在寒冷季節(jié)，許多處于高濕地區(qū)的風力發(fā)電機組通常會出現(xiàn)葉片覆冰現(xiàn)象。導致葉片性能及風電機組功率輸出無法達到設(shè)計要求，甚至出現(xiàn)停機和其它安全事故，風機葉片的覆冰問題已經(jīng)成為影響風機安全的重要隱患之一^[1～5]。國內(nèi)可再生能源持續(xù)大力開發(fā)和轉(zhuǎn)化利用的能源發(fā)展戰(zhàn)略驅(qū)動下，風力資源的開發(fā)利用得到了前所未有的發(fā)展機遇，因此，提升風力發(fā)電機組年發(fā)電量是風電企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營盒安全管理的首要目標^[6]。近年來，國內(nèi)科研者對風機葉片除、防除冰技術(shù)進行了大量的研究實驗，發(fā)展了多種風機葉片除、防冰技術(shù)[7～8]。主要分為被動防冰和主動除、防冰兩種方式。其中，被動防冰指采用各類疏水涂料的葉片涂層防冰法。主動除、防冰指采用葉片振動和超聲除冰的葉片機械除冰法、采用電能直接加熱或熱氣間接加熱的葉片熱力除冰法等等^[9～10]。然而，這些葉片除冰方法都有其自身的缺點和工程應(yīng)用局限性。例如，防冰涂層的耐候性差，易脫落。電熱加熱易引發(fā)雷擊損傷葉片，氣熱除冰增加葉片負載，加速葉片老化等問題。此外，對于技改機型，還存在現(xiàn)場施工困難、施工周期長、某些工況下無法改造及技改投資費用較高的情況，難以有效推廣應(yīng)用。

針對已營運風電場的風電機組葉片防除、防冰工程應(yīng)用需求，采用不改動葉片的噴射除冰法進行風電機組葉片除冰技術(shù)應(yīng)用受到越來越多關(guān)注。與現(xiàn)有的其它除冰技術(shù)相比，噴射除冰法具有在現(xiàn)場易實現(xiàn)改造、易維護、除冰效率較高、施工周期短、不改動葉片等工程技術(shù)優(yōu)勢。本文針對湖北襄陽某風電場已營運的2.0MW風力發(fā)電機組葉片噴射除冰系統(tǒng)開展應(yīng)用研究，同時對其中的關(guān)鍵問題進行探討，為推廣此技術(shù)的工程應(yīng)用提供參鑒。

固定式噴射系統(tǒng)是通過在風機塔筒外壁一定高度處，安裝若干定制噴射頭，對進入噴射范圍的結(jié)冰葉片進行噴淋除冰作業(yè)。通過安裝于塔基處的高壓噴射流站，將融冰劑噴射到葉片表面后，快速融化凝結(jié)于葉片表面的冰雪，從而達到除冰的作業(yè)目的。此外，特殊研發(fā)的葉片專用融冰劑可在一定時間內(nèi)抑制葉片再此結(jié)冰，達到防冰、提高風機發(fā)電量的目的。

1.1 噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

固定式噴射系統(tǒng)主要由結(jié)冰檢測裝置、葉片位置檢測裝置、除冰劑噴射單元、電控單元、遠程集中控制平臺等五部分組成。實現(xiàn)結(jié)冰監(jiān)測、葉片位置實時捕捉、融冰劑自動噴射等功能。噴嘴與高壓管路沿塔筒外表面垂直布置，多路噴嘴并聯(lián)在高壓管路上，并用抱箍固定在塔筒上。管路的一端與儲存有融冰劑的高壓噴射流站相連接。高壓噴射流站置于風電機組塔底層，系統(tǒng)電源取自風電機組塔底控制柜，固定式噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 固定式噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 噴射控制邏輯

除冰系統(tǒng)在機組結(jié)冰停機后啟用，風電機組處于待機狀態(tài)，葉輪自由旋轉(zhuǎn)，通過偏航調(diào)整機艙位置，使機頭調(diào)整至噴嘴所處截面，當葉片位置傳感器檢測到葉片旋轉(zhuǎn)到噴射流覆蓋區(qū)域時，系統(tǒng)自動開啟高壓噴射裝置，當葉片旋轉(zhuǎn)出噴射流覆蓋區(qū)域后，系統(tǒng)自動停止噴射，噴射效果如圖2所示。

