羅定夫 胡滿
摘 要:研究風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組氣象站防凝凍技術(shù),增強(qiáng)氣象站在冰凍期間的可靠性,確保在冰凍期間風(fēng)機(jī)氣象站正常工作,從而保證風(fēng)機(jī)在冰凍期間運(yùn)行,降低葉片覆冰的可能性,極大減小葉片覆冰厚度,降低風(fēng)機(jī)故障率,提高風(fēng)機(jī)可利用率及發(fā)電能力。通過(guò)對(duì)實(shí)際風(fēng)力發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)觀察發(fā)現(xiàn)使用性能優(yōu)良的超聲波氣象站有效提高設(shè)備冰凍期間的可利用率。
關(guān)鍵詞:風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;氣象站;防凝凍技術(shù)
1 概述
風(fēng)電場(chǎng)出現(xiàn)大面積冰凍停運(yùn)情況,當(dāng)時(shí)天氣狀況:大霧,空氣濕度82%,最高氣溫為4 ℃,最低氣溫為-2℃,平均風(fēng)速為9 m/s,最大風(fēng)速為12m/s。從15日凌晨1 時(shí)40分起,溫度從2℃左右急劇下降至-3℃。凌晨4時(shí),風(fēng)場(chǎng)投入運(yùn)行的24臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組陸續(xù)全部故障停機(jī)。上位機(jī)監(jiān)控檢查24臺(tái)機(jī)組故障均為5309(風(fēng)向儀無(wú)擺動(dòng)故障)或5308(冰凍報(bào)警)。調(diào)取風(fēng)機(jī)歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):各臺(tái)因故障停運(yùn)機(jī)組風(fēng)速信號(hào)仍然有數(shù)值顯示但是明顯偏低,風(fēng)向儀保持一定數(shù)值長(zhǎng)時(shí)間不變化。故判斷風(fēng)機(jī)有風(fēng)速、無(wú)風(fēng)向信號(hào),無(wú)法識(shí)別風(fēng)況,導(dǎo)致故障停機(jī)。
根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量分析可知:在2015年12月至2016年2月的冰凍期間,因結(jié)冰導(dǎo)致風(fēng)機(jī)停運(yùn)造成電量損失累計(jì)超過(guò)200萬(wàn)kW·h,占每年損失電量比重較大??梢?jiàn),冰凍對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶了巨大的損失。研究氣象站抗冰凍的方法顯得十分迫切。
2 氣象站結(jié)冰情況與分析
2.1 氣象站結(jié)冰情況
12月15日上午8時(shí),維護(hù)人員登塔檢查停運(yùn)風(fēng)機(jī)狀況,發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)氣象站完全被冰雪凍住,導(dǎo)致氣象站無(wú)法正常工作。檢查風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)加熱回路工作正常,用手觸摸氣象站表面,感覺(jué)到加熱效果,且冰雪堆積處有明顯融冰痕跡,但因溫度持續(xù)下降,覆冰太厚導(dǎo)致風(fēng)向標(biāo)旋轉(zhuǎn)部件凍住無(wú)法擺動(dòng)。出機(jī)艙用望遠(yuǎn)鏡檢查葉片表面附有很薄的白霜,部分位置結(jié)有薄冰,且在不斷掉落。
2.2 氣象站結(jié)冰情況分析
通過(guò)在冰凍期內(nèi)對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況的長(zhǎng)期跟蹤,氣象站結(jié)冰影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行的主要原因如下:①地處高寒山區(qū),春冬兩季空氣濕度很大,能達(dá)到90% 以上,如遇氣溫急劇下降,冰凍情況嚴(yán)重。②風(fēng)機(jī)氣象站現(xiàn)有設(shè)備加熱功率(100 W)基本滿足要求,如遇持續(xù)降溫恐無(wú)法達(dá)到融冰要求。但如若大功率加熱器長(zhǎng)時(shí)間加熱可能會(huì)造成設(shè)備內(nèi)精密元件的加速老化。③ 機(jī)械式氣象站風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速儀轉(zhuǎn)動(dòng)部位連接處為由于離加熱元件較遠(yuǎn),較容易發(fā)生冰凍。④當(dāng)風(fēng)向標(biāo)結(jié)冰加上主控程序的設(shè)置不合理,而引發(fā)偏航系統(tǒng)進(jìn)入偏航死區(qū)內(nèi),報(bào)扭纜故障告警,增加風(fēng)機(jī)故障概率。⑤風(fēng)機(jī)葉片結(jié)冰,將改變?nèi)~片迎風(fēng)面形狀,會(huì)增加塔架載荷和水平方向推力,損耗吸收進(jìn)葉輪的機(jī)械能。
3 氣象站抗冰凍措施及實(shí)施
3.1 解決問(wèn)題的思路
