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还记得今年的“大寒”吗?
那几天,中国东北、华北地区的温度都刷新了入冬以来的新低,整个中东部地区自北向南也进入“速冻”模式,叶片结冰导致停机,发电量损失巨大。现在我们认识这个问题,很有意义。
为什么风机叶片会结冰
当环境中湿度较大并且温度低于0度时,风机叶片就有可能会出现结冰的现象。在环境湿度一定的情况下,如果风机继续运行,叶尖相对速度大,相应的叶片表面换热系数就大,并且过冷水滴以及湿雪在叶片表面的堆积速率增加,从而导致叶片运行过程中,更容易加剧结冰。
叶片上的结冰可谓五花八门,影响风机运行的结冰类型主要有云中覆冰和降水覆冰,其中云中覆冰是指过冷水滴高速拍打在结构表面而冻结,又分为明冰和霜冰;降水覆冰主要指融雪在低温下重新冻结。明冰形成的过程较慢,因此相对密实,成透明色,附着力大。由于其冰型不规律,对叶片气动影响严重且附着力大,不易脱落;而霜冰形成较快,冰粒之间充满空气,因此成乳白色,其形状较光滑,对气动影响过程缓慢且附着力小,较易脱落。融雪在低温下重新冻结后,附着力介于明冰与霜冰之间,对气动的影响也介于两者之间。
值得注意的是,风机结冰对发电量、叶片以及整机都存在较大负面影响和危害,所以确保机组运行安全是结冰期运行的最高考量要素,以规避风险并尽量降低经济损失。比如,某风场风机由于叶片结冰后持续运行,最终导致叶片超载断裂、机组倒塌的事故(见图1)。
图1:风机由于结冰导致叶片断裂、机组倒塌
叶片上结冰的危害有多大
通常来看,叶片结冰会最先发生在翼型敏感的前缘部位,这会明显降低叶片升力系数,增加叶片阻力系数,导致发电量降低,图2描述了叶片覆冰后的功率曲线异常波动情形。更严重的是,进一步的覆冰会导致翼型失速攻角提前,叶片进入失速区域,气动特性发生剧烈波动,从而引起风机叶片颤振,甚至引起整机的共振。如图3所示,叶片严重覆冰后,其上翼型的失速攻角提前至7.5°。当该截面攻角大于失速攻角时,该截面升力系数急剧下降,会引起叶片额外的载荷波动以及结构振动,损害叶片的疲劳寿命。
同时,覆冰所带来的冰块附加重量,以及升阻系数的巨大变化,会使得整机的静载和动载明显增加,极有可能最终引发极限超载,导致叶片断裂甚至机组倾覆的灾难后果。而在化冰期间,随着环境温度上升引起覆冰的融化,伴随叶片的高速运行,叶片表面冰块甩出可能会造成严重的安全事故,造成周边居民的财产损失和人员伤害。这风机叶片上结冰的危害之大真是令人惊心!
图2:覆冰后的功率曲线异常波动
图3:翼型结冰前后升力系数
拿什么措施应对叶片结冰
值得一提的是,在如何应对叶片结冰的问题上,除了无法控制环境温度和降雨降雪外,人们想到了各种方法,比如采用加热叶片来防冰冻,问题是无论是通热气还是电热丝加热,都会带来成本、自耗电和后期维护等诸多问题;再如一些厂家在积极研发防冰涂料,但这种涂料只能减缓叶片覆冰,而且非常容易脱落失效,1至2年后便需要重新涂覆;还有一些被动除冰的方法大多是治标不治本,就不再赘述了。
那么,怎么办?只能看着叶片结冰无药可救吗?从远景的实际经验和实践来看,叶片严重结冰时应当即停机,这既能防止由于风机带冰运行带来的危害,又可避免叶片继续快速转动带来更严重的覆冰。这样看似损失了一些发电量,但却避免了任由覆冰叶片继续转动可能带来的巨大危害。
其实在结冰的初期,叶片前缘覆冰不严重的情况下,风机仍然可以继续发电,但是这时由于叶片的气动外形改变了,原先固有的控制参数难以使风机达到覆冰状态下的最优发电效率。这时可以通过控制手段让风机自适应到最佳的控制参数(桨角和转速设置值),提高发电量,例如图4所示,通过远景智能控制技术自适应调整,即使在叶片覆冰条件下,相比原控制参数,更加精准的找到了最优叶尖速比,可以挽回发电量30%以上。
图4:叶片覆冰后发电量降低,通过算法改善后发电量回复
这样的控制方法能否安全有效,很大程度上取决于是否能准确判断叶片结冰状态和程度。目前市场上已有的结冰检测技术,要么是通过间接手段判断叶片是否覆冰(如图5所示叶片结冰传感器),要么是通过振动模态频率漂移来判断,但这些技术的准确性均存在问题,尤其这些传感器无法针对风机的气动特性做出判断和优化控制。
而远景的智能感知技术通过融合风机转速、桨角、功率和振动等各方面信息,再结合风机叶片气动预测模型,可综合判断叶片覆冰的状态(如图6所示),能在30分钟之内判断叶片是否结冰,并根据覆冰程度来启动智能调整策略,优化覆冰叶片的发电性能。值得说明的是,当智能感知技术发现叶片覆冰程度已经影响到风机的安全了,就会主动停机来保障风机的安全。这样,既能最大程度地挽回发电量,又保证了风机的安全运行。
图5:LabkoTek结冰传感器
图6:叶片结冰快速检测示意图
到此,基本的结论是,针对叶片结冰问题,需要详细考虑成本和收益的关系,不能盲目地要求增加叶片抗冻性投入,而要理性思考,算算经济账。所以,智能控制手段就成为解决叶片结冰问题的有效方案。
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