文 | 李小軍，潘華，韓爽，黃潔亭

貴州地區(qū)風電機組覆冰原因及甩冰風險分析

文 | 李小軍，潘華，韓爽，黃潔亭

高原寒冷地區(qū)氣候極易造成風電機組葉片結(jié)冰，一方面會影響機組的發(fā)電量，另一方面在運行過程中，旋轉(zhuǎn)的風輪在溫度升高時，覆冰的粘著力下降，極易發(fā)生甩冰、落冰現(xiàn)象，造成人身傷害和運營事故。尤其在“天無三日晴”的貴州，風電機組葉片覆冰發(fā)生的頻率較高。據(jù)不完全統(tǒng)計，貴州地區(qū)冬季的凝凍現(xiàn)象造成風電機組的年發(fā)電量損失高達15%－20%。資料顯示，在特殊天氣情況下，比如溫度接近零攝氏度又伴有高濕度，如凍雨或雨夾雪，風電機組葉片比較容易覆冰。在重力和風電機組葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機械力的作用下，這些冰又很容易從葉片上脫離。如果覆冰后風電機組葉片繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，覆冰可能被拋出一段距離，如果沒有遇到阻礙物，甚至可能會被拋出數(shù)百米遠。這些落冰可能會損害建筑物和車輛，甚至會傷害到風電場的工作人員或者普通公眾，埋下安全隱患。目前我國缺乏有關(guān)風電機組甩冰風險研究的相關(guān)資料，也沒有處理冰片脫落潛在危險的指導性意見和辦法。隨著風電機組大型化，葉片長度增大，確實存在潛在的、巨大的風險，因此迫切需要這方面的安全指導方針，有必要研究風電機組葉片積冰后的落冰、甩冰過程，以做參考指導。針對貴州地區(qū)，本文詳細描述了風電機組覆冰形成原因以及葉片甩冰過程，并對甩冰風險進行風險評估。

貴州地區(qū)風電機組結(jié)冰情況

貴州位于中低緯度地區(qū)，北方南下的冷氣團活動頻繁，上空來自南面海洋的水汽十分豐富。另外，貴州地處云貴高原東北側(cè)斜坡地帶，平均海拔1100m左右，地勢西高東低。進入冬季，頻繁南下的北方冷氣團受到云貴高原地形阻擋，在貴州西部與云南東部之間上空形成了氣象學上有名的云貴靜止鋒，并長期控制貴州，加之來自孟加拉灣暖濕氣流源源不斷的豐富的水汽輸送補充，從而導致貴州凍雨次數(shù)多、持續(xù)時間長。

貴州全省建立氣象觀測站的縣區(qū)共計84個，從2008年1月12日開始，貴州全省范圍大面積遭遇了有氣象記錄以來最嚴重的持續(xù)低溫雨雪冰凍災(zāi)害天氣，共有76站出現(xiàn)低溫雨雪冰凍；2011年共有78站出現(xiàn)低溫雨雪冰凍，占全省臺站的92.9%，超過2008年，影響范圍達歷史之最；2013年全省單站凝凍過程達42站，本次災(zāi)害等級為中級。2008年低溫雨雪冰凍災(zāi)害表現(xiàn)為前期中部和東部地區(qū)嚴重、后期轉(zhuǎn)為西部地區(qū)嚴重，而2011年主要嚴重區(qū)域集中在中部和西部地區(qū)。2013年則主要出現(xiàn)在自西向東一線，其中威寧、水城、盤縣、普安、大方、修文、白云、甕安和萬山累計雨凇日數(shù)在10天以上。

貴州冰凍天氣具有強度大、影響范圍廣、持續(xù)時間長的特點，對當?shù)氐墓╇娫O(shè)備及儀器造成嚴重損害。2011年貴州電網(wǎng)10kV及以上輸電線路共6161座，因冰災(zāi)停運的線路共996條，受災(zāi)停運率為16%；2013年貴州省電力線路1010kV及以上覆冰線路高峰期達到383條。