圖2 固定式噴射系統(tǒng)噴射效果

除冰作業(yè)流程如下：

A 結(jié)冰監(jiān)測

機組葉片持續(xù)結(jié)冰，達到停機條件后停止運行，開展除冰作業(yè)。

B 旋轉(zhuǎn)機艙

遠程進行偏航，將機頭調(diào)整至噴嘴所處截面，使葉輪旋轉(zhuǎn)平面與噴嘴連線平行。

C 葉片位置監(jiān)測

葉片位置傳感器持續(xù)監(jiān)測葉片位置，以確保噴射在葉片表面的融冰劑落點位置準確，當某一支葉片進入噴嘴可噴射區(qū)域時，達到“切入”條件，此時噴嘴開始持續(xù)噴射，超過此范圍時，停止噴射。噴射時機成熟，系統(tǒng)開始噴射。

D 確定除冰時長

根據(jù)現(xiàn)場結(jié)冰嚴重狀態(tài)，并結(jié)合融冰劑除冰效率，確定系統(tǒng)噴射次數(shù)與時長。從歷年風場結(jié)冰情況進行分析，確定葉片結(jié)冰嚴重程度。結(jié)合系統(tǒng)除冰效率，確定除冰系統(tǒng)單次開啟時長、總噴射次數(shù)。

除冰作業(yè)流程如圖3所示。

 圖3 除冰作業(yè)流程

運載式噴射系統(tǒng)是利用爬壁機器人攜帶定制好的噴頭和高壓管路，從塔筒外壁爬升至除冰作業(yè)高度后，由車載移動式高壓噴射流站將融冰劑通過爬壁機器人攜帶的噴頭，噴射至葉片表面。再由融冰劑快速融化凝結(jié)于葉片表面的冰雪，達到清除葉片表面冰雪的目的。

2.1 爬壁機器人運載平臺

運載式噴射系統(tǒng)主要的攀爬運載平臺為爬壁機器人，爬壁機器人在風電行業(yè)已有較為廣泛的應(yīng)用，早期其主要作為替代人工對塔筒進行清洗和對葉片監(jiān)測作業(yè)[11～14]。其結(jié)構(gòu)組成主要為：驅(qū)動輪、伺服驅(qū)動電機、主載體、控制箱、支架底座、支撐桿和噴嘴等。由于風機塔筒為非平面體，且一定高度處有焊接縫，除冰時的爬升高度、負載及曲面適應(yīng)性都有一定要求外，對風機除冰的爬壁機器人的環(huán)境適應(yīng)性，其性能參數(shù)如表1所示。

表1 爬壁機器人性能參數(shù)

除以上性能參數(shù)要求外，由于風電機組特殊的工況環(huán)境，爬壁機器人還需具備一定的抗干擾無線（有線）遙控技術(shù)，實現(xiàn)多信道通信，抗復雜電磁環(huán)境。磁吸裝置需為永磁體，磁路設(shè)計高效，安全可靠。爬壁機器人如圖4所示。

圖4 風機塔筒爬壁機器人

2.2 移動式高壓噴射流站

移動式高壓噴射流站主要由運載車、安裝于運載車上高壓噴射泵、電控柜和一體化儲水箱等設(shè)備組成。

風電機組葉片專用融冰劑的配制設(shè)計，主要考慮風電場常常處于森林、草原及河流等自然保護區(qū)，融冰劑應(yīng)具有不能對動植物產(chǎn)生傷害，不能對土壤產(chǎn)生鹽堿化，不能腐蝕設(shè)備，可生物降解的環(huán)境友好型特型。在技術(shù)指標下，應(yīng)具有低凝點，高閃點，可與水任意比例混溶，與環(huán)氧或聚氨酯涂層有一定粘附力的的特性。能夠在葉片表面較長時間停留，達到較長時間的防冰效果。其性能參數(shù)如表2所示。

表2 融冰劑性能參數(shù)

融冰劑測試方法參照MHT6111-2015《機場道面除冰防冰劑融冰能力試驗方法》進行。融冰效果評測試驗：在一定時間和溫度條件下，通過測量融化的冰的質(zhì)量來評估融冰劑的融冰能力。抑冰效果評測試驗：在一定時間和溫度條件下，通過測量葉片上的冰的質(zhì)量來評估融冰劑的抑冰能力。

