南山风电场XE82 机型气象站抗冰冻的研究

邓磊，冯高煜，曾益民

(大唐华银城步新能源开发有限责任公司南山风电场，湖南 邵阳422500 )

南山风电场地处高寒山区，平均海拔1 800 m以上，冰冻期较长且强度大。该风电场Ⅰ期25 台风机于冰冻期因冰冻导致风机气象站无法判别风向、风速导致风机停运。

2011 年12 月8 日，南山风电场天气情况:大雾，空气湿度82%，最高气温为1.44 ℃，最低气温为-6.99 ℃，平均风速为5.5 m/s，最大风速为17.6 m/s。从8 日凌晨1 时起，温度从1.4 ℃左右在30 min 内急剧下降至-6.8 ℃，风向从西南转至东北。上午8 时，风场投入试运行的9 台风机(其余的风力发电机组正在调试期间，信号未接入后台系统，不做统计分析)有8 台因故障停机，停机机组占总量的88.8%。至风机监控检查:8 台风机首出故障均为T230 (风向标故障)，T231 (风向标1 结冰)，T233 (风向标1，2 不一致)，且因风机紧急变桨伴发其他故障。调取风机实时数据发现:各台因故障停运机组风速信号为0，风向标1，2 方向分别为182°，35°，且基本不变化。故判断风机因无风速、风向信号，无法识别风况，导致故障停机。

根据南山风电场电量分析可知:在2011 年2月至2012 年3 月的冰冻期间，因结冰导致风机停运造成电量损失共计107.25 万kWh，占损失电量比重大。

可见，冰冻对风电场的安全稳定经济运行带了巨大的损失。研究南山风电场气象站抗冰冻的解决方法是十分必要。

1 气象站结冰情况与分析

1.1 气象站结冰情况

12 月8 日，风电场维护人员登塔检查停运风机状况，发现风机气象站完全被冰雪冻住，因与避雷针、航空障碍灯之间间距太小而连成一个整体，导致气象站无法正常工作。检查风速仪、风向标加热回路工作正常，但用手触摸气象站表面，感觉不到加热效果，且冰雪堆积处无明显融冰痕迹。出舱用望远镜检查叶片表面附有很薄的白霜，部分位置结有薄冰，且在不断掉落。

经过12 月对风机安装区域冰冻天气情况的观察，发现:1)发生冰冻时降温并不猛烈，并且气温也不特别低;2)降温后24 h 内，气温普遍回升或天气转晴，风向由北风、东北风迅速转至南风、西南风;3)在结冰期间，气温升高到0 ℃以上的时候，叶片覆冰基本掉落，只有一层很薄的白霜，部分机组的机械式风速、风向传感器，恢复了转动。综上所述，南山冰冻天气的特点为:降温较快、湿度较大 (2 次结冰时湿度的平均值为78%)、冰冻期长、单次冰冻时长较短、气温回升快。在此种天气条件下，风机气象站因露天安装于80 m 的机舱顶部，容易被冰雪堆积，无法识别风况。叶片在结冰时部分位置会附有薄冰，但因其位置处于垂直状态，气温稍有回暖覆冰会不断掉落。根据表1 统计数据可知:风机停运时间的长短主要取决于气象站恢复的速度，叶片恢复的时间均在气象站之前。

表1 结冰情况记录

1.2 相关分析

通过在冰冻期内对风机运行状况的长期跟踪，气象站结冰影响风机运行的主要原因如下:

1)南山地处高寒山区，春冬两季空气湿度很大，能达到90%以上，如遇气温急剧下降，冰冻情况严重，但山顶部位融冰速度较快，冰冻时间较短。

2)风机气象站现有设备加热功率(50 W)太小，无法达到快速融冰要求。

3)风机气象站布置间距较小，容易与支架、航空灯等冻成一团。

4)风机气象站风向标、风速仪转动部位连接处为塑料材质，在低温下容易折断。

5)因风向标结冰，而引发偏航系统进入偏航死区内，报扭缆故障告警，增加风机故障概率。

6)风机叶片结冰，将改变叶片迎风面形状，会增加塔架载荷和水平方向推力，损耗吸收进叶轮的机械能。

2 气象站抗冰冻措施及实施

2.1 解决问题的思路

根据风机安装位置气候条件，冰冻季节长但单次冰冻时间短且回暖较快。只要解决风机气象站因冰冻不能正常工作的问题，风机在冰冻情况下正常运行，叶片表面涂有憎水材料，在动态下不易覆冰且能利用离心力将附在表面的薄冰甩掉，从而可有效解决风机叶片覆冰情况，确保风机冰冻期间不停机运行。

因此，可通过增强气象站在冰冻期间的可靠性，确保在冰冻期间风机气象站正常工作，从而保证风机在冰冻期间运行，降低叶片覆冰的可能性，极大减小叶片覆冰厚度，降低风机故障率，提高风机可利用率及发电能力。

2.2 解决措施及效果

2.2.1 进行风速仪、风向标保温

1)实施过程:于2012 年1 月2 日完成了全风电场25 台风机风速仪、风向标进行保温，以迎冰冻天气。

2)结冰的具体情况:从表1 可知，投入试运行风机21 台，结冰风机台数18 台，占总量的85.71%。1 月3 日和4 日的最高温度-0.4 ℃，最低温度-6.32 ℃，平均气温-5.1 ℃，平均空气湿度82%，最长结冰时间为#17 风机20 h。

3)检查发现仍存在如下问题:①85.7%以上的风机气象站仍然被冰雪冻住，无法识别风况信号，防结冰能力不强;②从图1 可知，风速仪依然和航空灯结冰在一起，无法根除气象站各元件间距问题;③进行保温后的融冰速度得到一定程度提升，但是融冰效果不显著。

