姚惠

【摘 要】風(fēng)機(jī)葉片覆冰問題對風(fēng)電場的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益都有很大的影響，由于其受地域性影響較大，目前行業(yè)內(nèi)尚未形成有效的解決方法。本文借助風(fēng)機(jī)葉片覆冰期間風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中存儲的歷史數(shù)據(jù)，分析了桂北高山地區(qū)風(fēng)電場風(fēng)機(jī)覆冰的地理和氣象信息特征，通過分析桂北高山地區(qū)兩個風(fēng)電場風(fēng)機(jī)葉片覆冰數(shù)據(jù)，研究了風(fēng)機(jī)葉片覆冰的氣象和地理特征，這對于風(fēng)電場如何減少風(fēng)機(jī)葉片覆冰期間的電量損失、開展預(yù)防覆冰等工作具有積極的作用。

【關(guān)鍵詞】覆冰；高山地區(qū)；風(fēng)電場

一、引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類社會面臨著日趨嚴(yán)峻的能源與環(huán)境問題，發(fā)展可再生清潔能源成為世界各國解決該問題的首要選擇。風(fēng)力發(fā)電由于其可再生性、清潔性等特點得到快速發(fā)展，憑借技術(shù)成熟優(yōu)勢，目前已成為最具有前景的新能源之一。我國風(fēng)能資源豐富，發(fā)展風(fēng)電是我國調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)減排目標(biāo)的重要能源發(fā)展戰(zhàn)略。截至2017年底，我國累計風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到1.64億千瓦，占全部發(fā)電裝機(jī)容量的9.2%。風(fēng)力發(fā)電對天氣的依賴性較強(qiáng)，因此具有一定的間歇性、波動性和不穩(wěn)定性。部分地區(qū)在冬春季節(jié)，風(fēng)機(jī)葉片覆冰成為風(fēng)機(jī)不能正常發(fā)電運行的主要影響因素。低溫高濕地區(qū)風(fēng)電場風(fēng)機(jī)葉片覆冰問題尤為嚴(yán)重，國內(nèi)覆冰影響嚴(yán)重的風(fēng)電場主要集中在華東、中南和西南等地區(qū)，如湖南、豫南、桂北等；國外覆冰影響嚴(yán)重的風(fēng)電場集中在美國、加拿大、芬蘭、瑞典、丹麥、挪威等。葉片覆冰后，葉片空氣動力學(xué)結(jié)構(gòu)改變、風(fēng)輪和塔架荷載增加，容易造成風(fēng)機(jī)損壞，對風(fēng)電場安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益造成影響。行業(yè)內(nèi)針對風(fēng)機(jī)葉片覆冰的研究普遍認(rèn)為其具有區(qū)域性特點，即不同地區(qū)的風(fēng)機(jī)葉片覆冰過程和特點存在很大差異，相應(yīng)的解決方案也不同。分析方法主要以仿真研究和人工模擬實驗為主，其中，仿真分析主要為二次仿真，忽略了風(fēng)機(jī)繞流場里的徑向氣流，仿真結(jié)果與實際情況相差較大；人工模擬實驗主要是借助人工氣候室對小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行不同環(huán)境參數(shù)下的覆冰實驗研究，實驗表明風(fēng)機(jī)葉片前緣和迎風(fēng)面覆冰較多，前緣角狀覆冰會導(dǎo)致其輸出功率顯著下降，無法考慮海拔、地形等因素，導(dǎo)致實驗結(jié)果的可應(yīng)用性不強(qiáng)。為此，本文選取桂北地區(qū)兩個具有代表性的風(fēng)電場進(jìn)行對比分析，根據(jù)風(fēng)電場風(fēng)機(jī)運行監(jiān)控系統(tǒng)中的實際數(shù)據(jù)，研究風(fēng)電場風(fēng)機(jī)葉片覆冰特性，并提出相應(yīng)的預(yù)防對策和建議，旨在為風(fēng)電場的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運行決策提供參考。