所選參比溶液（50wt%乙酸鉀）、市售車用防凍液和風機葉片專用融冰劑進行測試。測試結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 融冰效果對比圖

圖6 抑冰效果對比圖

從圖中可知，風機葉片專用融冰劑無論在融冰和抑冰效果上都優(yōu)于參比溶液（50wt%乙酸鉀）和市售車用防凍液。

4.1 系統(tǒng)安裝實現(xiàn)

固定式噴射系統(tǒng)應(yīng)用研究選擇位于湖北襄陽某風電場已營運的2.0MW風力發(fā)電機組。噴射除冰系統(tǒng)的安裝工作總耗時約7個工作日，具體安裝工作可分為塔筒外部設(shè)備和塔筒內(nèi)部設(shè)備兩部分區(qū)域的安裝。

4.1.1塔筒外部設(shè)備的安裝包括：風機外側(cè)噴射管路、噴嘴、抱箍等的安裝。安裝效果如圖7所示。

 圖7 固定式噴射系統(tǒng)安裝效果圖

4.1.2塔筒內(nèi)部設(shè)備的安裝包括：葉片位置捕捉傳感器、溫濕度監(jiān)測器、結(jié)冰檢測傳感器和塔基電控柜等。

（1）機艙內(nèi)葉片位置捕捉傳感器的安裝，如圖8所示。

圖8 葉片位置捕捉傳感器

（2）機艙溫濕度監(jiān)測器的安裝，如圖9所示。

圖9 機艙溫濕度監(jiān)測器

（3）塔基除冰系統(tǒng)電控柜，高壓噴射流泵、儲液站的安裝，如圖10所示。

圖10 塔基高壓噴射流站設(shè)備

4.2 系統(tǒng)運行測試

安裝完成后，對系統(tǒng)進行了多次測試，研究發(fā)現(xiàn)：當風向與系統(tǒng)噴射方向夾角≤±30°時，經(jīng)噴射系統(tǒng)噴射出的風電機組專用融冰劑可以完全噴射到風電機組葉片表面上。當風向與系統(tǒng)噴射夾角＞±30℃時，經(jīng)噴射系統(tǒng)噴射出的風電機組專用融冰劑會被風吹的偏離噴射方向，無法完全噴射到葉片上。測試結(jié)果如圖11所示。                     

圖11 固定式噴射系統(tǒng)作業(yè)圖

左圖為風向與噴射風向一致時的實際噴射圖，右圖為風向與噴射方向夾角＞30°的實際噴射效果圖。

4.3 應(yīng)用效果

11月28日，風場環(huán)境氣溫降低到-5℃，風電場全場風機因葉片覆冰而停機開展固定式噴射和運載式噴射除冰作業(yè)兩種模式作業(yè)測試。

（1）固定式噴射除冰作業(yè)：風機停機，偏航至系統(tǒng)噴射主方向，葉片自由旋轉(zhuǎn)。啟動葉片噴射除冰系統(tǒng)，葉片位置捕捉傳感器開始實時捕獲葉片的旋轉(zhuǎn)位，一旦進入噴射范圍，控制系統(tǒng)自動啟動高壓噴射流泵將儲液箱中的融冰劑噴射到葉片表面。當葉片切出噴射范圍后，系統(tǒng)自動停止噴射，以節(jié)約融冰劑。經(jīng)過2～3個噴射周期后，可看到葉片表面覆冰融化、下落。當葉片表面覆冰全部融化后嘗試啟動機組，發(fā)現(xiàn)可正常發(fā)電，表明該系統(tǒng)已完成機組的葉片除冰作業(yè)。

除冰作業(yè)前葉片結(jié)冰如圖12所示：

圖12 除冰作業(yè)前葉片結(jié)冰圖

除冰作業(yè)時，融冰劑噴射到葉片融冰情況，如圖13所示。

圖13 除冰作業(yè)化冰圖

（2）運載式噴射除冰作業(yè)：風機停機，機頭偏航到風向的下風向，爬壁機器人沿著塔筒壁爬升至葉片結(jié)冰對應(yīng)的水平高度。通過車載電控系統(tǒng)啟動高壓噴射流泵，通過爬壁機器人攜帶的高壓管路輸，從特制的噴頭噴射到葉片表面。葉片表面覆冰融化、下落。待覆冰完全融化后，啟動風機，風機恢復發(fā)電，如圖14所示。     

