风电后市场微平台风电运维 | 风力发电机组叶片喷射除冰系统研究与应用

在寒冷季节，许多处于高湿地区的风力发电机组通常会出现叶片覆冰现象。导致叶片性能及风电机组功率输出无法达到设计要求，甚至出现停机和其它安全事故，风机叶片的覆冰问题已经成为影响风机安全的重要隐患之一^[1～5]。国内可再生能源持续大力开发和转化利用的能源发展战略驱动下，风力资源的开发利用得到了前所未有的发展机遇，因此，提升风力发电机组年发电量是风电企业生产经营盒安全管理的首要目标^[6]。近年来，国内科研者对风机叶片除、防除冰技术进行了大量的研究实验，发展了多种风机叶片除、防冰技术[7～8]。主要分为被动防冰和主动除、防冰两种方式。其中，被动防冰指采用各类疏水涂料的叶片涂层防冰法。主动除、防冰指采用叶片振动和超声除冰的叶片机械除冰法、采用电能直接加热或热气间接加热的叶片热力除冰法等等^[9～10]。然而，这些叶片除冰方法都有其自身的缺点和工程应用局限性。例如，防冰涂层的耐候性差，易脱落。电热加热易引发雷击损伤叶片，气热除冰增加叶片负载，加速叶片老化等问题。此外，对于技改机型，还存在现场施工困难、施工周期长、某些工况下无法改造及技改投资费用较高的情况，难以有效推广应用。

针对已营运风电场的风电机组叶片防除、防冰工程应用需求，采用不改动叶片的喷射除冰法进行风电机组叶片除冰技术应用受到越来越多关注。与现有的其它除冰技术相比，喷射除冰法具有在现场易实现改造、易维护、除冰效率较高、施工周期短、不改动叶片等工程技术优势。本文针对湖北襄阳某风电场已营运的2.0MW风力发电机组叶片喷射除冰系统开展应用研究，同时对其中的关键问题进行探讨，为推广此技术的工程应用提供参鉴。

固定式喷射系统是通过在风机塔筒外壁一定高度处，安装若干定制喷射头，对进入喷射范围的结冰叶片进行喷淋除冰作业。通过安装于塔基处的高压喷射流站，将融冰剂喷射到叶片表面后，快速融化凝结于叶片表面的冰雪，从而达到除冰的作业目的。此外，特殊研发的叶片专用融冰剂可在一定时间内抑制叶片再此结冰，达到防冰、提高风机发电量的目的。

1.1 喷射系统结构

固定式喷射系统主要由结冰检测装置、叶片位置检测装置、除冰剂喷射单元、电控单元、远程集中控制平台等五部分组成。实现结冰监测、叶片位置实时捕捉、融冰剂自动喷射等功能。喷嘴与高压管路沿塔筒外表面垂直布置，多路喷嘴并联在高压管路上，并用抱箍固定在塔筒上。管路的一端与储存有融冰剂的高压喷射流站相连接。高压喷射流站置于风电机组塔底层，系统电源取自风电机组塔底控制柜，固定式喷射系统结构如图1所示。

图1 固定式喷射系统结构

1.2 喷射控制逻辑

除冰系统在机组结冰停机后启用，风电机组处于待机状态，叶轮自由旋转，通过偏航调整机舱位置，使机头调整至喷嘴所处截面，当叶片位置传感器检测到叶片旋转到喷射流覆盖区域时，系统自动开启高压喷射装置，当叶片旋转出喷射流覆盖区域后，系统自动停止喷射，喷射效果如图2所示。

图2 固定式喷射系统喷射效果

除冰作业流程如下：

A 结冰监测

机组叶片持续结冰，达到停机条件后停止运行，开展除冰作业。

B 旋转机舱

远程进行偏航，将机头调整至喷嘴所处截面，使叶轮旋转平面与喷嘴连线平行。

C 叶片位置监测

叶片位置传感器持续监测叶片位置，以确保喷射在叶片表面的融冰剂落点位置准确，当某一支叶片进入喷嘴可喷射区域时，达到“切入”条件，此时喷嘴开始持续喷射，超过此范围时，停止喷射。喷射时机成熟，系统开始喷射。