二、風(fēng)電場地理環(huán)境及氣候特征

本文選取桂北高山地區(qū)兩個具有代表性的風(fēng)電場進(jìn)行對比分析，A風(fēng)電場和B風(fēng)電場均地處湘桂走廊，均為坵嶺區(qū)，是典型的高山風(fēng)電場。其中，A風(fēng)電場所處環(huán)境海拔高度750-1250m，大部分地區(qū)為荒坡、天然草場，風(fēng)電場四周地勢較為平坦，無高山阻礙風(fēng)流；B風(fēng)電場所處環(huán)境海拔高度1300-1800m，大部分地區(qū)為荒坡、天然草場，北面山脈海拔較高，南面山脈較為平緩。

湘桂走廊是冬季冷空氣南下入桂的主要通道，冷暖氣流往來幾乎不受阻擋，時常形成大風(fēng)天氣，冬季覆冰相對較為嚴(yán)重，為大風(fēng)、重覆冰區(qū)。當(dāng)?shù)孛磕?1月份至次年3月份經(jīng)常會出現(xiàn)冰凍及凍雪、凍雨現(xiàn)象，此時間段也為風(fēng)電場風(fēng)機(jī)葉片覆冰的高發(fā)期。

據(jù)統(tǒng)計，2016年至2018年間，A風(fēng)電場累計出現(xiàn)覆冰8次，覆冰天數(shù)共37天，其中日平均風(fēng)速在8m/s以上的天數(shù)為21天，覆冰損失電量占全年損失電量的85%以上；覆冰最嚴(yán)重的時間為2018年1月25日至2月5日期間，從第一臺風(fēng)機(jī)覆冰至最后一臺風(fēng)機(jī)融冰，時間長達(dá)12天，期間全場停機(jī)時間長達(dá)4天。B風(fēng)電場覆冰天數(shù)95天，覆冰損失電量占全年損失電量的80%以上，覆冰造成的機(jī)組停機(jī)給風(fēng)電場帶來極大的經(jīng)濟(jì)損失。

三、風(fēng)機(jī)葉片覆冰特征的分析情況

根據(jù)風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄，在風(fēng)機(jī)葉片開始出現(xiàn)覆冰后，平均有功功率與理論功率的偏差將會逐漸加大，直至風(fēng)機(jī)葉片覆冰過重而導(dǎo)致平均有功功率數(shù)值為0。為便于分析整個覆冰過程，假設(shè)風(fēng)機(jī)平均有功功率和理論功率首次數(shù)值偏差大于55%時風(fēng)機(jī)葉片開始覆冰，則有如下分析結(jié)果：

1.風(fēng)機(jī)葉片覆冰過程中環(huán)境氣溫與海拔高度的關(guān)系

根據(jù)海拔高度、氣壓、凝點等關(guān)系，海拔越高時，氣壓越低，同時凝點相應(yīng)偏高。在對本文所選兩個風(fēng)電場分析過程中發(fā)現(xiàn)，兩個風(fēng)電場在氣溫未達(dá)到0℃均出現(xiàn)了葉片覆冰現(xiàn)象。由此可認(rèn)為在水汽充足的條件下，高山地區(qū)在環(huán)境氣溫未降至0℃時即有可能形成覆冰。并且，在葉片覆冰過程中，等溫線與海拔高度呈現(xiàn)一定的相關(guān)性，高海拔地區(qū)風(fēng)機(jī)覆冰時的環(huán)境溫度偏高，低海拔地區(qū)覆冰氣溫相對偏低。由此可推斷，在寒潮降溫過程中，高海拔地區(qū)先于低海拔地區(qū)形成覆冰。這一特性在A風(fēng)電場表現(xiàn)更為明顯。由此可推知，風(fēng)電場海拔較高時，氣壓低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，導(dǎo)致凝點偏高。