圖14 爬壁機器人除冰作業(yè)

本文通過研究固定式噴射系統(tǒng)和運載式噴射系統(tǒng)在2.0MW風電機組葉片除冰作業(yè)上的工程實際應(yīng)用，得到如下結(jié)論：

（1）固定式噴射除冰系統(tǒng)具有具有現(xiàn)場易改造、施工周期短、不需改動葉片、操作簡單、無安全隱患等優(yōu)點，但是在試驗過程中也發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)的抗風能力較弱，當風向夾角與噴射方向＞30°時，融冰劑較難噴射到葉片上，除冰效果大打折扣，今后還需在抗風能力等方面進行優(yōu)化；

（2）運載式噴射除冰系統(tǒng)相對固定式除冰系統(tǒng)更加靈活，由于爬壁機器人可以在塔筒壁上360°行走，所以不受風向的影響，適應(yīng)性更強，但運載式噴射系統(tǒng)需要技術(shù)人員到達風機機位現(xiàn)場才能作業(yè)，不能像固定式噴射系統(tǒng)那樣進行方便的遠程操控。且當塔筒壁結(jié)冰較厚等特殊情況下，爬壁機器人較難在塔筒壁上行走，可見該系統(tǒng)也具有一定的局限性。

（3）冬季應(yīng)結(jié)冰周期較長，且風機結(jié)冰損傷電量較多的風電場，安裝固定式噴射系統(tǒng)較為適宜。而風機停機時間較短，除冰需求次數(shù)較少的風場，可配置一套運載式噴射除冰系統(tǒng)。

參考文獻：

[1] Botta G,Cavaliere M,Holttinen H . Ice accretion at Acqua Spruzza and its effects on wind turbine operation and lose of energy production[J]. 1999.

[2]Tammelin B,Dobesch H,Durstewich M,et al.Wind Turbines in Icing Environment:Improvement of Tools for Siting,Certification and Operation-NEW ICETOOLS. 2005.

[3]王偉, 侯學杰, 管曉穎,等. 風電葉片除冰技術(shù)的研究進展[J]. 玻璃鋼/復合材料, 2014, 000(001):90-93,7.

[4]陳陽, 薛浩鵬, 郝志勇. 風電葉片除冰方法理論研究[J]. 天津科技, 2015, 042(007):27,30.

[5]劉韜文, 蒙文川, 戴承偉,等. 風力發(fā)電機防凍融冰綜述[J]. 湖北電力, 2019, v.43;No.261(01):14-21.

[6]陳欣, 張吉. 風電機組葉片結(jié)冰對風電場發(fā)電量的影響研究[J]. 風力發(fā)電, 2018, 000(004):29-34.

[7]徐超, 劉朋. 基于電加熱薄膜的風力發(fā)電機組葉片防除冰技術(shù)[J]. 電力系統(tǒng)裝備, 2019, 000(008):220-221.

[8]ZHOU Zhou, 周舟, LIANG Yong,等. 基于氣熱法對風電機組葉片除冰的研究[C]// 中國電機工程學會;中國電工技術(shù)學會. 中國電機工程學會;中國電工技術(shù)學會, 2017.

[9]于海舒. 風力發(fā)電機組葉片防凍除冰技術(shù)研究進展[J]. 科技風, 2019, 000(003):124-124.

[10]陳友慶, 杜美塘. 風電葉片除冰技術(shù)專利分析[J]. 中國科技信息, 2019(13):15-16.

[11]張凱, 于航. 風險評價在爬壁機器人清洗風電塔筒中的應(yīng)用[J]. 佳木斯職業(yè)學院學報, 2017(10):503.

[12]趙越, 趙大文, 李海濤. 一種用于風電葉片作業(yè)的爬壁機器人:, CN110397563A[P]. 2019.

[13]頓向明, 林子洋. 一種用于檢測風力發(fā)電機葉片缺陷的機器人檢測系統(tǒng):, CN106483134A[P]. 2017.

[14]郝月嬌. 風電塔筒清潔機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析[D]. 蘭州理工大學, 2019.

作者：湖北龍源新能源有限公司 邵大海、尹佐明、段凡衛(wèi)、姚波