张家川风电场覆冰环境制约机理研究

2020-10-16董海萍陈宇升董建兵丁滢

风能 2020年6期

文 | 董海萍，陈宇升，董建兵，丁滢

随着风能产业在世界范围内的迅速发展，风电场因机组覆冰停机所造成的发电量损失也日益凸显。低温冰冻对风电场的影响主要表现在风电机组、集电线路、设备和道路上。比如，覆冰使得叶片质量分布不均，叶片结构和形状发生改变、负载增大，风电机组机翼的空气动力损失增大；覆冰使得导线产生张力差，导线电气间隙减小，导致闪络发生；低温条件会使风电机组中润滑油的流动性降低，液压系统无法正常工作，齿轮箱系统和偏航系统内部运行阻力增大等。国外非常重视叶片覆冰问题的试验研究，在风洞中进行了大量针对叶片或者翼型的覆冰试验，研究了不同气象条件下的覆冰类型、覆冰强度、覆冰对翼型气动特性的影响和防覆冰方法。由于我国风电发展时间较短，试验设备尚不完善，尤其缺乏对叶片覆冰进行物理模拟的风洞实验室，因而国内有关风电机组叶片覆冰的试验研究成果较少。

众所周知，风电场大多坐落于高原、山脊、山顶等高海拔寒冷地区和风能资源丰富的高纬度地区。如中国的“三北”（东北、西北、华北）地区是风能储量最多，但同时也是冷空气入侵最多的区域。其中，西北地区由于远离海洋，属于大陆温带气候，干旱少雨。一般认为该地区冬季虽寒冷，但由于水汽不足不会发生覆冰现象。但从近年来风电场实际运行状况可知，某些地区受局地小气候影响，湿度较大，往往是覆冰高发区。

甘肃张家川风电场自投运以来，冬半年覆冰较为严重，已是造成发电量损失最大的因素。本文主要从地理和气象环境分析成因，揭示该风电场冬半年冰冻的环境机制，并通过覆冰发生时温度和湿度的相关关系建立覆冰模型，为评估覆冰环境和避免类似现象的发生提供可循经验。

风电场地理环境特征

张家川风电场位于甘肃省张家川回族自治县东北方向的山脊上，海拔高度约2500m。风电场自2016年6月投运以来，每年约10月初开始发生覆冰，一直持续至第二年3月才基本结束，覆冰周期长且严重（图1），由此给风电场造成较严重的发电量损失。

风电场覆冰的发生与其所处的地理位置和地形、地貌是密不可分的。张家川回族自治县虽然位于我国西北，远离海洋，但却是东南、西南季风交互影响的边缘地带，独特的地理环境形成了冬季湿润的气候特点。

由项目所在地及其周边地形高度（图2）可知，张家川风电场位于六盘山向南延伸的山脊上。风电场北部为地势较高的黄土高原，西侧为青藏高原的西北延伸区域，只有南侧为地势较低的区域，且有东-西向的渭河流域，沿着渭河河谷向东延伸，故张家川为西、北、东三面地势较高，南部地势略低且有峡谷的地形地貌。

冬半年，从西北向东南移动的北部干冷空气，由于受到六盘山和北部地势较高黄土高原的阻挡，其一般沿着六盘山的东侧地势较低处向南或向东移动；北上的东南部暖湿气流，会受到北部陇山阻挡而蓄积在地势相对较低处，且部分暖湿气流沿着渭河河谷向西侵入，使张家川局部地区的湿度增加；西南暖湿气流也可沿着嘉陵江北上，进入渭河以北地区。此外，渭河本身也使张家川局部地区的湿度增加，由此形成该地冬半年湿润的环境特征。

张家川冬半年雾的形成和持续是冰冻严重的最显著表现。当白天温度上升时，空气中可容纳较多的水汽。随着夜间温度下降，空气容纳水汽的能力随之降低，部分水汽凝结成雾。特别是在秋、冬、春季节，由于夜间时间长，地面散热较夏季更迅速，使得近地面空气中的水汽达到饱和而凝结成小水珠，形成雾。张家川风电场的冬半年湿度较大，随着气温逐渐降低，空气中的水汽凝结，使得该风电场冬半年（特别是在晚间）大多处于云雾笼罩中，致使覆冰持续发生，造成严重的发电量损失。

风电场气象环境特征

众所周知，冰冻现象发生在一定的环境条件下，特别是与湿度、温度、风速和天气状况密切相关。由于没有针对张家川风电场环境湿度的观测资料，故本文通过对其周边—位于项目西南的张家川县城气象站的长年观测资料进行分析，进而探寻冬半年发生严重冰冻现象的成因机制。该气象站与风电场相距约15km，海拔高度差约450～650m，基本能反映风电场的环境特征变化。

