风电机组叶片结冰的原因及解决方法

风电机组叶片结冰的原因及解决方法
发布时间：2022-07-24T07:21:53.080Z 来源：《中国电业与能源》2022年5期3月作者：杨志鹏
[导读] 我国风力发电技术日益成熟，风力发电资源利用率不断提高，
杨志鹏
大唐丘北风电有限责任公司丘北县663200
摘要：我国风力发电技术日益成熟，风力发电资源利用率不断提高，但风力发电也还存在一些技术问题，如风电机组叶片在运转过程中容易覆冰，机组工作效率下降。

本文运用文献法、调查法与分析法重点对风电机组叶片结冰问题展开探究，探讨结冰原因及应对措施，以供借鉴参考。

关键词：风电机组；叶片结冰；原因；方法
研究发现，风力发电对气象条件的发电比较敏感，在空气湿度较大的地区或比较湿润的季节，风机叶片会覆冰，从而导致风电场无法正常运行。

风机叶片叶片覆冰后，叶片气动特性会发生改变，机组动态负荷会增加，风电场发电能力会下降，运行效益也会降低。

下面结合实际，对风电机组叶片覆冰原因做具体分析。

1风电机组叶片覆冰原因
1.1风电机组覆冰产生的气象条件
风电机组覆冰问题的形成离不开一些基本的气象条件，具体如空气湿度＞85%，环境温度＜00C，叶片表面温度＜-50C。

风电场通常处于大气冷热气流交汇地区，区域内容易受到微气象与微地形的影响，所以容易出现覆冰现象。

【1】
1.2风电机组叶片表面结冰机理
风电机组叶片表面的结冰现象，是水在特性环境下产生的物相变化。

当外界温度小于00C时，水就会由液态变为固态，结现象也随之产生。

在特定条件下，风电机组上的水由液态变为固态，大量固态水覆在风电机组上形成覆冰现象，进而影响机组的运行。

风电机组叶片表面的结冰形式中一般是过冷水滴成冰。

所谓过冷水滴，指的是环境处于00C以下时，依然以液态存在的水滴。

环境中的气压不同，水的汽、液、固的状态也会有所不同，标准大气压水的结冰温度为00C。

当环境气压增大时，结冰温度会降低，所以即使环境温度低于00C，水也有可能以液体形态存在。

在大气层中，过冷水滴不具备多大的稳定性，所以当环境有所变化时，过冷水滴的形态也就会迅速由液体变为固体，迅速凝结成冰。

风电机组在运行过程中，机组叶片表面与存在过冷水滴的空气撞击，空气中的水滴受到撞击后，会出现在叶片的前缘迎风面位置上，撞击破坏了过冷水滴的内部平衡，导致过冷水滴结冰温度升高，从而更易在风电机组叶片表面结冰。

