CWP2020中车技术思享荟 | ②山地风场智能除冰

我国幅员辽阔，气候复杂多样。在南方高海拔地区，尤其是贵州、安徽、湖南、湖北、江西等省份，空气湿度较大，受冬季气候变化影响，空气中的潮湿水汽、冻雨、冰雪，遇到同样处于低温的风电叶片时，雨滴、冰晶会不断附着、凝结在机组叶片表面，形成影响恶劣的覆冰现象。近年来，随着我国中东南部的低风速地区大面积装机运行，南方山地风场冻冰、冻雨、凝结等各类覆冰问题逐渐凸显。据统计，每年将近3个月的结冰期，对机组发电量的影响举足轻重。

在2020北京国际风能大会暨展览会（CWP 2020）的风电机组技改专题论坛上，中车株洲电力机车研究所有限公司风电事业部资深主任设计师姚辉以“面向山地风场的风电机组叶片智能除冰系统技术应用”为题，带来我国南方山地风场的叶片除冰方案。

覆冰会使叶片的气动外形发生改变，导致发电性能急剧下降。因气动和重量带来的叶片不平衡，也会使风轮的载荷增加、振动加剧。覆盖在叶片上的冰柱、冰块也极易砸伤箱变、损坏塔筒，甚至是附近的人畜，存在非常大的安全隐患。

目前业内应用在叶片上的主动除冰方案，主要有电热和气热两类。电热除冰是在叶片外部或内部安装加热材料，通过热传导加热叶片表面，达到主动除冰效果。然而此方案研制成本高，后期技改难度大，通常在风场建设初期即已完成改造和安装。气热是在叶片中安装加热器、散热风扇、热风传导管道等，把加热的空气通过管道将热风传到叶尖位置，通过热空气加热叶片，从而起到防冰、除冰的作用。中车株洲所就运维期出现叶片覆冰的风电场，研制出山地风场智能除冰方案，其技改难度低、技术成熟度高、抗冰冻效果好，是解决风电机组叶片防抗覆冰的有效措施和方法。

中车株洲所风电的山地风场智能除冰采用气热融冰方案，主要有整机协作系统、检测控制系统、供电加热系统和远程系统四大组成部分。该方案基于大数据分析和智能算法，利用结冰传感器、温湿度传感器、风机动态功率曲线以及运行数据，直接或间接地判断叶片结冰状态，实现机组的自我保护。在检测到叶片覆冰时，系统可自动运行，结合结冰检测、风机状态、加热器状态、鼓风机状态、叶片温度等信息，通过热力学分析和气动分析优化定制融冰策略，达到除冰和防冰的目标。智能除冰系统会实时监控除冰系统的运行过程，包括除冰系统的实时电流、电压、叶片温度、PLC状态等参数，对机组的除冰过程进行远程可视化控制，最大程度上保证机组和人员的安全。

对于覆冰情况比较严重的山地风场，采用智能除冰方案进行技术改进，可以获得良好的效益提升。在2018年11月-2019年2月冰冻天气期间，湖北某5万千瓦装机容量的风电场，通过中车株洲所山地风场智能除冰方案技术改造之后，2.0MW机型单台风机年平均等效利用小时数可减少损失约为197.5小时，单台风机年平均发电量收益可增加23.7万元/年，2.2MW机型单台风机年平均等效利用小时数可减少损失约为225小时，单台风机年平均电量收益可增加29.7万元/年，整个风电场发电机收益折算可增加611.1万元/年。

风电机组叶片结冰一直都是行业亟需解决的技术难题。随着风电能源开发重心逐渐南移，中东南部低风速风电场持续扩建，行业愈加需要行之有效的除冰解决方案。中车株洲所风电早在2013年即开始进行除冰技术的研究，通过低温箱实验、气热可行性（效果）试验、地面气热融冰试验、气热融冰挂机试验、典型雨凇环境叶片除冰试验等一系列试验和风场实践，验证了方案的可行性和可靠性。随着智能传感器的进步，大数据平台和智能算法在防冰、除冰系统上的应用，中车株洲所多年潜心探索，开发的山地风场智能除冰方案取得了阶段性的成果突破，为南方山地风电能源平价时代打下坚实的基础。