2.海拔高度與風(fēng)機(jī)覆冰先后順序的關(guān)系

通過繪圖分析，發(fā)現(xiàn)覆冰先后順序等值線與海拔高度存在一定聯(lián)系。其中，對A風(fēng)電場而言，處于風(fēng)電場北側(cè)的高海拔地區(qū)，受地形和氣流影響，覆冰時間較早，而風(fēng)電場南側(cè)及低海拔地區(qū)覆冰時間較晚。對B風(fēng)電場而言，其東南部和西南部的風(fēng)機(jī)最先覆冰，覆冰范圍逐漸向北延伸。從覆冰順序和海拔關(guān)系分析B風(fēng)電場這一覆冰特性，主要原因是東南部及南部地區(qū)雖海拔較低，但周圍沒有高山，地勢開闊，冷空氣活動不受阻攔；北部雖然海拔高，但是其北面有起伏的高山，阻擋冷空氣侵入風(fēng)電場，從而導(dǎo)致覆冰過程并不是從高海拔地區(qū)開始，而是從海拔較低的東南部開始?？芍?，風(fēng)電場風(fēng)機(jī)葉片覆冰先后順序與海拔高度存在一定相關(guān)性，但受地理環(huán)境影響較大。

3. 風(fēng)速與風(fēng)機(jī)覆冰速度的關(guān)系分析

通過分析單臺風(fēng)機(jī)開始覆冰至停機(jī)的時間長度，以此表征覆冰的速度。其中，A風(fēng)電場風(fēng)速與覆冰時長呈反相關(guān)關(guān)系，即風(fēng)速越大，覆冰形成時間越短、速度越快；B風(fēng)電場風(fēng)速與覆冰時長無明顯關(guān)系。

四、風(fēng)機(jī)葉片覆冰的管理建議

1.提高設(shè)備抗冰凍性能

對于可能出現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉片覆冰的風(fēng)電場，建議風(fēng)機(jī)和測風(fēng)塔數(shù)據(jù)采集儀器使用抗冰凍型，以便形成有效的數(shù)據(jù)記錄，為風(fēng)電場開展相關(guān)分析、掌握風(fēng)電場風(fēng)機(jī)葉片覆冰提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

2.制定應(yīng)急預(yù)案

風(fēng)機(jī)葉片覆冰具有明顯的季節(jié)性特點，建議風(fēng)電場提前謀劃、做好應(yīng)急預(yù)案等，在生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性與安全性方面綜合考慮。

3.措施制定有針對性

不同地區(qū)風(fēng)電場具有不同的葉片覆冰特性不同，建議風(fēng)電場在進(jìn)行全場風(fēng)機(jī)覆冰的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析后，對履冰時間長短、影響因素等綜合考慮以采取不同的預(yù)防措施，提高防覆冰措施的投入產(chǎn)出比。

4.開展風(fēng)機(jī)葉片覆冰預(yù)測

建議整合氣象預(yù)測資源信息，開展風(fēng)機(jī)葉片覆冰的相關(guān)預(yù)測工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]舒立春，任曉凱，胡琴，等.環(huán)境參數(shù)對小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片覆冰特性及輸出功率的影響[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2016，36（21）：5873-5878.

[2]費智，符平.我國風(fēng)電發(fā)展的態(tài)勢分析與對策建議[J].科技進(jìn)步與對策，2011，28（10）：65-68.

[3]]國家能源局.2017年風(fēng)電并網(wǎng)運行情況.

[4]楊爽. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片覆冰的仿真分析及試驗驗證[D]. 重慶大學(xué)， 2015.

[5]Etemaddar M， Hansen M O L， Moan T. Wind turbine aerodynamic response under atmospheric icing conditions[J]. Wind Energy， 2014， 17（2）：241-265.

[6]Jasinski W， Noe S， Selig M， et al. Wind turbine performance under icing conditions[C]// Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. 1997.

[7]蔣傳鴻.風(fēng)力機(jī)結(jié)冰翼型的氣動性能分析及優(yōu)化設(shè)計[D].重慶大學(xué)，2014.

[8]任曉凱.小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片覆冰的氣動力學(xué)特性研究[D].重慶大學(xué)，2016.