貴州葉片覆冰的氣象條件是：氣溫下降至－5℃－0℃，相對濕度大于90%，風速1m/s－8m/s，持續(xù)時間多數(shù)地區(qū)10天以上。如遇毛毛雨或大霧或者僅僅空氣濕度很高，首先在葉片表面形成雨?。蝗绻麣鉁厣?，例如天氣轉(zhuǎn)晴，雨凇則開始融化；如果天氣繼續(xù)轉(zhuǎn)晴，則覆冰過程終止；如果天氣驟然變冷，氣溫下降，出現(xiàn)雨雪天氣，凍雨和雪則在黏結(jié)強度很高的雨凇冰面上迅速增長，形成密度大于0.6g / cm 的較厚冰層；如果溫度繼續(xù)下降至－15℃－8℃，原有冰層外則積覆霧凇。這種過程將導致葉片表面形成雨凇—混合凇—霧凇的復合冰層。在這個過程中，如天氣發(fā)生變化，多次出現(xiàn)晴—冷交替的天氣，則融化會加強冰的密度。如此往復發(fā)展將形成霧凇和雨凇交替重疊的混合凍結(jié)物，即混合凇。降雨型結(jié)冰混合著凍霧覆冰。降雨型結(jié)冰一方面是由濕度較高的降雪直接造成葉片結(jié)冰。由于雪降落在葉片上，含有較高的液態(tài)水成分，粘度高，附著于葉片表面，當溫度適宜時便會發(fā)生雪積累現(xiàn)象；另一方面則是由于凍雨。大氣系統(tǒng)靜穩(wěn)時，由于低溫會產(chǎn)生低于0℃但仍未結(jié)冰的液體狀態(tài)的水滴，這種過冷水掉落在葉片表面上會馬上結(jié)冰，這就是凝凍現(xiàn)象，也叫凍雨。隨著凝凍天氣的持續(xù)，葉片積冰會越裹越厚，完全無消融脫冰機會，因而形成罕見的大冰凌。

風電機組葉片積冰高度依賴于本地地形條件（微地形）、天氣條件（微氣象）和風電機組的運行狀態(tài)。任何積冰都可能由于重力和葉片的離心力而甩冰。周圍溫度的上升，風速的變化，以及太陽輻射均會導致冰片墜落，使得風電機組附近區(qū)域存在巨大風險。此外，如果風速風向等氣象條件合適，旋轉(zhuǎn)的葉輪可以推動冰碎片從風電機組機位處甩出長達數(shù)百米的距離，譬如：在山區(qū)或北部地區(qū)結(jié)冰可能經(jīng)常發(fā)生。任何暴露的結(jié)構(gòu)落冰可能會損害建筑物和車輛，并且損傷到現(xiàn)場人員和普通公眾，除非有充分的、措施到位的保護。

甩冰風險評估

隨著機組容量增大，兆瓦級風電機組葉片尖部距離地面的高度可能大于150m，在寒冷季節(jié)很容易碰觸到較低的云層，造成葉尖結(jié)冰?？紤]重力及冰片拋出過程中的空氣阻力值后可以計算甩冰路徑。由于冰在降落過程中很難保持穩(wěn)定狀態(tài)，一般是翻轉(zhuǎn)下降，阻力的作用顯著，因此可以忽略升力作用。設(shè)x、y、z分別代表橫坐標、豎坐標和縱坐標的冰片距離，計算風電機組的甩冰范圍：

一、運行機組的甩冰風險分析

當風電機組運行時，假定葉輪葉片的前緣結(jié)冰，且由于空氣動力和離心力的作用導致定期落冰。冰碎片的投擲距離隨風輪的方位角、風輪的轉(zhuǎn)速、局部半徑以及風速的變化而變化。此外，冰片的幾何形狀及其質(zhì)量也將影響冰片的飛行軌跡。典型的冰碎片拋射過程已經(jīng)在風洞中進行研究，用來評估其空氣動力學特性。據(jù)實驗室模擬仿真的結(jié)果與實際測量的對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)模擬方法較為保守。

計算輸入?yún)?shù)有風輪的直徑、輪轂高度、葉片形狀，最重要的是葉尖的弦線長以及輪轂的轉(zhuǎn)速范圍。典型的甩冰計算需要假設(shè)結(jié)果最壞的幾個場景情況，以減少計算的復雜程度。風洞試驗顯示典型的阻力系數(shù)Cd= 1.2。因此甩冰范圍計算中選取阻力系數(shù)Cd= 1.0，忽略升力系數(shù)和風切變，為計算積冰質(zhì)量，選取冰密度d=700kg/m3?？諝饷芏雀鶕?jù)周圍環(huán)境溫度及風電場緯度、輪轂高度進行推算。較高的溫度將會增大甩冰范圍，然而溫度過高不會存在積冰現(xiàn)象。通過此方法可以得出每臺機組甩冰范圍隨風速、風向的空間變化，因而可根據(jù)具體情況指導控制系統(tǒng)決定機組的關(guān)停或啟動。有經(jīng)驗公式：

