【《高原风力发电机除冰系统设计研究》9700字】

V高原风力发电机除冰系统设计研究摘要本文针对传统高原高寒地区电场风电机组冬季叶片结冰现象进行分析，分析了当前各种风力发电机叶片除冰方法的优缺点，深入探讨了机组叶片气热法防除冰技术工程应用的系统设计，重点围绕单支叶片加热系统设计、供电电源选择以及结冰监测与控制系统架构展开，再结合工程实现对叶片气热法防除冰系统现场改造的几个重点问题进行论述，为推进风电机组叶片气热法防除冰系统现场工程改造提供一些借鉴。关键词：高原风力发电机；气热法除冰技术；系统设计目录TOC\o"1-2"\h\u30321高原风力发电机除冰系统的优化 I2769Optimizationofwindturbinedesignonplateau II3306引言 1205171风力发电机叶片表面结冰原因和危害 1215812当前所运用的叶片除冰技术优缺点 279322.1机械除冰方案 2141862.2被动除冰方案 3191662.3主动除冰方案 3265553采用气热法除冰的优势 48054风力发电机气热法防除冰系统的设计 4132674.1单只叶片加热系统设计 4200224.2加热系统的电源选择与电源设计 667094.3结冰监测系统与防除冰控制系统设计 7172645热量传递分析 9174155.1气热法除冰的热平衡分析 1086055.2气热除冰法对流换热计算 10118355.3气热法除冰的导热传热计算 1135656风机叶片气热法防除冰系统的工程实现 13156537结语 1526560参考文献 16引言当今世界，各国都重视可持续能源的开发与利用，清洁能源也成为能源利用方面的首选。在这样的大环境下，风能的开发与利用得到了前所未有的发展。而对于目前的各个风场来说，提升风力发电机组的年发电量时各风电场的业主们进行生产管理和技术改进的主要目标。然而对于地处高原潮湿凝冻环境下营运的风场，在冬季低温寒冷的积冰期普遍存在风机叶片在结冰状态下积冰运行的情况，在很大程度上影响了各风电场业主的效益以及安全生产。所以，当下预防和解决风力发电机组叶片在冬季结冰期的结冰问题已经成为各个风电场业主所关心的最主要的问题，攻克风电机组在冬季结冰期叶片防除冰技术，势在必行，是提升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，发展了多种叶片防除冰技术。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。【3-6】然而这些叶片除冰方法都有其自身的工程应用局限性，例如存在现场施工比较困难、除冰效率较低、现场对于风力发电机结构改造不可行和改造投资费用较高等情况，并不能得到有效的推广及应用。近年来，针对各高原风电场风机叶片结冰问题不能有效解决的问题，采用叶片气热法为风电机组叶片防除冰的技术越来越引起重视。与其他的防冰除冰技术相比较，叶片气热法在现场改造简单、维护方便、除冰效率高、设计与运行灵活。与其他方法相比，能够更好的适用于高原风场。本文针对高原风电场当前营运的主流风力发电机组叶片防除冰方法进行研究，分析了多种叶片除冰方法优缺点，重点对于气热法防除冰系统开展设计，对气热法除冰的关键问题进行研究，为推进该方法在工程技术上的普遍推广和广泛使用提供技术借鉴。【7-8】1风力发电机叶片表面结冰原因和危害由于风力发电机所运行的风场环境通常是在高原或边疆地区，这些地区，冬季气温较低，气候寒冷，并且湿度相对较大。