曾益民

大唐華銀(湖南)新能源有限公司 湖南 長沙410000

1 引言

某南方山地風力發(fā)電場發(fā)電瓶頸多積郁在冬季葉片結(jié)冰導致的主動棄風,然而冬季多為季節(jié)變化以及山區(qū)與城市冷熱交換時期,該時節(jié)具有風速較大,且南方電取暖用電負荷高、水電處于冬枯期受限電影響小,充分利用該季節(jié)可顯著提高風電場利用小時數(shù)。作為風電場運營單位在該時期對風機的運行方式多以經(jīng)驗武斷,或是直接棄風放棄該時段有效風頻。葉片覆冰運行風險較大有導致葉片損失甚至折斷的風險,而直接棄風將導致大量的電量損失。

2 基于直驅(qū)式同步永磁單軸承風力發(fā)電機組葉片氣熱內(nèi)循環(huán)除冰技術(shù)

2.1 葉片氣熱內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理 葉片通風加熱除冰系統(tǒng)采用氣熱法除冰方式,其主要部件包括鼓風機、空氣加熱器、通風管等部件組成。鼓風機和空氣加熱器安裝在葉片根部,導管延伸至風力機葉片葉尖等容易結(jié)冰處。其工作原理如下圖所示,空氣加熱器將空氣加熱,而后通過鼓風機經(jīng)通風管將熱空氣輸送至葉尖。并在前、后緣腹板形成對流。

圖1 葉片加熱控制回路圖(1、加熱器2、風管3擋板)

2.2 葉片氣熱內(nèi)循環(huán)除冰系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 加熱系統(tǒng)設(shè)計 加熱系統(tǒng)主要由鼓風機和加熱器組成,加熱器采用的是33個獨立的PTC加熱器并聯(lián)組合而成,分為3檔加熱,根據(jù)葉腔內(nèi)部的溫度選擇投切PTC的數(shù)量。10k W加熱并聯(lián)11個PTC加熱器進行加熱,20k W加熱并聯(lián)22個PTC 加熱器進行加熱,30k W加熱并聯(lián)33個PTC加熱器進行加熱。

PTC加熱器有熱阻小、換熱效率高的優(yōu)點,是一種自動恒溫加熱器。它的一大突出特點在于安全性能上,即遇風機故障停轉(zhuǎn)時,PTC加熱器因得不到充分散熱,其功率會自動急劇下降,從而不致產(chǎn)生如電熱管類加熱器的表面“發(fā)紅”現(xiàn)象,從而引起火災(zāi)的隱患。

2.2.2 通風系統(tǒng)設(shè)計 通風系統(tǒng)主要包括通風管道及擋板兩部分組成,將加熱器和鼓風機吹出來的熱風通過波紋管連接14.4米的通風管道吹向葉尖位置,通過擋板葉尖,然后返回至葉根。

2.2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計 通控制系統(tǒng)包括后臺軟件系統(tǒng)和機組就地控制系統(tǒng)組成,后臺軟件系統(tǒng)手動控制各葉片加熱系統(tǒng)的啟停和數(shù)據(jù)管理,機組就地控制系統(tǒng)自動控制機組各葉片的恒溫和數(shù)據(jù)采集。采用光纖通訊將通風加熱除冰系統(tǒng)控制送至風場控制室。

通風加熱除冰系統(tǒng)結(jié)合分散控制集中管理(DCS)和PLC控制系統(tǒng)的特點,將信號采集和控制置于輪轂控制柜內(nèi),將通風加熱裝置置于葉片內(nèi),形成一個自動溫度系統(tǒng);考慮PTC加熱器的特性,充分發(fā)揮PTC加熱器的保護和溫升調(diào)節(jié)功能。控制器檢測三個葉片的加熱器出口和擋板PT100傳感器的溫度,依據(jù)通風加熱除冰系統(tǒng)內(nèi)部的邏輯,控制鼓風機和加熱器的電源的投切。