图1风电机组叶片结冰示意图
研究发现，在耦合相变复杂传热阶段，风电机组叶片表面结冰现象最容易产生。

主要原因是：在这一阶段，冷水滴温度大于叶片表面温度，当风电机组叶片与过冷水滴相撞时，会快速吸收水分，吸收水分后经过凝固释放热量，最后在叶片表面凝结成冰。

【2】
1.3覆冰类型
风电机组叶片表面容易出现以下三种覆冰现象：雨凇、雾凇、雨凇与雾凇混合凇。

雨凇的形成机理是：过冷水直径相对较大，直径较大的雨滴与叶片碰撞后，雨滴会迅速散开形成水膜，水膜在低温作用下迅速凝结成冰。

当环境温度为00C~50C时，雨凇现象容易出现。

在环境温度为00C~50C时，空气湿度较大，空气中的含水量较大，覆冰现象也就容易产生。

雨凇的特点是冰层附着力强，密度大。

雾凇现象产生的条件有：空气中过冷水滴的直径小，呈漂浮运动状态，空气中漂浮着的水滴在受到叶片撞击后，迅速形成冰凌，进而引起覆冰现象。

研究表明，当环境温度＜-50C时，雾凇现象更容易产生。

这是因为，环境温度低于-50C时，空气比较干燥，含水量小，空气中水滴遇冷后形成形状不规则的晶体，这类形状不规则的晶体容易在不光滑的叶片表面形成冰面，。

这类晶体具有密度小、质地疏松、粘附力不足等特征。

【3】
混合凇产生的条件是：空气中过冷水滴直径不同，水滴在空气内漂浮运动。

漂浮运动着的水滴在受到叶片的撞击后快速成冰，形成冰层。

这种条件下形成的冰层有些为干增长有些为湿增长。

冰层的附着力较大，最
容易出现在叶片迎水面。

1.4覆冰影响因素
风电机组覆冰问题受多种因素影响，如风电场的地形条件、气候条件、环境条件（包括风速、温度等），同时也与空气内液态水含量有关。

下面对几项关键因素做具体分析。

①气象条件与地理条件。

气候、环境温度对风电机组覆冰的影响最为明显，环境温度较高或在高温季节，一般不易发生覆冰问题，只有当环境温度低于00C时，才有可能出现覆冰问题。

研究结果表明，当环境温度处于-10C~-80C这一范围内时，空气中的水会凝结成冰，覆冰问题也就更容易产生。

但需注意的是，北方冬季气温过低，过冷水滴在低温作用下会形成雪花，所以风险机组不会出现覆冰。

南方冬季环境温度虽然也有所降低，但空气中含水量较大，环境温度又没有低到能让水滴变为雪花的程度，所以在湖南、云贵等南方地区，风电机组覆冰问题会比较严重。

②空气湿度。

空气湿度对风电机组是否会产生覆冰现象会产生决定性影响。

研究表明，空气相对湿度＞85%，风电机组叶片出现覆冰问题的概率会大大增加，而且在空气湿度大的地区，还更容易出现雨凇。

研究表明，江西、湖北、湖南等空气湿度大的地区，风电机组容易受到覆冰的困扰。

③风速。

除环境温度与空气湿度外，风速也是影响风电机组覆冰的一个重要因素。

风会对冷水滴起到输送作用，所以在常年有风，过风速常年较大的地区，风电机组覆冰问题也更容易产生。

研究表明，风速较大容易产生粒状雾凇，风速越大风电机组叶片覆冰形成速度也就越快。

【4】
④过冷却水滴直径大小。

当过冷却水水滴直径较大时，与风电机组叶片的接触面也就越大，过冷水滴与风电机组叶片接触的过程中，潜热释放速度也就越慢，
在这种情况下结冰速度也会减缓；相反，当水滴直径相对较小时，水滴与叶片接触发生结冰反应，由于直径较小，所以潜热释放速度很快，结冰速度也因此加快。

2风电机组覆冰应对措施
做好覆冰测量。

对于风电机组覆冰问题，在平时做好覆冰测量具有重要意义。

目前常用到三种覆冰测量法，分别为间接测量法、直接测量法与数学模型法。

间接测量法是根据覆冰相关因素如风速、温度、湿度及覆冰条件下风机发电功率变化来估算覆冰程度。

直接测量法是根据覆冰所致重量、反射特性变化情况等测量出所需信息。

根据实践经验可知，当风电机组叶片处于轻微覆冰状态时，叶片输出功率会有下降，一般会下降5~15%。

尽管输出功率有所下降，但由于下降幅度较小，所以覆冰检测器可能无法准确检测出覆冰情况，因此在平时一旦注意到出现覆冰问题，就需应用覆冰检测器+视频检测等多种方法对覆冰问题加以检测。

在当前的技术条件下，还可使用一种基于叶片振动检测叶片覆冰传感器来检测风电机组叶片覆冰情况。

叶片在寒冷空气中运转时，叶尖速度达到250km/h，由于运转速度较大所以使用普通的检测器很难检到覆冰信息，而基于叶片振动检测叶片覆冰传感器是基于高灵敏度的传感器系统和特殊算法，可实现冰层厚度毫米范围内的测量分辨率，能为工作人员检测到比较准确的覆冰信息。

【5】结语
风电机组覆冰应对措施比较多元，文中只是简单分析了通过进行覆冰检测掌握覆冰信息并作出相应处理。

除此之外，还可根据实际需要建设风电机组叶片防冰除冰系统，利用该系统防止冰雪粘附到叶片表面，同时对已经附着的冰层进行加热的消除。

此外还可采用一种叶片气热除冰法，具体做法是加热叶片内部空气，使热气在叶片内部循环，在这一过程中，叶片外表面接收到热量，从而有效避免了冰层的形成。

参考文献
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