在这种高湿度，低温环境中，空气中会有大量的处于过冷状态的小水滴，这些水滴处于亚稳定状态。由于风力发电机高度很高，所以当叶片在工作旋转时，这些处于过冷状态的小水滴，在与风力发电机叶片碰撞的过程中，在小水滴内部会形成自发长大的冰核，同时，水滴的过冷状态结束，温度会回到0℃附近，并且，水滴迅速开始冻结，在叶片表面会转变为处于稳定状态的冰。现在大多数的风力发电机叶片的主要材料都是环氧玻璃钢或者不饱和聚酯玻璃钢。为了减少外部环境对于叶片的侵蚀，在叶片表面都会采用聚氨酯涂料作为叶片的外表面涂层。而冰是极少数的能够附着在聚合物上的物质，因此，在风力发电机所处的高湿度，低温地区，叶片在运行或静止过程中，结冰现象不可避免。风力发电机的叶片一旦结冰，首先，叶片表面严重的覆冰会使发电机停止工作，直接降低发电机的发电量，造成大量的能量损失。第二，叶片表面冰层过厚，在空气动力学角度来说，会使叶片的受风能力下降。第三，叶片表面的冰层会增加叶片的载荷，并且，由于结冰的厚度会不一样，会导致整个叶片的受力不均匀，如果冰层过厚，会有叶片断裂的风险。第四，在风力发电机运行时，可能会出现温度升高，而导致冰层在叶片上的附着力下降，会导致冰块脱落，同时在离心力以及重力作用下，破碎的冰块会被抛出很远，对于在机组周围工作人员以及其他设备会造成伤害。[9]因此研究风力发电机叶片冬季防冰除冰的方法是非常有必要的。2当前所运用的叶片除冰技术优缺点2.1机械除冰方案一、人工手动除冰人工手动除冰是最为原始且最为直接的方法。在整机停机的情况下，工作人员借助操作平台上升到叶片的对应高度，用工具将叶片表面的覆冰击碎。人工手动除冰方法适用于特殊的结冰情况，如叶片表面冰层厚度极大，其他方法难以去除的情况。但是，人工手动除冰的缺点也十分明显，在高湿、低温地区操作难度会增大，并且由于要上升到距地面很高的位置，也会存在很大的安全隐患。2.2被动除冰方案一、叶片表面喷涂黑色吸热涂料在叶片表面涂装黑色的涂料是一种十分简单的预防除冰方式，但是也可以应用在目前已经投入使用的风机叶片上，成本也相对较低。其缺点在于黑色的涂料，与风机整体的灰白色表面相违背；并且，这种除冰方法，其效果过于依赖叶片表面结冰使得光照条件；而且，黑色涂料在夏季不结冰情况下，会吸收太多来自于太阳的热量，导致叶片表面温度过高，回事叶片表面材料性能受到影响，其维护周期要比普通灰白色涂料周期要短，增加了后期维护保养的成本。疏水涂料疏水涂料与黑色吸热涂料相差不多，也是同样可以应用于已经投入使用的风机叶片上，并且也不需要在塔筒或叶根处引入其他复杂部件，成本也是很低。但是目前疏水涂料的性能测试结果不理想，涂料的疏水性以及防冰能力还有待考察，即使已经使用了疏水涂料，但涂装表面也需要定期维护保养，无形中增加了后期维护人员的工作量以及维护成本。化学药剂除冰对于结冰情况严重的风机叶片，也可以采用化学除冰药剂来进行除冰，使用化学药剂，融冰速度极快，融冰效率极高，可以在短时间内快速大量除冰。[11]但是如果使用化学药剂除冰，其腐蚀性，会导致叶片表面也会受到化学药剂的侵蚀，是整个叶片表面的油漆系统受到破坏，对于内部的玻璃钢材料失去保护，使叶片受损，需要经常的去维护叶片表面油漆系统，而且，维护周期很短，大大增加了维护成本。2.3主动除冰方案一、外部电加热法外部电加热法，是采用在风力发电机叶片外部贴上导热的电器件。[10]在叶片结冰时，通过电加热的方式，来实现除冰。它的优点是可以在叶片的任意位置放置，不占用内部空间。缺点就是会消耗更多的能量，而且，电器件外露的放置方法，在夏季容易引雷，叶片安全会受到威胁。