風電葉片氣熱抗冰技術工程應用——楊文濤/副總工程師

中車株洲時代新材料科技股份有限公司 楊文濤/副總工程師 

　　謝謝大家！謝謝主辦方給我這個機會。我匯報的內容主要分為四個部分：第一是技術背景，第二是系統原理說明，第三是現有工作基礎，第四是推廣應用及經濟、效益。

　　我們首先講一下技術背景，針對“三北”地區大型風電場因風電消納和外送能力不足、出現大規模棄風現象，為促進低風速地區風資源開發，因地制宜建設中小型風電場，采用低風速機型，就近上網、本地消納，已成為我國風電產業發展的新趨勢。湖南、江西、云南、貴州、重慶、安徽等中西部地區的低風速風場，通常在冬季風況條件最好、風速最大，是一年中發電的黃金時期，但是這些地區在冬季陰冷潮濕，容易出現冰凍、霧凇等惡劣天氣，使風電葉片出現嚴重結冰覆冰現象，輕則影響風力發電效率，重則迫使風機停機而無法發電，甚至有可能造成風機超負荷運行出現損壞事故。因此，針對我國方興未艾的中西部低速風區，研制開發抗冰凍低風速大型風電葉片，具有非常迫切而重要的意義。

　　分析結冰造成葉片氣動外形改變對風機發電量的影響，氣動外形改變導致風能捕獲能力急劇下降，導致載荷增加，振動加劇。脫落冰塊被甩出的距離可達1.5倍葉尖高度。可導致30%到60%的風速測量誤差。

　　德國Enercon公司于2012年開發了氣熱抗冰系統應用于2.0MW機型E-82上，用于7.5MW機型E-126的產品尚在開發中；丹麥Vestas的氣熱抗冰技術于2013年獲得首個來自奧地利的3.3MW機型V-112上。 國電聯合動力于2013年11月首套氣熱抗冰型葉片下線；東方電機與中車時代新材聯合開發葉片混合抗冰系統，于2015年8月在瑞典完成31臺2.5MW電加熱與氣加熱相結合抗冰型風機安裝。氣熱抗冰技術是目前重點推廣的第二代技術，開展此項目綜合了現有的技術基礎和人力資源，并充分評估了國內外研究現狀，從技術的抗冰效果、研制成本、維護成本、技術成熟度和市場推廣的可操作性方面優先開發氣熱抗冰技術。

　　局部前緣加熱膜、整體電加熱、熱空氣傳導、涂層應用，在運行期風機首先判斷環境溫度是否低于2度；然后根據當時的平均功率和變槳角與正常范圍對比，必須排除風速儀結冰的因素，再判斷葉片是否結冰。自主開發的人機界面可以實時監控鼓風機、加熱器的運行參數和葉片溫度的變化情況，并做出相應控制。氣加熱控制系統可實現手動和自動控制模式，兩種控制模式下又分為強力除冰模式和普通除冰模式。對于評估期的樣機，推薦使用我們經過實踐證明有效的無線通信設備，減少對電力滑環的改造難度。

　　機位的主控系統PLC接受SCADA系統的遠程控制指令實現氣熱抗冰系統的電力供應，氣熱系統（HAS）自身的PLC通過對鼓風機和加熱器的運行參數和葉片本體溫度變化自動控制葉片腔內部件的啟停，并具備故障報警和緊急制動功能。這個是示意圖，里面是一個氣體流向圖，氣熱抗冰系統（HAS）可根據不同風場環境結冰條件重點加熱葉片前緣或后緣部分，由于氣體加熱自身具備保溫延時效應，可以兼顧如葉根等非重點區域的抗冰效果。這個是系統原理說明熱氣流加熱可以有效加熱葉片結冰的重點區域(靠近葉尖部位)，兼顧后緣和葉根段。

　　1.適用于典型40米~60米級葉片，可實現國內-10℃~ 5℃結冰環境下防冰/除冰，同時具備-40℃超低溫啟動功能。

　　2.鼓風機功率2.5kW, 流量4000m3/h，加熱器功率20kW，輸風管道長20m；

　　3.葉片內鼓風加熱系統實現模塊化設計，最大模塊物理尺寸600mm×400mm×300mm，可實現風場登機功能升級；

　　4.三支葉片加熱系統同時接收外部啟動信號與停止信號，由PLC系統控制實現過熱保護、過載保護等故障監測；

　　5.可提供與主控兼容的人機界面和防干擾能力的無線信號通訊；

　　我們再介紹一下，前面的這么多引言，現在介紹一下中車新才做了什么工作，在二維仿真模型計算結果表明，對于50米長的葉片，20kw氣加熱功率在外界溫度環境處于-15度~-20度間除冰時，工程應用效果不理想，與試驗結果一致。超過零下15度不推薦使用氣加熱。左圖是地面氣加熱1小時后的熱成像效果圖；右圖為試驗過程中葉尖段傳感器的溫升曲線。基本表明，20kw的加熱功率是具備工程應用價值，再加大功率會受到葉片本體材料導熱性能限制，但對于嚴重結冰環境時，需要儲備40kw的加熱能力。比如這個項目設置40千瓦，但是對國內是推薦20千瓦。這個圖是證實實驗效果，把整支葉片扔到冰庫里面，在全尺寸冷庫試驗中，目前還有不完善的方面，但是已經開展起來了，在120min鐘內葉片表面的冰可以自行融化掉落，在實際風機運行中，由于風機振動影響，效果會更好。

　　剛才提到氣加熱的技術安全，可維護性。這是在國內裝機了一臺，目前運行了兩年，在兩年里面得到了一個結論連接可靠性是值得我們信賴的。我們有一支專業化調試隊伍，我們也已經有了企業標準。右邊的圖是三支葉片一起，這個是我們客戶反饋回來瑞典效果的證明，以及這款葉片出口也起到了認證，我們的東西可靠，技術專利也是通過審查的。我們的技術主要是針對在南方。

　　最后是我們的總結部分，氣熱抗冰技術經過充分地分析計算、試驗、樣機考核及北歐風場批量應用，可以得到進一步推廣應用；與北歐等地相比，中國南部冰凍地區的最低溫度較高，冰凍電量損失可觀但不太大，抗冰凍技術方案設計應有充分的針對性；通過氣熱抗冰硬件的模塊化設計，7天可實現風場葉片抗冰功能升級。

　　謝謝大家的聆聽！