风力发电机组叶片气热法防除冰系统设计

罗玉平，舒 禹，黄宜健，毛林波，李 伟

(1.大唐贵州新能源开发有限公司，贵州 贵阳 550009;2.贵州理工学院，贵州 贵阳 550003)

0 引言

在我国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，提升风力发电机组年发电量是风电场业主生产管理和技术改进的首要目标。然而，地处云贵高原潮湿凝冻环境下的营运风电场，在冬季积冰期普遍存在风机积冰运行，有时积冰停运期长达40余天，极大地影响了风电场业主经营效益和安全生产。因此，预防和解决风电机组叶片在冬季结冰期的结冰问题已成为该区域风电场生产管理难题，攻克风电机组在冬季结冰期的叶片防除冰技术，势在必行，是提升云贵高原地区风电场经营管理和安全生产水平的有效途径之一[1-2]。

国内外学者和科研机构对风电机组叶片防除冰技术进行了大量的相关研究，发展了多种风机叶片防除冰技术[3-6]。例如，采用叶片振动和超声除冰的叶片机械除冰法、采用涂料的叶片涂层防冰法和采用电能直接加热的叶片热力除冰法等。然而，这些叶片除冰方法都有其自身的工程应用局限性，例如存在现场施工困难、效率较低、现场改造不可行和改造投资费用较高等情况，难以有效推广应用。

近年来，针对营运风电场的风电机组叶片防除冰工程应用需求，采用气热法进行风电机组叶片防除冰技术越来越引起重视[7-8]。与其他防冰技术比较，叶片气热法具有在现场易实现改造、易维护、除冰效率较高、设计与运行灵活等工程技术优势。本文针对云贵高原风电场当前营运的主流2 WM风力发电机组叶片气热法防除冰系统开展设计，同时就其中的关键问题进行探讨，为推进该方法的工程应用提供技术借鉴。

1 单支叶片内加热系统设计

风电机组通常采用水平轴三叶片设计结构，每支叶片的气热法防除冰方法及设计相同，现就单支叶片的气热法工作原理和设计进行阐述。

2 MW风机叶片内腔被剪切腹板分隔为前缘通道(叶片前缘侧)和后缘通道(叶片后缘侧)，两通道在叶尖部位连通，在叶根处人孔板密封后叶片内形成一个内循环通道，如图1所示。

图1 叶片气热法防除冰工作示意

叶片内气热法防除冰系统设备主要包括鼓风机、加热器、导风管和挡风板，在叶根轮毂处加热控制系统控制下实现叶片加热。

通常而言，叶片前缘结冰情况较严重，因而在叶片前缘通道内靠近叶根处，设计并且安装适当功率(3 kW)鼓风机和大功率加热器(30 kW)，加热器出口采用Φ200耐热导风管沿着叶尖方向安装，约10 m位置处，继续向前因空间狭窄难以施工。在导风管出口处设计耐热挡风板，在固定导热管的同时将出口热空气和叶根方向冷空气隔离，保证热空气持续加热叶片本体并向叶尖方向前缘通道和后缘通道在鼓风机作用下强制热空气循环流动。

加热器导风管出口温度约60～80 ℃热空气，在叶片前缘通道内进行传导和对流的热交换过程，持续加热叶片壳层材料本体，使叶片壳层外表面温度上升。同时，随着热空气在叶片内前缘通道和后缘通道之间往复强制循环，叶尖部位、后缘通道和叶根部位的叶片材料在不同温度下也被持续加热，使得叶片外表面温度上升。因而，只要存在热空气长时间持续加热，叶片外表面温度将会持续上升至0 ℃以上，达到在冬季结冰期实现叶片表面防除冰目的。