根據(jù)風(fēng)機(jī)安裝位置氣候條件,冰凍季節(jié)長(zhǎng)但單次冰凍時(shí)間普遍較短且回暖較快。只要解決風(fēng)機(jī)氣象站因冰凍不能正常工作的問(wèn)題,風(fēng)機(jī)在冰凍情況下正常運(yùn)行,葉片表面涂有憎水材料,在動(dòng)態(tài)下不易覆冰且能利用離心力將附在表面的薄冰甩掉,從而可有效減輕風(fēng)機(jī)葉片覆冰情況,盡可能減少風(fēng)機(jī)冰凍期間因葉片結(jié)冰的停機(jī)。因此,可通過(guò)增強(qiáng)氣象站在冰凍期間的可靠性,確保在冰凍期間風(fēng)機(jī)氣象站正常工作,從而保證風(fēng)機(jī)在冰凍期間運(yùn)行,降低葉片覆冰的可能性,極大減小葉片覆冰厚度,降低風(fēng)機(jī)故障率,提高風(fēng)機(jī)可利用率及發(fā)電能力。
3.2 解決措施及效果分析
3.2.1大功率氣象站效果分析
1)目前使用的為浙江貝良所生產(chǎn)的BLF1-XⅡ大功率抗冰凍型風(fēng)速風(fēng)向儀。
2)存在的問(wèn)題:①大功率氣象站在冰凍過(guò)程中有冰雪堆積,但其轉(zhuǎn)動(dòng)部分未被凍住,能正常工作,其融冰速度比普通機(jī)械式氣象站快4~5h;②加熱功率增大至100W 對(duì)周邊設(shè)備影響很小,但大功率加熱器容易元件加速老化;
3)結(jié)論:更換大功率氣象站能加快融冰速度,通過(guò)加長(zhǎng)氣象站,使得氣象站各元件的間距加長(zhǎng),對(duì)緩解冰凍影響有一定作用,但大功率加熱器長(zhǎng)時(shí)間的工作,設(shè)備內(nèi)部長(zhǎng)時(shí)間處于高溫狀態(tài),造成內(nèi)部精密電子元件加速老化,嚴(yán)重影響設(shè)備的壽命。
3.2.2 更換超聲波氣象站
1)實(shí)施過(guò)程:于2015年11月在#10選用浙江貝良公司生產(chǎn)的BLF1-C型超聲波氣象站安裝于風(fēng)機(jī)氣象站風(fēng)向標(biāo)#2位置,并將超聲波氣象站風(fēng)況數(shù)據(jù)作為主導(dǎo)數(shù)據(jù)引入風(fēng)機(jī)進(jìn)行計(jì)算,機(jī)械式氣象站風(fēng)況數(shù)據(jù)作為輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。在#10風(fēng)機(jī),超聲波氣象站加熱功率為最小140 W,且能在柱體內(nèi)部加熱,熱量能傳遞到測(cè)風(fēng)元件頂部,且基于其工作原理并無(wú)選裝部件大大減少冰凍旋轉(zhuǎn)部件的影響。
2)結(jié)冰情況:安裝超聲波測(cè)風(fēng)儀的#10風(fēng)機(jī)機(jī)械式氣象站被冰雪覆蓋,但超聲波氣象站能正常工作,能實(shí)時(shí)的讀取風(fēng)速數(shù)據(jù)及風(fēng)向;能正常的反應(yīng)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)的氣象數(shù)據(jù)。
3)在正常天氣情況下發(fā)現(xiàn):#10號(hào)超聲波氣象站與其自身機(jī)械式氣象站比較,小風(fēng)時(shí)風(fēng)速高出1 ~ 1.5 m/s,大風(fēng)時(shí)高出2~ 3 m/s。有時(shí)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組誤報(bào)大風(fēng)小功率故障停機(jī),此問(wèn)題已聯(lián)系主控廠家做出程序修正。
4)結(jié)論:超聲波能將冰凍對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行影響減少至最低,能保證在整個(gè)冰凍期間氣象站不停運(yùn)。即在冰凍情況下能保證正常工作,風(fēng)速數(shù)據(jù)雖然偶爾偏高,易造成誤報(bào)故障,但通過(guò)程序修正解決且不會(huì)造成風(fēng)機(jī)停運(yùn),因而葉片上覆冰很少,能保證風(fēng)機(jī)正常連續(xù)運(yùn)行。
4 主要結(jié)論
冰凍氣候?qū)︼L(fēng)力發(fā)電電量、風(fēng)機(jī)設(shè)備安全運(yùn)行的影響尤為突顯。
1)原裝的所有機(jī)械式抗冰凍的風(fēng)向風(fēng)速儀,因大功率持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間加熱等問(wèn)題造成損壞(第一批次已損壞14臺(tái)),現(xiàn)已將24臺(tái)全部更換成優(yōu)化型抗冰凍型機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀。但是大功率加熱元件持續(xù)加熱對(duì)對(duì)精密元器件的損傷不可避免。因此,大功率氣象站設(shè)備在考慮加熱融冰的同時(shí),關(guān)鍵的技術(shù)瓶頸仍然是精密電子元件的老化問(wèn)題。
2)已更換超聲波氣象站的#10風(fēng)機(jī),雖然測(cè)出風(fēng)速有些許偏差,但可通過(guò)后期程序修正解決。在冰凍天氣幾乎不會(huì)因?yàn)闅庀笳窘Y(jié)冰情況造成風(fēng)機(jī)停機(jī)的情況發(fā)生,大部分停機(jī)故障為大風(fēng)小功率,是由于葉片結(jié)冰造成,基本可滿足機(jī)組運(yùn)行要求。
3)目前,影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組冰凍時(shí)期的工作效率的主要原因是葉片結(jié)冰,而已非氣象站結(jié)冰,葉片結(jié)冰已經(jīng)成為了制約我國(guó)冰凍區(qū)域風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的一個(gè)難題。
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