圖2 加熱控制系統(tǒng)示意圖

3 葉片氣熱內(nèi)循環(huán)除冰技術(shù)應(yīng)用要求

首先,要求被改造機組屬于直驅(qū)式單軸承內(nèi)轉(zhuǎn)子風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)的機組可以直接從機艙進入輪轂,便于有效獲得發(fā)電機、主軸承的余熱,且加熱通風管布置簡單。其次,要求風電場運營方提前掌握天氣變化情況,當外界環(huán)境溫度接近0℃,空氣濕度80%以上,根據(jù)經(jīng)驗葉片會發(fā)生凝冰,運行人員觀察風速與機組出力明顯不匹配,手動啟動葉片氣熱除冰系統(tǒng)。鼓風機啟動120s,10k W加熱器、20k W加熱器接觸器吸合同時投入加熱,當加熱器出口檢測溫度達至恒溫氣控溫度時,10k W加熱器接觸器斷開退出運行,保留20k W加熱器運行。當加熱器出口檢測溫度達至恒溫氣下限時,20k W加熱器接觸器斷開退出運行,10k W加熱器投入運行,當加熱器出口檢測溫度達至恒溫上限時,10k W加熱器、20k W加熱器接觸器斷開同時退出加熱,當溫度低于下限溫度時,啟動10k W加熱器進行加熱。

4 葉片氣熱內(nèi)循環(huán)除冰系統(tǒng)運行結(jié)果分析

表1 南方某風電場風機運行紅外成像的記錄

通風加熱除冰系統(tǒng)外界環(huán)境溫度大于0攝氏度以上、空氣濕度低于90%的運行環(huán)境及葉片輕微結(jié)冰的時,此時通風加熱除冰系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量大于葉片向周圍環(huán)境釋放的熱量,運投入通風加熱除冰裝置有加速葉片融冰的效果,實際運行的功率曲線和參考曲線基本一致,對風機的運行還是有明顯的效果。每加熱一小時葉尖溫度升高1.2℃左右,葉根升高0.4℃,當達到產(chǎn)生的熱量和釋放的熱量達到平衡時,葉根和葉尖的溫度也不再升高。

當外界溫度不低于-3攝氏度,空氣濕度不大于94%時(線路覆冰8 mm左右),此時加熱除冰系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量和葉片周圍環(huán)境釋放的熱量均等,風機可運行,但是功率曲線稍有偏差,風機葉片除冰系統(tǒng)需長時間投運。運行過程中當葉片向周圍環(huán)境釋放的熱量大于葉片除冰裝置產(chǎn)生的熱量時,葉片會結(jié)冰停機,需要對葉片進行靜態(tài)加熱,加速融化葉片表面的冰塊,重新進行啟動。環(huán)境溫度-3攝氏度,空氣濕度94%的運行條件下,通風加熱除冰系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量和葉片向周圍環(huán)境釋放的熱量基本達到了一個平衡,葉片結(jié)冰后續(xù)要對風機進行停機靜態(tài)加熱除冰后風機能夠啟機。

隨著溫度降低和空氣濕度增大及持續(xù)冰凍等情況,葉片除冰系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量小于葉片向周圍環(huán)境釋放的熱量時,持續(xù)的開啟葉片除冰系統(tǒng)產(chǎn)也不能夠產(chǎn)生加速融化葉片表面的冰塊。

7 結(jié)語

本葉片氣熱內(nèi)循環(huán)除冰技術(shù)屬于表面間接加熱技術(shù),根據(jù)直驅(qū)式單軸承內(nèi)轉(zhuǎn)子風力發(fā)電機組的機構(gòu)特點,并結(jié)合該機型的運行時發(fā)電機、主軸承、輪轂的溫度情況提出。該設(shè)計方式主要是針對在知曉有降溫過程前提前轉(zhuǎn)入葉片加熱狀態(tài),實現(xiàn)機組不停機加熱葉片,主要應(yīng)對克服因霧凇停機,確保機組在輕結(jié)冰期間的連續(xù)運行,以提升機組利用小時。該技術(shù)具有改造成本低、改造工程量小、無需停機加熱、可以連續(xù)運行等優(yōu)點,但加熱時間長、加熱效率低、難以應(yīng)對極端天氣。