为了提高叶片加热系统设备可靠性及保护风机叶片，加热器采用无级调功控制策略，以加热器出口温度为控制变量，考虑到叶片防除冰系统工作模式选择要求，即防冰模式和除冰模式。

a.防冰模式。为在叶片表面临近结冰模式下开启叶片防除冰系统以达到叶片表面不结冰目的，根据环境结冰气象条件严重程度可以选择加热器调功控制其出口温度在70 ℃。

b.除冰模式。为在叶片表面结冰后进行叶片表面的融冰除冰工作，通常在风机停机状态下进行，根据叶片表面结冰严重程度可选择加热器调功控制其出口温度在90 ℃。

2 加热系统电源选择与设计

风力发电机组通常在风机塔筒底部配置有80 kVA、690 V/400 V干式变压器，为风电机组提供400 V电压的工作电源，在满足风电机组自身400 V工作负荷之外，提供给叶片加热系统的加热器功率不足，叶片防除冰加热系统正常工作的加热电源受到限制。同时，风电机组叶片系统动力电源和控制信号通过滑环装置获取，德国SCL68滑环装置如图2所示，配置4动力环和28信号环分别作为叶片变桨控制电源和信号通道。在风电机组设计制造时，制造商通常仅考虑了叶片变桨控制所需的动力环和信号航空插头配置，包括动力环负荷载流量(80 A)和信号通道数量(16)，未曾考虑作为叶片加热防除冰系统用的备用配置。

图2 风力发电机组滑环装置(SC168)

针对干式变压器容量和滑环限制，结合叶片防除冰系统大功率加热器功率和系统控制信号需求，从塔筒底部干式变压器高压侧(690 V)引入独立的动力电源作为叶片防除冰系统工作使用，大功率加热器和鼓风机工作电压选择690 V电压等级。更换并定制风电机组滑环，新增4通道690 V动力环以及配置相应的动力环和信号环航空插头，滑环动力通道及叶片加热供电系统，如图3所示。

图3 滑环装置改造及叶片加热器供电系统示意

叶片加热系统电源从滑环输出端接入690 V工作电压，采用并联方式连接。这种接线方式，增加了风机叶片加热系统工作选择的灵活性，可以同时进行3支叶片加热，也可以同时进行2支叶片加热或单支叶片加热，同样方便加热持续时间选择。

3 结冰监测与控制系统设计

风电机组叶片气热法防除冰系统中结冰监测与运行控制系统主要包括结冰监测、数据分析与处理、电气控制和加热器单元4个工作模块，其结构如图4所示。

图4 叶片加热结冰监测与控制系统结构

结冰监测：采用双光纤结冰监测传感器，安装在风电机组机舱顶部，如图5所示，实时监测风电机组顶部结冰状态，如结冰类型、厚度和速度等结冰技术参数。数据分析与处理：利用结冰技术参数，结合风机叶片模型，采用流体计算估算叶片表面结冰分布和整体结冰量，借助现场工程数据进行验证和校正，进而进行叶片传热效率分析以制定或修正加热器控制策略。电气控制：采用PLC控制器，按照加热器控制策略，结合叶片温度监测实施叶片加热系统动作、运行和管理，上传状态监测量与下达加热单元执行指令。加热单元：接受PLC执行指令启动运行叶片内鼓风机和加热器，产生强制循环热空气加热叶片复合材料壳层，升高叶片表面温度，以实现叶片表面防除冰目的。

图5 风机机舱顶部结冰传感器

采用PLC逻辑控制，当安装在风力发电机机舱顶部的叶片结冰传感器获得外部环境结冰信号后，将信号传入加热柜，然后与叶片内的温度传感器所产生的数据通过数据分析与除冰控制策略进行比对，再经过一系列的输入/输出口进行逻辑分析，由PLC逻辑控制来判断采用相应的运行模式。

叶片加热系统运行模式选择如下：

a.防冰模式。当外面环境温度<-2 ℃、湿度>85%时，开启防冰模式，加热控制策略应根据结冰监测状态相应调整，实现在线防冰。

b.除冰模式。在接受到明确的结冰信号以后启动加热器，开启除冰模式，加热控制策略根据结冰监测状态相应调整，应根据环境气象条件、结冰速度和结冰厚度动态计算出加热控制策略除冰参数(除冰消耗功率和持续时间)。据此启动加热系统，实现在线除冰。