其中，S表示最大投射距離，h是輪轂高度，d為葉輪直徑，單位均為米。

此公式由德國勞氏船級社（Germanischer Lloyd）和德國風能研究所（the Deutsches Windenergie Institut，DEWI）機構(gòu)認證。公式僅在初級設(shè)計階段，用于粗略估計布機范圍。觀測表明，當細長冰片從葉片脫落時碎成些許體積小的冰片就不會因為體積過大而砸落在地面上。小片的冰，空氣阻力作用變小，從而增大了投擲距離。體積較大的冰片會產(chǎn)生更多的空氣阻力，因此落于機組附近。

二、停機機組的甩冰風險分析

由于機艙外殼的形狀，冬天可能會有雪和冰在輪轂頂部堆積起來。由于發(fā)電機和齒輪箱發(fā)熱，風電機組機艙表面的冰融化而產(chǎn)生大面積的水膜使得大量的冰或雪向下滑。而轉(zhuǎn)動的葉片始終處于高位，是積冰最嚴重的區(qū)域，因此塔架或機艙表面的覆冰可以忽略不計。然而，在接近輪轂處，大而重的冰塊碎片的跌落對維修人員造成危險。因此，必須要有預防措施，以避免事故的發(fā)生。原則上，停機的風電機組與其他建筑結(jié)構(gòu)的積冰過程類似，如塔、天線、輸電線路等。冰片的甩落范圍取決于沿盛行風風向的風電機組制動時風輪的位置或空轉(zhuǎn)風輪的運行狀態(tài)。積冰的尺寸、質(zhì)量和空氣動力特性的估計與運行的風電機組甩冰風險估計類似。

在葉片積冰的條件下，如果只有輕微的積冰積聚在葉片的前緣，操作系統(tǒng)就指示停機動作。一旦停機，如果不能保證所有的積冰能從表面融化或者被人工除冰，風電機組不可能自動重新啟動。如果可以手動啟動風電機組，就沒有必要進行覆冰檢測。因此覆冰自動檢測是為了確保在風電機組附近的人或物體的安全。

目前有很多方法用于檢測浮冰，但是都需要進一步地論證。首先，需要對風電機組功率曲線和環(huán)境溫度進行持續(xù)性監(jiān)測。如果檢測到偏差，而且這個偏差與葉片結(jié)冰相關(guān)，風電機組應(yīng)立即停機。轉(zhuǎn)動的葉片采用高精密的空氣動力學制作工藝，因此對前緣葉片粗糙度的微小變化非常靈敏。當溫度較低，某風速值下風電機組功率值突然下降，即使是風速計受到影響，也可以作為葉片結(jié)冰的指示。帶除冰加熱系統(tǒng)的風速計可以避免雪水或融化冰倒灌而不影響風速計的工作，因此對葉片結(jié)冰的指示作用不明顯。

觀察表明，積冰的長度達到翼弦長度的40%時將會導致風電機組在運行過程中甩冰。然而，由極少量冰造成的功率損失將及早指示結(jié)冰狀態(tài)。如果關(guān)停風電機組時，必須考慮到這段期間的積冰情況。在結(jié)露期間融化時，冰片墜落下來會被風加速。必須根據(jù)現(xiàn)場具體的實測報告確定最大風速。需要收集以下數(shù)據(jù)：現(xiàn)場的海拔高度、輪轂高度、葉輪葉片的幾何形狀、轉(zhuǎn)子葉片半徑以及冰片段的大小。