一、温度和湿度变化特征

从张家川近5年温度和湿度的关联度，以及高湿和低温天数的逐月统计数据（图3-图5）可看到，冬半年非常有利于冰冻发生。

由图3可知，张家川全年平均湿度都保持在较高的数值（除春季约为56%外，其余月平均湿度都在60%以上）：进入春季后，湿度降低幅度较大，其中，4月最小，平均为55.3%；进入秋季后，湿度逐渐增加，9-11月的平均湿度可达70%以上，其中，10月的湿度最大，平均为75%。与此同时，逐月平均温度呈正常的季节波动，7月的平均温度最高，为21.7°C；1月的平均温度最低，为-3.1°C；10月至次年2月，湿度较大而温度较低，有利于冰冻发生。

由图4可知，该地区的温度和湿度在一天中随时间的演变呈反向关系，即随着温度降低，湿度呈增加趋势。湿度和温度约在8-9时分别达到一天中的最大值及最小值，而约在16时分别达到一天中的最小值及最大值。随着傍晚临近，湿度增加而温度降低，约在20时湿度增大至60%以上，温度下降至-1°C以下；约在24时后，湿度增大至70%以上，温度下降至-4°C以下，非常利于冰冻产生。这与张家川风电场在冬半年期间，随着夜晚临近，云雾逐渐加重的天气状况相一致。

由图5可知，在每年的10月，高湿度天数达到最大值，环境平均湿度大于70%、80%和90%的天数分别为30天、28天和21天。与此同时，温度低于2°C和0°C的天数分别为6天和3天。由此可知，张家川自10月开始，就有冰冻现象发生，即年冰冻发生时间较早。进入冬季（11月、12月和1月）后，高湿和低温天数都保持较高数值。11月湿度大于70%、80%和90%的天数分别为28天、25天和17天，温度低于2°C、0°C的天数分别为20天和16天；12月湿度大于70%、80%和90%的天数分别为29天、22天和10天，温度低于2°C、0°C的天数分别为30天和29天；1月湿度大于70%、80%和90%的天数分别为26天、19天和5天，温度低于2°C、0°C的天数分别为31天和30天。2月和3月也有一定天数的高湿和低温天气。由此可见，自10月至次年3月，特别是12月至次年1月是冰冻的高发期，随着温度上升，至4月冰冻基本结束。

表1 2016-2019年冬半年出雾天数和风电场因冰冻损失的发电量

表2 覆冰较大概率发生时温度和湿度的对应关系

二、风速与出雾天数变化特征

从张家川气象站近5年大于3m/s以上的风速（10m高度）占比逐月演变趋势（图6）可看到，大于3m/s以上的风速在春季占比较高。其中，5月出现该风速的概率最大，约占整月风速段的22%，其次是4月和3月；12月出现大于3m/s以上风速的概率最小，约为8%，其次是11月，即总体上冬季风速较小，春季风速较大。风速较小有利于雾气产生并持续下去，这也是张家川冬季湿度较大、云雾天气多发的原因之一。

从张家川气象站近5年逐月平均出雾天数（图7）可看到，冬半年出雾天数明显大于夏半年，特别是11月、12月和1月，雾天概率较大；每年自9月开始，雾天逐渐增多，12月达到最大值—半月以上都为雾天。从风电场2016-2019年冬半年（1月、2月、11月、12月）出雾天数和风电场因冰冻损失发电量的对比关系（表1）可看到，每年风电场因冰冻损失的发电量与冬半年出雾天数有较好的一致性，说明雾天多、湿度大是导致张家川风电场冬季冰冻的直接原因。

覆冰评估及措施

一、覆冰模型建立

产生覆冰的环境条件是比较复杂的，除与温度和湿度密切相关外，还与风速和当时的天气现象有关。我国覆冰类型主要分为云雾型和降水型，云雾型覆冰一般发生在低温且湿度较高的情况下，风速较小；降水型覆冰一般发生在冻雨或湿雪等较强烈的天气过程中，风速变化范围较大。从上述风速与雾天变化特征可知，张家川属于云雾型覆冰。

通过分析机组因覆冰停机的数据可知，当覆冰发生时，温度和湿度一般满足一定的相关关系。表2为张家川风电场较大概率发生覆冰时温度和湿度的对应值，建立合适的回归方程对二者的关系进行描述：Y=95.069×exp(0.0198X)，其中Y为湿度，X为温度。可根据该关系式预判风电场覆冰发生的时间节点和概率。

二、应对措施探讨

对于覆冰较为严重的风电场，采用为叶片加装电阻丝的加热除冰模式是解决冬季覆冰的方案之一，但这也会增加雷击事故的发生概率。在张家川地区，夏季由于西南和东南暖湿气流的影响，北部800～2000m的陇山阻挡了东来的水汽，使张家川获得相对较多的降水，不稳定天气也时有发生。近5年张家川每年都有雷电发生（一般集中在6、7、8三个月，且最早在4月底、最晚在10月初也有雷电现象的发生），故采用在叶片上加装电阻丝的加热除冰方式在此地不适用。

由图6可知，风速最大的是春季，其次为夏季，冬季风速最小，故可多利用风速较大的春季和夏季发电，以减少冬季冰冻所造成的全年发电量损失。