4 叶片气热法防除冰系统工程实现

风力发电机组叶片气热法防除冰系统现场改造是一项非常复杂的系统工程，项目工作量大，施工难度较高，受牵制影响因素较多，需要细致的技术勘测和设计，有备无患，才能实现成功的风电机组气热法防除冰加热系统改造、测试和运行，现场改造示意如图6所示。

图6 叶片加热系统结构示意

完整的风电机组叶片气热法防除冰系统涉及到机组3支叶片同步工作，单支叶片内加热系统结构及设备选型与安装布局相同，可采用独立的加热控制柜控制管理每支叶片工作，也可以采用叶根控制柜同时控制管理3支叶片内加热系统设备。在控制柜安装位置选择时，独立控制柜布置在每支叶片内部，共用叶根控制柜布置在机组轮毂空间合适位置，要特别注意加热系统设备在叶片系统中布置均衡及安装稳固，避免给风电机组叶片系统增加不平衡运转的动态载荷，产生振动和噪声，导致影响机组寿命及发生机械意外的运行事故。

风力发电机组叶片气热法防除冰系统现场改造设计涉及的几个关键问题如下：

a.周密的风力发电机组现场技术勘查。塔底变压器容量确定和电压选择，安装设备从塔底至机舱和叶根位置的运送空间判断，滑环技术参数与机组大轴穿孔尺寸确定，电缆铺设施工和控制柜安装地点确认，叶片型号与技术参数获得等等，尽可能地仔细判断涉及到安装空间和设备技术参数，为后续方案设计提供基础数据。

b.确定叶片空间结构与材料特性。掌握叶片空间结构，结合叶片材料特性进行叶片气热法加热的可行性判定，运用模拟传热和传热试验进行叶片传热理论分析，为改造方案设计奠定基础。

c.风力发电机组叶片内加热系统布局。针对改造叶片，进入叶片内进行空间勘测，确定可进入的叶片位置，确保导风管和叶片挡风板施工安装可行；确定导风管长度以及鼓风机和加热器安装固定方式，选择耐热导风管，依据叶片内安装位置截面空间形状，设计挡风板并确定导热管穿孔。

d.滑环装置选择。机组滑环装置对风力发电机机组叶片传热系统改造至关重要，涉及到加热动力电源和控制系统通信。根据现场安装滑环技术参数及环道应用情况，结合加热系统功率和通信需求，确定滑环装置的继续使用或定制更换选择。

e.加热系统设备定制与安装。根据风机叶片加热效率和功率选择，定制鼓风机、加热器和叶根控制柜，鼓风机功率选择要确保叶片内实现热空气强制循环，加热器采取无级调功策略，确保叶片加热方式的灵活选择；加热系统定制设备尺寸，要确保能从塔筒底部运送到叶根部位，特别在风力发电机组轮毂的进入口以及叶片人孔位置，空间相对狭窄，设计时要谨慎考虑到这个安装通道在运送设备时的咽喉制约。

f.加热系统通信与运行管理。风电场风电机组运行控制与监视管理通常在110 kV升压站监控中心SCADA系统上远程实现。为了不影响风电机组原有SCADA控制与管理系统正常运行，叶片加热防除冰系统要采取独立的数据通信与管理系统，独立运行，实现叶片加热系统的监控数据采集、显示、管理与存储。

5 结束语

采用模块化思路，结合工程经验分析并总结了风电机组叶片内加热系统构成与设计、防除冰系统电源选择与设计以及结冰监测与控制系统设计的主要内容、技术要点与关键事项。

叶片内加热系统设计是风电机组气热法防除冰系统构建的核心环节，决定系统电源选择和滑环装置方案，从当前某主流2 MW现场运营机型角度初步设计了叶片加热系统、确定供电电源和滑环装置选择。

结合风电机组叶片气热法防除冰系统改造工程案例，分析了机组叶片系统加热设备设计和安装布局，提出了现场改造六项关键问题探讨及改造工程经验借鉴，对风电机组气热法防除冰系统现场改造及工程推广应用具有现实作用和工程意义。