D 确定除冰时长

根据现场结冰严重状态，并结合融冰剂除冰效率，确定系统喷射次数与时长。从历年风场结冰情况进行分析，确定叶片结冰严重程度。结合系统除冰效率，确定除冰系统单次开启时长、总喷射次数。

除冰作业流程如图3所示。

 图3 除冰作业流程

运载式喷射系统是利用爬壁机器人携带定制好的喷头和高压管路，从塔筒外壁爬升至除冰作业高度后，由车载移动式高压喷射流站将融冰剂通过爬壁机器人携带的喷头，喷射至叶片表面。再由融冰剂快速融化凝结于叶片表面的冰雪，达到清除叶片表面冰雪的目的。

2.1 爬壁机器人运载平台

运载式喷射系统主要的攀爬运载平台为爬壁机器人，爬壁机器人在风电行业已有较为广泛的应用，早期其主要作为替代人工对塔筒进行清洗和对叶片监测作业[11～14]。其结构组成主要为：驱动轮、伺服驱动电机、主载体、控制箱、支架底座、支撑杆和喷嘴等。由于风机塔筒为非平面体，且一定高度处有焊接缝，除冰时的爬升高度、负载及曲面适应性都有一定要求外，对风机除冰的爬壁机器人的环境适应性，其性能参数如表1所示。

表1 爬壁机器人性能参数

除以上性能参数要求外，由于风电机组特殊的工况环境，爬壁机器人还需具备一定的抗干扰无线（有线）遥控技术，实现多信道通信，抗复杂电磁环境。磁吸装置需为永磁体，磁路设计高效，安全可靠。爬壁机器人如图4所示。

图4 风机塔筒爬壁机器人

2.2 移动式高压喷射流站

移动式高压喷射流站主要由运载车、安装于运载车上高压喷射泵、电控柜和一体化储水箱等设备组成。

风电机组叶片专用融冰剂的配制设计，主要考虑风电场常常处于森林、草原及河流等自然保护区，融冰剂应具有不能对动植物产生伤害，不能对土壤产生盐碱化，不能腐蚀设备，可生物降解的环境友好型特型。在技术指标下，应具有低凝点，高闪点，可与水任意比例混溶，与环氧或聚氨酯涂层有一定粘附力的的特性。能够在叶片表面较长时间停留，达到较长时间的防冰效果。其性能参数如表2所示。

表2 融冰剂性能参数

融冰剂测试方法参照MHT6111-2015《机场道面除冰防冰剂融冰能力试验方法》进行。融冰效果评测试验：在一定时间和温度条件下，通过测量融化的冰的质量来评估融冰剂的融冰能力。抑冰效果评测试验：在一定时间和温度条件下，通过测量叶片上的冰的质量来评估融冰剂的抑冰能力。

所选参比溶液（50wt%乙酸钾）、市售车用防冻液和风机叶片专用融冰剂进行测试。测试结果如图5、图6所示。

图5 融冰效果对比图

图6 抑冰效果对比图

从图中可知，风机叶片专用融冰剂无论在融冰和抑冰效果上都优于参比溶液（50wt%乙酸钾）和市售车用防冻液。

4.1 系统安装实现

固定式喷射系统应用研究选择位于湖北襄阳某风电场已营运的2.0MW风力发电机组。喷射除冰系统的安装工作总耗时约7个工作日，具体安装工作可分为塔筒外部设备和塔筒内部设备两部分区域的安装。