内部电加热法内部电加热法是要在叶片内部，贴上导热的电器件，如电热丝等能够发热的电器件，在通电加热后，使叶片内表面的温度升高，利用热平衡原理，将热量从叶片内部传达到叶片外部，从而达到除冰的目的。与外部电加热相比，内部电加热不必考虑防雷问题，但是，由于其实在内部加热，叶片外部获取热量的方式不够直接，所以，所需要的能耗会更高，并且，还要引入新的温度测量控制系统，会使叶片内部线路复杂化。3采用气热法除冰的优势Enercon是首位提出利用气热法来为风力发电机叶片进行除冰的。其主要工作方式为在单支叶片的根部，加入鼓风机以及导热管，同时对于叶片内部进行改造，在叶片内部加入剪切腹板，是叶片内部变成两个互通的空间，在鼓风机的强加热条件下，热气沿着前缘通道一直向前，到达叶片前端，在经由后缘通道到回到叶片根部，继续进行加热，形成强制加热的循环的热空气在叶片内流动。利用这种加热方式，叶片内部最高可以达到72℃，经过热传导，达到叶片外部的温度，能够在短时间内快速融冰、除冰。利用气热法的最大优势就是，他的融冰、除冰效率较高，速度较快，同时所需要的加热功率以及能源消耗要小于电加热，纯电加热对于加热系统也是一种不小的考验。并且，气热法加热的安全性相比于电加热也是很高的。不用考虑在叶片外部会有雷击的情况发生。对于后期的维护，气热法也相对简单，只需进入塔筒内部，进行日常的线路阿努齐安检查即可。由于现在风力发电机内部都有电梯，所以减少了爬梯进入他同顶端的难度，使维护人员的安全得到极大保障。4风力发电机气热法防除冰系统的设计4.1单只叶片加热系统设计风力发电机的叶片结构组大多数采用水平轴三叶片设计，每支叶片的气热法防除冰方法与设计完全相同，现就单支叶片的气热法工作原理和设计进行阐述。风机叶片内腔由剪切腹板将叶片分隔为前缘通道（叶片前缘侧）和后缘通道（叶片后缘侧）两部分，两通道在叶尖部位互相连通，在叶根处入孔板密封后在叶片内部形成一个封闭的内循环通道，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的主要设备有包括鼓风机、加热器、导风管和挡风板，在轮毂处经由加热控制系统控制实现叶片的加热。通常来说，叶片前缘的结冰情况要更为严重，因此，在叶片的前缘通道内靠近叶根的位置，安装适当功率的鼓风机和大功率的加热器,加热器的出口可以采用半径200mm的耐热导风管沿着叶尖方向进行安装，约距离叶片根部10m位置处，因空间狭窄难以继续向前施工。在导风管的出口处必须设计耐热挡风板，起到固定导热管的作用，并且将出口方向的热空气和叶根方向的冷空气隔绝开来，在保证热空气持续对叶片进行加热的同时，叶片本体内的热空气在鼓风机的作用下沿着自前缘通道到后缘通道的方向在叶片内循环流动。加热器导风管的产出温度约60-80℃的热空气，在叶片前缘通道内进行循环传导和热交换的过程，使叶片壳层材料本体持续加热，进而叶片壳层外面温度升高的目的。同时，因为热空气在叶片的前缘通道和后缘通道之间的往复循环，叶片的叶尖部位、后缘通道和叶根部位的叶片材料也会在这个过程中被持续加热，提升叶片外表面温度。因此，只要在叶片内部的空气被持续加热，叶片的外表面温度将会达到0℃以上，这样就可以达到在冬季为叶片表面除冰的目的。为了使叶片加热系统的工作更可靠并且保护叶片，加热器需要采用无级调功控制的策略，可以以加热器出口的温度为控制变量，叶片防除冰工作系统可以有两种工作模式，防冰模式和除冰模式。1.防冰模式。为了实现叶片表面在临近结冰的情况下防结冰模式开启，保证叶片表面不结冰，根据外部传感器感知环境结冰气象条件的程度可以选择加热器调整功率，控制其产出温度在7０℃。