与邻近风机的对风角度相比较，以此判断是否为风机的风速风向仪发生故障而排除由于叶片覆冰影响导致；
（4）对风机变桨情况的观察分析：观察风机三个叶片的变桨角度，是否可随风速、负荷的变化进行正常变桨（因叶片结冰改变气动外形，且叶片载荷发生变化，变桨控制系统会使桨叶在10°以上角度频繁调整）。
（5）排除其它影响风机出力的缺陷：查看该台风机其它运行参数及近期的设备记录，考虑是否发生过变频器出力不足等相关的缺陷。
（6）借助风机监测、监控设备分析风机主传动链运行情况：注意观察并记录风机振动监测系统的数据变化，此数据为安装在风机主传动链上多个位置的传感器的振动反馈数据，可以实时反映风机主轴前后端、齿轮箱及发电机等主设备的振动情况。同时密切监视风机机舱的监控画面，及时发现风机机舱内部的异常情况。
（7）叶片结冰初期，也可以对叶片带动风啸的异音进行判断；
但叶片覆冰发生时，风机运行抛出的冰层碎块或掉落的大冰块可能会伤害到风机附近的人或物，不建议工作人员到现场查看。如确认叶片发生覆冰情况，应停止风机运行，以免发生人身伤害及设备事故。
4 叶片覆冰影响及解决方案
叶片覆冰导致风机出力不足，影响设备稳定运行。如果风机在叶片发生结冰情况时，仍继续长时间运行，会使叶片应力发生变化，导致叶片性能降低，使用寿命缩短；风机结构自身的完整性也会受到结冰叶片的不平衡或不对称的影响。使风机部件改变原有频率引起共振，也会增大风机的疲劳载荷。空气密度的上升可能会增大载荷和最大功率输出。如果风机没能自动反应做出保护控制，发电机或传动链可能会烧坏，齿轮箱可能过载或损坏，甚至导致风机倒塔事故发生。覆冰后风机叶片继续旋转，叶片上的结冰可能被抛离叶片，并会被抛出数百米远。这些落冰可能会损害附近的建筑物和车辆，甚至会伤害到风场的工作人员或者其他人员，埋下了严重的安全隐患。
我国各地区的风场已发生过多起因冻雨天气导致的叶片结冰。解决叶片覆冰问题应引起我们的重视。现阶段有两种解决方案：一种是在叶片内部加装加热器（通过在杭州运达风机厂家学习了解）；另一种是在叶片表面涂刷新型防结冰涂料，可有效避免冰水在叶片表面停留。
参考文献：
[1]邴浩，曹树良，谭磊.混流泵叶轮设计正反问题迭代方法[J].排灌机械工程学报，2011（04）
[2]丁骏，杜鑫，姜斌，孙士珺，王松涛.三维叶片技术对离心风机气动性能的影响[J].中国电机工程学报，2012（32）
[3]戎瑞.离心风机仿生叶片的设计及流动特性研究[D].华北电力大学，2013
[4]顾桂梅，王峥，汪芳莉.基于轴向振型差变化率的风轮叶片结构损伤识别方法研究[J].玻璃钢/复合材料，2014（11）
