【遠景風向標】葉片上的冰

還記得今年的“大寒”嗎？

那幾天，中國東北、華北地區的溫度都刷新了入冬以來的新低，整個中東部地區自北向南也進入“速凍”模式，葉片結冰導致停機，發電量損失巨大。現在我們認識這個問題，很有意義。

為什么風機葉片會結冰

當環境中濕度較大并且溫度低于0度時，風機葉片就有可能會出現結冰的現象。在環境濕度一定的情況下，如果風機繼續運行，葉尖相對速度大，相應的葉片表面換熱系數就大，并且過冷水滴以及濕雪在葉片表面的堆積速率增加，從而導致葉片運行過程中，更容易加劇結冰。

葉片上的結冰可謂五花八門，影響風機運行的結冰類型主要有云中覆冰和降水覆冰，其中云中覆冰是指過冷水滴高速拍打在結構表面而凍結，又分為明冰和霜冰；降水覆冰主要指融雪在低溫下重新凍結。明冰形成的過程較慢，因此相對密實，成透明色，附著力大。由于其冰型不規律，對葉片氣動影響嚴重且附著力大，不易脫落；而霜冰形成較快，冰粒之間充滿空氣，因此成乳白色，其形狀較光滑，對氣動影響過程緩慢且附著力小，較易脫落。融雪在低溫下重新凍結后，附著力介于明冰與霜冰之間，對氣動的影響也介于兩者之間。

值得注意的是，風機結冰對發電量、葉片以及整機都存在較大負面影響和危害，所以確保機組運行安全是結冰期運行的最高考量要素，以規避風險并盡量降低經濟損失。比如，某風場風機由于葉片結冰后持續運行，最終導致葉片超載斷裂、機組倒塌的事故（見圖1）。

圖1：風機由于結冰導致葉片斷裂、機組倒塌

葉片上結冰的危害有多大

通常來看，葉片結冰會最先發生在翼型敏感的前緣部位，這會明顯降低葉片升力系數，增加葉片阻力系數，導致發電量降低，圖2描述了葉片覆冰后的功率曲線異常波動情形。更嚴重的是，進一步的覆冰會導致翼型失速攻角提前，葉片進入失速區域，氣動特性發生劇烈波動，從而引起風機葉片顫振，甚至引起整機的共振。如圖3所示，葉片嚴重覆冰后，其上翼型的失速攻角提前至7.5°。當該截面攻角大于失速攻角時，該截面升力系數急劇下降，會引起葉片額外的載荷波動以及結構振動，損害葉片的疲勞壽命。

同時，覆冰所帶來的冰塊附加重量，以及升阻系數的巨大變化，會使得整機的靜載和動載明顯增加，極有可能最終引發極限超載，導致葉片斷裂甚至機組傾覆的災難后果。而在化冰期間，隨著環境溫度上升引起覆冰的融化，伴隨葉片的高速運行，葉片表面冰塊甩出可能會造成嚴重的安全事故，造成周邊居民的財產損失和人員傷害。這風機葉片上結冰的危害之大真是令人驚心！

圖2：覆冰后的功率曲線異常波動

圖3：翼型結冰前后升力系數

拿什么措施應對葉片結冰

值得一提的是，在如何應對葉片結冰的問題上，除了無法控制環境溫度和降雨降雪外，人們想到了各種方法，比如采用加熱葉片來防冰凍，問題是無論是通熱氣還是電熱絲加熱，都會帶來成本、自耗電和后期維護等諸多問題；再如一些廠家在積極研發防冰涂料，但這種涂料只能減緩葉片覆冰，而且非常容易脫落失效，1至2年后便需要重新涂覆；還有一些被動除冰的方法大多是治標不治本，就不再贅述了。

那么，怎么辦？只能看著葉片結冰無藥可救嗎？從遠景的實際經驗和實踐來看，葉片嚴重結冰時應當即停機，這既能防止由于風機帶冰運行帶來的危害，又可避免葉片繼續快速轉動帶來更嚴重的覆冰。這樣看似損失了一些發電量，但卻避免了任由覆冰葉片繼續轉動可能帶來的巨大危害。

其實在結冰的初期，葉片前緣覆冰不嚴重的情況下，風機仍然可以繼續發電，但是這時由于葉片的氣動外形改變了，原先固有的控制參數難以使風機達到覆冰狀態下的最優發電效率。這時可以通過控制手段讓風機自適應到最佳的控制參數（槳角和轉速設置值），提高發電量，例如圖4所示，通過遠景智能控制技術自適應調整，即使在葉片覆冰條件下，相比原控制參數，更加精準的找到了最優葉尖速比，可以挽回發電量30%以上。

圖4：葉片覆冰后發電量降低，通過算法改善后發電量回復

這樣的控制方法能否安全有效，很大程度上取決于是否能準確判斷葉片結冰狀態和程度。目前市場上已有的結冰檢測技術，要么是通過間接手段判斷葉片是否覆冰（如圖5所示葉片結冰傳感器），要么是通過振動模態頻率漂移來判斷，但這些技術的準確性均存在問題，尤其這些傳感器無法針對風機的氣動特性做出判斷和優化控制。

而遠景的智能感知技術通過融合風機轉速、槳角、功率和振動等各方面信息，再結合風機葉片氣動預測模型，可綜合判斷葉片覆冰的狀態（如圖6所示），能在30分鐘之內判斷葉片是否結冰，并根據覆冰程度來啟動智能調整策略，優化覆冰葉片的發電性能。值得說明的是，當智能感知技術發現葉片覆冰程度已經影響到風機的安全了，就會主動停機來保障風機的安全。這樣，既能最大程度地挽回發電量，又保證了風機的安全運行。

圖5：LabkoTek結冰傳感器

圖6：葉片結冰快速檢測示意圖

到此，基本的結論是，針對葉片結冰問題，需要詳細考慮成本和收益的關系，不能盲目地要求增加葉片抗凍性投入，而要理性思考，算算經濟賬。所以，智能控制手段就成為解決葉片結冰問題的有效方案。