觀察表明，冰片從停止轉(zhuǎn)子表面跌落時先斷裂成更小的部分而后落在地面上。考慮最壞的情況，研究2m長冰片的拋射過程，即大塊冰片從機位處被拋射到更遠的距離，同時假定該片段開始處的葉片尖端。冰片的體積乘以冰密度為冰片的質(zhì)量。保守起見，相對于旋轉(zhuǎn)葉片的阻力系數(shù)，停機機組的積冰阻力系數(shù)假設(shè)為1.2，因為這會產(chǎn)生更大的沉降距離。同時，依據(jù)空氣溫度為0℃條件下，當?shù)睾０胃叨认螺嗇灨叨忍幍目諝饷芏茸鳛棣阎怠?/p>

對于停機狀態(tài)下的風電機組，其甩冰投射距離的簡化經(jīng)驗方程為：

其中，v表示輪轂高度處的風速，單位m/s；S表示最大投射距離，單位m；d是風輪直徑，單位m；h表示輪轂高度，單位m。

甩冰模型模擬

人員被風電機組甩出的冰碎片擊中的風險取決于以下因素：（1）每年風電機組葉片積冰事件的發(fā)生頻率。在收集資料的過程中，不應(yīng)局限于天氣或氣象記錄。如果安裝有普通風速計和加熱型風速計，大致可以用來判斷一年內(nèi)結(jié)冰事件頻率。如果安裝的是不具備加熱功能的風速計，冬季時，在0m/s到1m/s風速區(qū)間，風速頻率數(shù)目異常高，而在夏天時，風速頻率顯示為一個正常的“威布爾狀”風速曲線，也可以作為判斷是否結(jié)冰的現(xiàn)象之一。（2）風向風速頻率分布與結(jié)冰頻率和環(huán)境溫度的關(guān)系。（3）冰碎片從葉片上脫落下來的可能性。這與落冰的葉片徑向位置和葉片的方位角有關(guān)。（4）依賴于葉片的旋轉(zhuǎn)速度、以及葉片槳距角、葉片外形和葉片的柔韌性。（5）落冰的位置、數(shù)量及重量。冰片的落點和落地速度取決于徑向位置、葉片的方位角、以及脫落時風輪的速度及風速。（6）在任何風險區(qū)域相關(guān)人員出現(xiàn)的概率以及有無安全防范措施。

一、軌跡預測

Morgan建立了一種方法描述落冰軌跡，且該方法已發(fā)展為“寒冷氣候風能計劃（Wind Energy in Cold Climates，WECO）的一部分。該計劃由英國貿(mào)易和工業(yè)部資助，隸屬于歐洲委員會的非核能項目。這個項目的合作商還包括芬蘭氣象科學研究所，歌美颯（英國），丹麥Ris?實驗室和芬蘭VTT技術(shù)研究中心，以及許多其他歐洲國家合作商。

軌跡預測模型中需要考慮的參數(shù)有：（1）甩冰瞬間的葉片方位角；（2）甩冰瞬間冰片的徑向位置；（3）甩冰前任何徑向滑動速度，稱之為“彈弓效應(yīng)”；（4）風輪的尺寸和轉(zhuǎn)速；（5）冰片的尺寸；（6）冰片下落過程中的重力作用；（7）氣動阻力；（8）氣動升力；（9）風電機組下游空氣的平均風速。

當葉片旋轉(zhuǎn)上升時，由于離心力的作用，冰片徑向向外滑動從葉片前緣脫離。從葉片尖端脫離的過程中，除了由轉(zhuǎn)動葉片施加的切向力，同時存在巨大的徑向加速度，這種現(xiàn)象被稱為“彈弓”效應(yīng)。在這種情況下，假設(shè)冰片始終與葉片接觸，冰片脫落過程中引起的任何氣動力變化都忽略不計。拋冰軌跡的運動方程是：

其中，r落冰的徑向位置；w是風輪的旋轉(zhuǎn)速度；φ是冰片開始脫落時葉片的方位角，從低端算起；t自冰片脫落時的時間。

還存在另外一種情況，當落冰到達葉尖前，葉片開始下降時，落冰的徑向加速度變?yōu)樨撝?，可能在還未到達葉尖就已脫落。實際上，如果沿葉片的滑動過程被阻礙，落冰可以隨時被甩出，任何有關(guān)冰片的拋落過程將提早結(jié)束。就目前而言，使用“彈弓效應(yīng)”原理計算均假定冰片到達葉尖處才被甩出。

