【远景风向标|】叶片上的冰-北极星风力发电网

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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。

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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