4.1.1塔筒外部设备的安装包括：风机外侧喷射管路、喷嘴、抱箍等的安装。安装效果如图7所示。

 图7 固定式喷射系统安装效果图

4.1.2塔筒内部设备的安装包括：叶片位置捕捉传感器、温湿度监测器、结冰检测传感器和塔基电控柜等。

（1）机舱内叶片位置捕捉传感器的安装，如图8所示。

图8 叶片位置捕捉传感器

（2）机舱温湿度监测器的安装，如图9所示。

图9 机舱温湿度监测器

（3）塔基除冰系统电控柜，高压喷射流泵、储液站的安装，如图10所示。

图10 塔基高压喷射流站设备

4.2 系统运行测试

安装完成后，对系统进行了多次测试，研究发现：当风向与系统喷射方向夹角≤±30°时，经喷射系统喷射出的风电机组专用融冰剂可以完全喷射到风电机组叶片表面上。当风向与系统喷射夹角＞±30℃时，经喷射系统喷射出的风电机组专用融冰剂会被风吹的偏离喷射方向，无法完全喷射到叶片上。测试结果如图11所示。                     

图11 固定式喷射系统作业图

左图为风向与喷射风向一致时的实际喷射图，右图为风向与喷射方向夹角＞30°的实际喷射效果图。

4.3 应用效果

11月28日，风场环境气温降低到-5℃，风电场全场风机因叶片覆冰而停机开展固定式喷射和运载式喷射除冰作业两种模式作业测试。

（1）固定式喷射除冰作业：风机停机，偏航至系统喷射主方向，叶片自由旋转。启动叶片喷射除冰系统，叶片位置捕捉传感器开始实时捕获叶片的旋转位，一旦进入喷射范围，控制系统自动启动高压喷射流泵将储液箱中的融冰剂喷射到叶片表面。当叶片切出喷射范围后，系统自动停止喷射，以节约融冰剂。经过2～3个喷射周期后，可看到叶片表面覆冰融化、下落。当叶片表面覆冰全部融化后尝试启动机组，发现可正常发电，表明该系统已完成机组的叶片除冰作业。

除冰作业前叶片结冰如图12所示：

图12 除冰作业前叶片结冰图

除冰作业时，融冰剂喷射到叶片融冰情况，如图13所示。

图13 除冰作业化冰图

（2）运载式喷射除冰作业：风机停机，机头偏航到风向的下风向，爬壁机器人沿着塔筒壁爬升至叶片结冰对应的水平高度。通过车载电控系统启动高压喷射流泵，通过爬壁机器人携带的高压管路输，从特制的喷头喷射到叶片表面。叶片表面覆冰融化、下落。待覆冰完全融化后，启动风机，风机恢复发电，如图14所示。     

图14 爬壁机器人除冰作业

本文通过研究固定式喷射系统和运载式喷射系统在2.0MW风电机组叶片除冰作业上的工程实际应用，得到如下结论：

（1）固定式喷射除冰系统具有具有现场易改造、施工周期短、不需改动叶片、操作简单、无安全隐患等优点，但是在试验过程中也发现，该系统的抗风能力较弱，当风向夹角与喷射方向＞30°时，融冰剂较难喷射到叶片上，除冰效果大打折扣，今后还需在抗风能力等方面进行优化；

（2）运载式喷射除冰系统相对固定式除冰系统更加灵活，由于爬壁机器人可以在塔筒壁上360°行走，所以不受风向的影响，适应性更强，但运载式喷射系统需要技术人员到达风机机位现场才能作业，不能像固定式喷射系统那样进行方便的远程操控。且当塔筒壁结冰较厚等特殊情况下，爬壁机器人较难在塔筒壁上行走，可见该系统也具有一定的局限性。

（3）冬季应结冰周期较长，且风机结冰损伤电量较多的风电场，安装固定式喷射系统较为适宜。而风机停机时间较短，除冰需求次数较少的风场，可配置一套运载式喷射除冰系统。

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作者：湖北龙源新能源有限公司 邵大海、尹佐明、段凡卫、姚波