2.除冰模式。为在保证安全的情况下，并且实现风机叶片表面的除冰融冰工作，通常在风机关机状态下进行，根据外部传感器所反馈的叶片表面结冰程度可选择加热器调整功率，控制其传出温度在9０℃。4.2加热系统的电源选择与电源设计风力发电机组通常会在风机整机底塔筒底部配置有800KVA\690V\400KV的干式变压器，为整个风力发电机组提供400Ｖ的工作电源，但是在满足风电机组自身400V工作负荷之外，会导致叶片加热系统的加热器功率不足，叶片防除冰加热系统的加热电源受到限制，无法正常工作。同时，风力发电机组叶片系统动力电源和控制信号将通过滑环装置获取。德国SC168滑环装置如图2所示，配置４动力环和28信号环作为叶片的变桨控制电源和信号传输通道。在风力发电机组设计制造时，制造商通常只会考虑到叶片变桨系统控制所需的动力环以及信号航空插头的配置，包括动力环的负荷载流量(80A)和信号通道数量(16)，未曾考虑到作为叶片加热防除冰系统所用的备用配置。图2风力发电机组滑环装置SC168针对干式变压器的容量限制以及滑环的动力插头与信号航空插头限制，同时结合叶片防除冰系统大所需功率加热器的功率和信号控制系统需求，需要从底塔筒底部干式变压器高压侧(690V)引入单独的动力电源供给叶片防除冰系统工作使用，防除冰系统所需的大功率加热器和鼓风机的工作电压应选择690V电压等级。更换并定制风力发电机组滑环，应新增4通道690V动力环以及配置相应的动力环航空插口和信号环航空插头，滑环动力通道以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示意叶片加热系统以并联的连接方式从滑环输出端接入690V工作电压。这种接线方式，增加了风机叶片加热除防冰系统工作选择的灵活性，可以同时为三片叶片进行加热除冰，也可以针对某一支叶片或某两支叶片进行加热除冰，风机叶片加热除冰系统工作灵活性大大提高，并且也持续加热时间的选择也会更加方便。4.3结冰监测系统与防除冰控制系统设计风力发电机组叶片气热法防除冰系统中的结冰监测与运行控制系统主要由四个部分组成，其中包括结冰监测系统、结冰数据的分析与处理、电气控制以及加热器单元,结冰监测系统总体框图如图4所示。图4风力发电机结冰检测系统总体框图结冰监测单元：采用双光纤结冰监测传感器，安装在风力发电机组机舱的顶部，全天候监测风力发电机组叶片结冰状态。如监测结冰的类型、结冰的厚度以及结冰速度等主要技术参数。数据分析与处理单元：利用结结冰检测传感器所获取的结冰技术参数，结合风机叶片电子模型，分析数据，估算叶片表面的结冰分布以及整体结冰量，同时与线程实际情况进行结合，然后进行叶片传热效率分析来制定或修正加热器控制策略。电气控制单元：采用PLC控制器，按照加热器的控制策略，结合结冰监测单元所反馈的叶片温度，实施叶片加热系统的运行和管理，上传结冰状态的监测量和下达加热单元的加热执行指令。加热单元：在接受到PLC执行指令后，启动并运行叶片内的鼓风机以及加热器，产生循环的热空气来加热叶片内部壳层，通过热量传导，进而升高叶片表面温度，来实现叶片表面防冰除冰的目的。图5风机机舱顶部结冰传感器采用PLC逻辑控制器控制，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导致叶片结冰的信号后，会将结冰信号传入到加热柜，然后和叶片内的温度传感器所获得的温度数据与所设定的除冰温度进行对比，再经过输入／输出口进行逻辑分析，由PLC逻辑控制器来判断并决定采用哪一种相应的模式。