浅谈山区风电场叶片覆冰控制方案

浅谈山区风电场叶片覆冰控制方案

汤浩然，周军军，石壮，鲍鹏

华能（浙江）能源开发有限公司清洁能源分公司 浙江省杭州市 313100

摘要：山区风电场在冬季冷空气来临时，温度接近零摄氏度又伴有高湿度，如冻雨或雨夹雪，风电机组叶片比较容易覆冰。风电机组叶片覆冰，一方面会影响机组的发电量，另一方面，随着温度的升高，覆冰的黏着力下降极易发生甩冰、落冰现象，如果覆冰后风电机组叶片正在旋转，覆冰可能被抛出一段距离，这些落冰可能会损害建筑物和车辆，埋下安全隐患。

1.引言

对于风电机组的叶片，可能大家会觉得它大部分时间都在转动，雨水、冰雪不易在上面会自动脱落。其实不然，我国丰富的风资源基本上都分布在温差较大的北方以及湿气非常大的沿海地带，环境尤为恶劣。我们的风机发电风机在零摄氏度或者零度以下的低温条件下运行时，一旦遇到潮湿空气、盐雾、雨水、冰雪等，甚至是遇到过冷却水滴时，叶片上就会发生冻冰、结冰现象，然后覆冰层会逐步生长、变厚。风机叶片覆冰后，会给我们带来很大的危害。

2.叶片覆冰的现象

该风电场位于沿海区域，风机机位均在海拔1450m-1600m之间，该风电场使用的风机为双馈机组，该风电场四季分明，风电场环境较为潮湿。通过查看历史气象数据，该地区年度积雪日10天，最大年度积雪日20天，最大积雪深度50cm。

若冷空气来临，出现湿度低于30%RH、温度低于0℃的干冷，叶片将不会因为天气过冷而覆冰（见图1），风机可以正常发电且可以达到满发。由于冬季空气密度较高，风机会提前进入满发状态。若冷空气来临，出现湿度高于30%RH，温度低于0℃的湿冷，风机叶片就有不同程度的覆冰（见图2）。此时需要将风速风向仪切换成超声波风速风向仪。

图1 湿度湿度低于30%RH、温度低于0℃风机监控界面

图2 湿度湿度高于30%RH、温度低于0℃风机监控界面

叶片有覆冰会影响风电机组的叶片转速，造成风机输出功率明显低于保证功率。根据观察，若长时间输出功率低于1个自然米的保证功率（见表1：风速与保证功率对比图），即可判定为叶片有覆冰。当覆冰较多时，风机会报“大风小功率”故障后停机。

表1 风速与保证功率对比图

结合表1与图2的运行界面图，#1-#11、#17风机，均因报大风小功率而停机，#12、#13、#14、#21风机的实发功率低于1自然米的保证功率，可以判断此5台风机叶片存在覆冰。又因#1-#12风机在该风电场东部的山脊上，#13-#23风机在西部山脊上，东部山脊12台风机仅有#12风机运行，其余风机均已因大风小功率停机，所以也可确定风机凝冻情况与风向和风机位置有关。

3.低温天气对风机的影响

当湿度高于30%RH、温度低于0℃时，风机叶片表面会出现覆冰，由于每个叶片上的冰分布不均匀，会使机组不平衡载荷增大，从而降低风机零部件的寿命，若覆冰特别严重，甚至可能造成风机倒塔。由于覆冰厚度不一，叶片原有的气动外形将发生改变，叶片通过变桨不一定能找到最好的受风面，降低机组的风能利用系数，从而造成发电功率降低（见图3）。

在叶片结冰的同时，风机上的风速风向仪也可能会结冰，风速风向仪结冰将无法正常工作，使得测量数据不准，且风速风向仪处于相对静止状态，在结冰后，经常出现叶片覆冰融化后，风速风向仪仍然有大量覆冰。

低温天气下，风电机组所使用的润滑油将随着温度的降低稠度增大，流动性变差，风机需要润滑的部位可能无法得到充分的油量供应，尤其在长时间凝冻后启机，各个部位可能会因长时间停机造成故障，需要现场进行处理。

图3 低温天气风机功率曲线图

4.叶片覆冰融化后启机

因冬季风速较大，叶片覆冰造成的损失电量也很多。据统计，每年自11月至次年3月，沿海区域的大部分风电场都会发生叶片覆冰。每年因叶片覆冰的损失的发电小时数超过200小时，所以在冬天持续关注气温及天气变化，定时查看机组运行参数，根据实际情况对机组启机尤为重要。

气温不能作为凝冻天气缓和的唯一标准，应结合湿度、温度、巡视观察情况（覆冰厚度、面积等）、风机地理位置、风机试启停机情况等相关因素作综合判断。叶片覆冰风机启机前，要先通过视频监控检查风机附近确无人员、车辆逗留，然后通过视频监控或望远镜或无人机对风机叶片进行查看，发现覆冰已经融化，才可以对凝冻风机进行试启机。发生凝冻的最后一台风机要先试启机，在有风的情况下，风机实发功率仍然低于1个自然米的保证功率，则叶片上仍有很多覆冰。若试启风机顺利并网，且输出功率与保证功率相接近，则可确定覆冰基本融化，可以对其他风机进行启机。

5.叶片覆冰的风险管控

每当冷空气来临时，风机的机械风速风向仪容易被凝冻，所以冬季来临前，为了保证风电机组能正常发电，会提前将风机的风速风向仪切换至超声波模式，检查超声波风速风向仪是否正常，发现异常立马进行更换。

叶片覆冰运行会对叶片造成损伤，若风速较低时，风机可能不报“大风小功率”，此时就需要对覆冰风机手动停机。若叶片覆冰后不及时停机，三只叶片覆冰不均匀时旋转，及容易引起风机倒塔，值班人员需对停机风机的时间进行记录，以便于气温升高后启机。

当温度上升时，这些冰又很容易从叶片上脱离，在重力和风电机组叶片旋转产生的机械力的作用下，覆冰会被抛出一定距离，有可能直接砸到附近的人或车辆，所以叶片覆冰期间，机位附近不可有人或车辆，并在风机周围设置围栏，装设标示牌，提醒游客凝冻期间不要在风机附近逗留。

叶片覆冰后，通往机位的道路也会结冰，所以为了保证现场工作的正常开展，每当冬季来临前，还需要给车辆增加防冻液，配备防滑链，检查车辆各方面性能良好。

6.结论

风机叶片凝冻对风电场的影响是巨大的，本文基于笔者的理论基础与实践认识，提出了在凝冻时候，风电场风机如何判断凝冻，对风机的启停机控制方法，及凝冻期间的风险管控的相关建议，只有合理的处理风电场凝冻期间各方面问题，才能保证安全的情况下，给风电场带来效益。

参考文献

[1]黄金鹏.大功率风力发电机组叶片的雷击分析与防雷系统设计[J].风能,2012,(5):80-83.

[2]卢源.双馈式风电机组发电机轴承失效分析及预防措施[J].设备管理与维修,2020,(1):71-72.doi:10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2020.01.33.

[3]张建军.风力发电机的运行维护要点[J].军民两用技术与产品,2017,(14):176,210.doi:10.3969/j.issn.1009-8119.2017.14.160.

[4]吴炎生.风力发电机组故障诊断及解决措施研究[J].探索科学,2020,(2):276-277.