4)结论:经过保温处理的气象站在一定程度上提升了融冰能力，但未解决气象站结冰的问题，该对策不成功。

2.2.2 更换大功率气象站

1)实施过程:于2012 年2 月2 日完成#18 风机气象站的大功率风速仪、风向标的安装工作，并于2 月5 日、6 日迎来了冰冻天气。

2)结冰的具体情况:投入试运行风机25 台，结冰风机台数8 台，占总量的32%。1 月5，6 日的最高温度0.5 ℃，最低温度-2.5 ℃，平均气温-0.17 ℃，平均空气湿度75%，最长结冰时间为#19风机(紧邻#18 风机安装位置，地形及气候条件相似)，为16 h，安装了大功率气象站的#18 风机未受到结冰影响。

3)仍存在的问题:①大功率气象站在结冻过程中有冰雪堆积，但其转动部分未被冻住，能正常工作，其融冰速度比普通机械式气象站快4 ～5 h;②加热功率增大至100 W 对周边设备影响很小，但继续加大功率容易使附件元件老化;③因大功率气象站风速仪测风元件比原机械式测风元件体积大，导致风速偏高，容易发生暴风停机。

4)结论:更换大功率气象站能加快融冰速度，通过加长气象站，使得气象站各元件的间距加长，对降低冰冻影响有一定作用，但因风速偏高，在大风时易发风速过高、暴风停机等故障，降低风机的可利用率。

2.2.3 更换超声波气象站

1)实施过程:于2012 年3 月15 日在#6，#25风机拆除机械式气象站风向标2，在此位置安装超声波气象站，将超声波气象站风况数据作为主导数据引入风机进行计算，机械式风况数据作为辅助数据进行比较。在#6 风机选用某公司生产的Hybrid XT 型(点对点式)超声波气象站，在#25 风机选用国外公司的FT702LTD50 型(面对面式)超声波气象站。两款超声波气象站加热功率均为100 W，且能在柱体内部加热，热量能传递到测风元件顶部。于3 月23，24 日迎来了冰冻天气。

2)结冰情况:投入试运行风机25 台，结冰风机台数22 台，占总量的88%。3 月23，24 日的最高温度-1.05 ℃，最低温度-6.93 ℃，平均气温-3.7 ℃，平均空气湿度83%，最长结冰时间为#17 风机43 h，安装大功率气象站的#18 风机受冰冻影响较小，仅停运2 h;安装点对点型超声波测风仪的#6 风机停运了11 h，安装超声波测风仪的#25 风机机械式气象站被冰雪覆盖，但超声波气象站测风正常(如图2)，风机保持正常运行，未受到结冰影响。结冰情况见表2。

表2 更换气象站后的结冰情况记录

3)在冰冻情况下发现:①在其他风机均因气象站冰冻无法工作的情况下，#18 风机在冰冻最强的时候因无风况数据停运2 h，#25 风机在冰冻期内正常运行。②改造后的风机在结冻过程中叶片有少量覆冰情况，影响部分电量。但未改造风机均因停运导致叶片覆冰严重，约有3 ～5 cm 厚。③天气回暖后，#25，#18 风机因叶片覆冰较少，能很快恢复运行，比其他未改造机组恢复正常运行快10 ～15 h。④#6 风机虽然进行了超声波气象站的改造，但因冰冻伴随大雾，其风速数据经常连续变0，波动情况严重(如图3 所示)，导致风机判别为气象站故障，报T230 故障停机。

4)在正常天气情况下发现:①#18 风机安装大功率机械式气象站在小风工况下比其他机械式气象站风速高出1.5 m/s，在风场平均风速11 m/s 的大风工况下，比其他机械式气象站平均风速高出6～8 m/s，并经常误测出35 ～40 m/s 的极大风速。其他风机均正常满负荷运行的情况下，出现因暴风(10 min 平均风速高于25 m/s，30 m/s 风速保持3 s)导致风机切出停运的情况。②#25 号超声波气象站与其自身机械式气象站比较，小风时风速高出1 ～1.5 m/s，大风时也只同样高出1 ～1.5 m/s。在其他风机正常满负荷运行时未发生暴风停机的情况。③#25 号超声波气象站风速数据存在波动。因机械式气象站测风具有连续性，在南山阵风变化较快的时候，其采样会过滤一些时间很短的阵风，表现为风速数据比较平滑。但超声波气象站因精度高，能实时反映风速变化情况，表现为风速数据抖动较大。因风机在启机后采用转矩控制模式，风速只作为启停机或安全链判别程序使用，风速数据波动不会造成风机停运。

以上3 种气象站的风速比较如图4 所示。

图4 中选择2012 年3 月14 日，主要原因是#18大功率气象站的测风偏大的缺陷，在大风速情况会引发风速过高、暴风停机等保护动作;#17 与#18风机，#1 与#25 风机位置较近且平行具有参考价值。

5)结论:此面对面型超声波气象站能将冰冻对风机运行影响减少至最低，能保证在整改冰冻期间风机不停运。即在冰冻情况下能保证正常工作，风速数据虽有波动，但不会造成风机停运及暴风停机，叶片上覆冰很少，能保证风机正常连续运行。

3 总结

冰冻气候对风力发电电量、风机设备安全运行的影响尤为突显。改造后的机组经过2012 年12 月-2013 年2 月冰冻期的考验，均未发生因气象站结冻后不能正常工作导致风机停运的情况，所有风机均平稳过冬。2013 年同比减少冰冻损失电量108万kWh，直接经济效益66 万元，按风机使用寿命20 年计算，总体经济效益将达1 000 余万元。

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