叶片加热系统运行的两种模式选择如下：1.防冰模式。当外界环境温度＜-2℃、湿度＞85%时，系统将会开启防冰模式，加热控制策略应该根据现场的实际情况与所得到的结冰状态相结合，然后进行相应调整，进而实现在线防冰。2.除冰模式。在接受到结冰监测单元所传达的明确的结冰信号以后，启动加热单元加热器，开启除冰模式，加热控制策略应该根据外部环境条件，现场结冰速度，以及结冰的厚度进行相应调整，计算加热控制策略计算除冰所需参数，根绝所得数据来启动加热系统，进而实现在线除冰。5热量传递分析热量的传递十分普遍，只要两物体之间存在温度差，并且，没有隔热介质的存在，那么热量自然而然会从温度高的物体向温度低的物体进行传递，直到两物体温度相同，热传导过程结束。在同一物体中，也会出现热量传递的现象。当物体某一部分温度高于其他部分时，热量会由温度高的地方向温度低的地方传递，在物体内部达到热平衡。热能的传递方式有三种：热传导、热对流以及热辐射。由于是使用气热法为风力发电机叶片除冰，所以其热能传递方式为热对流与热辐射。由于是使热空气在叶片内部强行循环，对流换热大于辐射换热，所以在计算时不考虑辐射换热。计算思路：通过计算得到对流换热量，通过热平衡方程和的计算可以推导出导热换热量，然后根据傅里叶定律可以计算出不同加热温度下，叶片表面的温度，最后再通过集中参数法计算出除冰所用的时间。

5.1气热法除冰的热平衡分析根据热力学第一定律，在利用气热法除冰的工作系统中，空气加热器所输出的热量与能够得到有效利用的热量以及各项损失的热量之和是相互平衡的。气热法除冰系统的热平衡方程为：Φ=ΦΦ：空气加热器输出的热量；Φ1Φ2Φ3空气加热器所输出的热量，可以用通过在鼓风机出口安装的测温探头检测获得。损失的热量是流向塔筒内部的热量，可以在根据叶根处的直径测得。所以导热换热量为：Φ2=5.2气热除冰法对流换热计算气热法除冰系统中的对流换热主要是鼓风机所排出的热空气与叶片内壁所进行对流换热。在计算时，要将其对流换热问题假设为稳定状态下的强制对流换热问题。计算前，根据叶片内壁的而表面温度，查出定性温度及平均温度的物理性质，进而去求得该温度状态下的雷诺数，确定为湍流状态后，继续根据努谢尔数计算得到对流换热的换热系数，最终求得对流换热量。具体计算过程如下：tf=ttft1t2根据定性温度可以查得定性温度的各项系数：λfW/m·k；vfm2/s；首先判别Re是否大于104，如果雷诺数大于Reu：热空气流速；m/s；l：叶片内比长度；m；Nh=h：叶片腔内对流换热系数，W/(所以，叶片内的对流换热的总热量为：Φ1A1叶片内腔面积；m5.3气热法除冰的导热传热计算气热法除冰系统中的导热可以简化为一维的稳态导热，其中的导热传热过程包括叶片内腔到叶片外壁的导热。运用到的基础公式为傅里叶定律：q=−λ(∂t∂xλ：导热系数；∂t∂x：物体延x方向的温度梯度公式推导后可得：Φ2=−λA(风力发电机组的叶片是有三层导热系数不同的材质组成，需要进行多层平壁导热计算，其热量传递的关系如图6所示：图6多层平壁导热示意图图6中各层热阻表达式如下：tttδ1λ1利用串联热阻叠加原则，可得到三层壁厚的总热阻为：t1继续计算得到热流密度计算公式：q=以此类推，多层壁厚计算公式为：q=导热换热量为：Φ2所以，经过传到后叶片外表面温度为：tn+16风机叶片气热法防除冰系统的工程实现对于用气热法为风力发电机组叶片除冰的整个系统来说，在现场改造，项目的施工工作量较大，施工的难度相对较高，受到很多因素影响，需要有丰富的经验，细致的技术以及精准的测量结果，真正做到事无巨细，才能保证风力发电机组气热除冰法的系统改造、精准监测和顺利运行。