二、敏感性分析

通過建立甩冰范圍與風輪半徑、輪轂高度、葉輪旋轉(zhuǎn)速度、冰片質(zhì)量、冰片面積、空氣密度、風速風向和阻力系數(shù)等各個參數(shù)間的關(guān)系，探討分析各個參數(shù)對甩冰范圍的影響，即敏感性分析：拋射路徑被認為是積冰脫落的最初位置的函數(shù)，即冰片開始落下的徑向和切向位置，通過選取不同的積冰脫落點，討論脫落點位置對甩冰范圍的影響；通過選取不同質(zhì)量的冰片，在不同空氣密度下的甩冰范圍，討論阻力系數(shù)對結(jié)果的影響。

研究表明，不考慮阻力系數(shù)時，大質(zhì)量冰片的甩冰范圍擴大了3倍，落地速度增大2倍。但對于質(zhì)量小的落冰而言，阻力系數(shù)的影響并不明顯。阻力系數(shù)一方面提供阻力，降低落冰速度，縮小了落冰范圍；另一方面，使下落冰片被順風掃過，在一定程度上增大了落冰范圍。也就是說，在不同風速條件下，冰片的甩落面積也是不同的。風速愈大，落冰范圍愈大。最后得出結(jié)論：葉片從輪轂底部上升到大約135°時會發(fā)生落冰現(xiàn)象，風速和葉尖速度以及阻力系數(shù)是影響落冰范圍的重要參數(shù)。此外，Seifert運用蒙特卡洛模擬方法模擬每平方米內(nèi)落冰的概率與機組距離的函數(shù)關(guān)系。結(jié)果表明，在良好的結(jié)冰氣象條件下，離風電機組距離超過約250m，被落冰擊中的風險逐漸變小。

防護措施

在項目設(shè)計及風電場運營階段，均需要考慮甩冰的風險，考核落冰范圍。風電機組選址時對于易于結(jié)冰的地域或者區(qū)域，需要考慮降低甩冰的風險，除配備除冰防冰工具外，還應(yīng)該采取一些防范措施，比如：加強對結(jié)冰易發(fā)風電場項目的覆冰檢測工作；計算安全距離：即在選址時，選擇離已有建筑物、公共區(qū)域有一定安全距離的地方作為風電機組的位置；設(shè)立物理及視覺警告：配備圍欄和警告標志以保護現(xiàn)場人員與公共人群；加強培訓教育，指導運行維護的工作人員，不要進入有可能落冰的風電機組的任何順風區(qū)域，將風險降到最低。

結(jié)論

經(jīng)驗和實例表明，積冰從運行風電機組葉片拋落的過程中，質(zhì)量小的冰碎片擊中地面的范圍面積更大，與風電機組存在一定的距離；停機機組中質(zhì)量大的冰片甩冰范圍較質(zhì)量小的冰片范圍大。總體來看，運行風電機組的甩冰風險面積比處于靜止或停機狀態(tài)的范圍大。在這兩種情況下，風的方向均是風險評估的重要參數(shù)，因此可以作為有關(guān)控制系統(tǒng)的重要參數(shù)。

雖然葉片結(jié)冰僅發(fā)生在一年中的一小段時間，但是即便在這少數(shù)時間段，在一定的風速風向條件下還是存在甩冰和人員損傷的可能性，因此有必要評估甩冰的風險可能性。本文對貴州省葉片覆冰分布特點及原因進行分析，概括闡述了目前國內(nèi)外甩冰研究進展，根據(jù)機組的運行狀態(tài)分步驟評估葉片甩冰風險，分析了影響甩冰軌跡的因素，如：甩冰瞬間的葉片方位角；甩冰瞬間冰片的徑向位置；甩冰前任何徑向滑動速度；風輪的尺寸和轉(zhuǎn)速；冰片的質(zhì)量和體積；氣動阻力等，同時進行了參數(shù)敏感性分析，以利于更好地開展葉片覆冰預報工作、覆冰檢測工作以及風電場人員安全工作。建議在規(guī)劃貴州等地區(qū)風電場時應(yīng)該考慮將葉片甩冰作為安全問題，一旦發(fā)生安全意外事故將造成負面影響，并會降低公眾對風力發(fā)電的接受能力。

（作者單位：李小軍、潘華：貴州電力試驗研究院；韓爽、黃潔亭：華北電力大學）