风电叶片气热抗冰技术工程应用——杨文涛/副总工程师

中车株洲时代新材料科技股份有限公司 杨文涛/副总工程师 

　　谢谢大家！谢谢主办方给我这个机会。我汇报的内容主要分为四个部分：第一是技术背景，第二是系统原理说明，第三是现有工作基础，第四是推广应用及经济、效益。

　　我们首先讲一下技术背景，针对“三北”地区大型风电场因风电消纳和外送能力不足、出现大规模弃风现象，为促进低风速地区风资源开发，因地制宜建设中小型风电场，采用低风速机型，就近上网、本地消纳，已成为我国风电产业发展的新趋势。湖南、江西、云南、贵州、重庆、安徽等中西部地区的低风速风场，通常在冬季风况条件最好、风速最大，是一年中发电的黄金时期，但是这些地区在冬季阴冷潮湿，容易出现冰冻、雾凇等恶劣天气，使风电叶片出现严重结冰覆冰现象，轻则影响风力发电效率，重则迫使风机停机而无法发电，甚至有可能造成风机超负荷运行出现损坏事故。因此，针对我国方兴未艾的中西部低速风区，研制开发抗冰冻低风速大型风电叶片，具有非常迫切而重要的意义。

　　分析结冰造成叶片气动外形改变对风机发电量的影响，气动外形改变导致风能捕获能力急剧下降，导致载荷增加，振动加剧。脱落冰块被甩出的距离可达1.5倍叶尖高度。可导致30%到60%的风速测量误差。

　　德国Enercon公司于2012年开发了气热抗冰系统应用于2.0MW机型E-82上，用于7.5MW机型E-126的产品尚在开发中；丹麦Vestas的气热抗冰技术于2013年获得首个来自奥地利的3.3MW机型V-112上。 国电联合动力于2013年11月首套气热抗冰型叶片下线；东方电机与中车时代新材联合开发叶片混合抗冰系统，于2015年8月在瑞典完成31台2.5MW电加热与气加热相结合抗冰型风机安装。气热抗冰技术是目前重点推广的第二代技术，开展此项目综合了现有的技术基础和人力资源，并充分评估了国内外研究现状，从技术的抗冰效果、研制成本、维护成本、技术成熟度和市场推广的可操作性方面优先开发气热抗冰技术。

　　局部前缘加热膜、整体电加热、热空气传导、涂层应用，在运行期风机首先判断环境温度是否低于2度；然后根据当时的平均功率和变桨角与正常范围对比，必须排除风速仪结冰的因素，再判断叶片是否结冰。自主开发的人机界面可以实时监控鼓风机、加热器的运行参数和叶片温度的变化情况，并做出相应控制。气加热控制系统可实现手动和自动控制模式，两种控制模式下又分为强力除冰模式和普通除冰模式。对于评估期的样机，推荐使用我们经过实践证明有效的无线通信设备，减少对电力滑环的改造难度。

　　机位的主控系统PLC接受SCADA系统的远程控制指令实现气热抗冰系统的电力供应，气热系统（HAS）自身的PLC通过对鼓风机和加热器的运行参数和叶片本体温度变化自动控制叶片腔内部件的启停，并具备故障报警和紧急制动功能。这个是示意图，里面是一个气体流向图，气热抗冰系统（HAS）可根据不同风场环境结冰条件重点加热叶片前缘或后缘部分，由于气体加热自身具备保温延时效应，可以兼顾如叶根等非重点区域的抗冰效果。这个是系统原理说明热气流加热可以有效加热叶片结冰的重点区域(靠近叶尖部位)，兼顾后缘和叶根段。

　　1.适用于典型40米~60米级叶片，可实现国内-10℃~ 5℃结冰环境下防冰/除冰，同时具备-40℃超低温启动功能。

　　2.鼓风机功率2.5kW, 流量4000m3/h，加热器功率20kW，输风管道长20m；

　　3.叶片内鼓风加热系统实现模块化设计，最大模块物理尺寸600mm×400mm×300mm，可实现风场登机功能升级；

　　4.三支叶片加热系统同时接收外部启动信号与停止信号，由PLC系统控制实现过热保护、过载保护等故障监测；

　　5.可提供与主控兼容的人机界面和防干扰能力的无线信号通讯；

　　我们再介绍一下，前面的这么多引言，现在介绍一下中车新才做了什么工作，在二维仿真模型计算结果表明，对于50米长的叶片，20kw气加热功率在外界温度环境处于-15度~-20度间除冰时，工程应用效果不理想，与试验结果一致。超过零下15度不推荐使用气加热。左图是地面气加热1小时后的热成像效果图；右图为试验过程中叶尖段传感器的温升曲线。基本表明，20kw的加热功率是具备工程应用价值，再加大功率会受到叶片本体材料导热性能限制，但对于严重结冰环境时，需要储备40kw的加热能力。比如这个项目设置40千瓦，但是对国内是推荐20千瓦。这个图是证实实验效果，把整支叶片扔到冰库里面，在全尺寸冷库试验中，目前还有不完善的方面，但是已经开展起来了，在120min钟内叶片表面的冰可以自行融化掉落，在实际风机运行中，由于风机振动影响，效果会更好。

　　刚才提到气加热的技术安全，可维护性。这是在国内装机了一台，目前运行了两年，在两年里面得到了一个结论连接可靠性是值得我们信赖的。我们有一支专业化调试队伍，我们也已经有了企业标准。右边的图是三支叶片一起，这个是我们客户反馈回来瑞典效果的证明，以及这款叶片出口也起到了认证，我们的东西可靠，技术专利也是通过审查的。我们的技术主要是针对在南方。

　　最后是我们的总结部分，气热抗冰技术经过充分地分析计算、试验、样机考核及北欧风场批量应用，可以得到进一步推广应用；与北欧等地相比，中国南部冰冻地区的最低温度较高，冰冻电量损失可观但不太大，抗冰冻技术方案设计应有充分的针对性；通过气热抗冰硬件的模块化设计，7天可实现风场叶片抗冰功能升级。

　　谢谢大家的聆听！