叶片气热法除冰现场改造示意如图6所示。图6叶片加热系统结构示意一个完整的风力发电机组叶片气热法防除冰系统包括一台风机三只叶片同时或分别加热，每一单支叶片内部的结构与设备选择均完全相同，三支叶片可采用独立的加热控制柜进行单独监测控制，也可以采用在叶根处安装一个总控制柜，来同时控制管理三支叶片内部的加热控制系统。在选择控制柜的安放位置时，单只叶片内独立控制柜需要布置在每支叶片内部，而三支叶片共用叶根控制柜则需要布置在机舱轮毂的合适位置处。需要特别注意的是，整个加热系统在叶片中的安放位置要均衡并且安装稳固，不能够给风力发电机组的叶片带来因不平衡运转而产生的不必要载荷，不能够因安放位置错误或失衡而产生振动和噪声，导致影响整个风力发电机组的使用寿命以及发生因负荷过大而导致的机械安全事故。风力发电机组叶片气热法除冰系统的现场改造主要会涉及到以下几个关键问题：1.风力发电机组现场的精密勘测。确定底塔筒变压器容量以及合理的电压选择，判断设备在安装时从塔底到叶片根部的空间是否合理，确定滑环的技术参数以及风力发电机组大轴的穿孔尺寸，确定电缆铺设和电气控制柜的安放地点，获得所选用的叶片型号以及其他技术参数等等，要尽最大努力仔细判断好所有涉及到安装空间以及设备技术参数等问题，一边可以为后续的设计方案提供完备的基础数据。2.叶片的内部空间结构与材料特性。掌握叶片内部的空间结构，便于考虑控制柜的安装，结合叶片的材料特性来判断运用气热法除冰的可行性，运用模拟传热试验分析叶片也加热传热理论,为以后的改进方案设计打好基础。3.风力发电机组叶片内加热系统总体布局。针对性的改造叶片，进入叶片内部进行空间勘测，确定可进入的叶片位置，保证导风管，鼓风机以及叶片挡风板可以顺利安装；确定号导风管的长度鼓风机和加热器的型号，不可因尺寸过大而无法安装，并且要确定好设备的固定方式，避免安全事故的发生。要选择耐热导风管，根据在叶片内安装位置截面的空间形状，设计挡风板安装位置并确定导热管穿孔位置。4.对于滑环装置的选择。机组滑环装置会涉及到加热的动力电源以及控制整个监测系统通信，对于风力发电机组叶片气热法除冰系统改造十分重要。根据现场安装滑环技术参数以及滑环环道的使用情况，结合气热法除冰系统所需的功率需求以及通信需求，确定是否需要定制更换滑环或继续使用原有滑环。5.定制与安装加热系统。根据风力发电机组叶片除冰所需的加热效率和所需鼓风机及加热器功率选择或定制专用的鼓风机，加热器以及叶根总控制柜，所选用的鼓风机要能够确保在叶片内热空气可以强制循环，所选用的加热器需要采取无级调功的策略,确保可以灵活选择叶片的加热方式；加热系统的设备尺寸需要定制,要确保其尺寸可以从底塔筒一直运输到叶根安装控制器部位，特别要考虑风力发电机组轮毂的进入口以及叶片的入孔位置,空间相对狭窄，设备选择与设计时一定要考虑到该部位的尺寸，避免在安装过程中因空间问题而影响施工安装。6.加热系统的通信与运行管理。风力发电场内的风力发电机组的运行控制与监视管理通常是在在110KV升压站监控中心的SCADA系统上远程实现的。为了不影响原有SCADA控制与管理系统对风力发电机组的监视管理,叶片气热法防除冰系统需要独立运行，使用自己的数据通信与管理系统，独立地实现气热法叶片除冰系统的监控数据采集、数据管理与数据存储。7结语本文从风力发电机组叶片冬季易结冰现象出发，分析了叶片结冰的原因与叶片结冰