趙斌,廖靜,任延杰*,杜小澤

(1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙410114; 2. 華北電力大學(xué)電站能量傳遞轉(zhuǎn)化與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206)

在“雙碳”目標(biāo)戰(zhàn)略背景下,風(fēng)能作為一種清潔高效的可再生能源,具有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力與良好的商業(yè)開(kāi)發(fā)前景.國(guó)際可再生能源署(IRENA)最新數(shù)據(jù)顯示,截至2021年底,全球風(fēng)能發(fā)電裝機(jī)容量高達(dá)823.484 GW,在全球可再生能源裝機(jī)容量中占比達(dá)26.8%.其中,中國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)328.5 GW,占全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量的40.4%.作為全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量最大貢獻(xiàn)國(guó)家,中國(guó)的風(fēng)能利用起步較晚,但仍保持快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)[1].

在大氣熱力效應(yīng)、地形地貌、氣壓梯度力以及科里奧利力共同作用下,國(guó)內(nèi)風(fēng)能資源具有明顯的空間不均衡分布特點(diǎn),其中華北、西北、東北地區(qū)等北方高寒地區(qū)陸上風(fēng)能資源豐富,風(fēng)能利用規(guī)模大.近年來(lái),隨著“千鄉(xiāng)萬(wàn)村馭風(fēng)計(jì)劃”的實(shí)施,分散式風(fēng)電發(fā)展迅速,中南部地區(qū)風(fēng)能利用規(guī)模不斷擴(kuò)大.然而,國(guó)內(nèi)北方高寒地區(qū)和中南部地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)普遍存在冬季冰凍問(wèn)題.

覆冰(也稱(chēng)結(jié)冰)將惡化葉片氣動(dòng)性能,導(dǎo)致風(fēng)能捕獲能力下降,功率損失占比最高達(dá)50%[2],嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)停機(jī),造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失.據(jù)統(tǒng)計(jì),1998—2003年間瑞典共計(jì)發(fā)生1 337例風(fēng)電機(jī)組停機(jī)事故,其中92%的停機(jī)事件與冬季覆冰相關(guān)[3].在湖南省2020年12月的寒潮中,全省共計(jì)83個(gè)風(fēng)電場(chǎng)中高達(dá)85.3%的風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)停機(jī)故障.此外,覆冰可能導(dǎo)致風(fēng)輪氣動(dòng)載荷不平衡,引起風(fēng)力機(jī)部件的疲勞損傷,造成塔架彎曲甚至倒塌,葉片甩冰,威脅人們的生命安全.風(fēng)力機(jī)葉片冬季覆冰問(wèn)題已引發(fā)了業(yè)界的廣泛關(guān)注,是目前風(fēng)電行業(yè)發(fā)展亟須解決的關(guān)鍵問(wèn)題.

風(fēng)力機(jī)葉片覆冰過(guò)程涉及空氣動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)、流體力學(xué)等多種復(fù)雜的物理場(chǎng),受復(fù)雜云霧參數(shù)的影響,覆冰相變過(guò)程復(fù)雜,導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)覆冰機(jī)理復(fù)雜.基于覆冰機(jī)理的研究,研究人員對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片覆冰故障診斷與預(yù)測(cè)方法、風(fēng)力機(jī)防除冰技術(shù)已開(kāi)展了深入而廣泛的研究.文中概述覆冰形成機(jī)理、覆冰類(lèi)型以及覆冰的影響因素,重點(diǎn)分析風(fēng)力機(jī)葉片覆冰故障診斷與預(yù)測(cè)方法存在的問(wèn)題,對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片的防除冰方法與技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)地論述,并探討分析防除冰方法現(xiàn)存的關(guān)鍵問(wèn)題與應(yīng)用現(xiàn)狀.

1 風(fēng)力機(jī)葉片覆冰機(jī)理

1.1 覆冰形成機(jī)理

風(fēng)力機(jī)覆冰主要有2種:過(guò)冷水滴撞擊覆冰與降水覆冰.由于降水覆冰數(shù)值計(jì)算困難,試驗(yàn)難以開(kāi)展,因此,目前風(fēng)力機(jī)葉片覆冰機(jī)理的研究主要集中在過(guò)冷水滴撞擊覆冰.過(guò)冷水滴撞擊覆冰實(shí)質(zhì)是高熵?zé)o序液滴向低熵有序冰晶轉(zhuǎn)變的相變過(guò)程,在低于-40 ℃低溫環(huán)境下,液滴自發(fā)發(fā)生相變覆冰.在-40～0 ℃內(nèi),液滴處于過(guò)冷狀態(tài),覆冰需要克服冰晶成核勢(shì)壘.覆冰過(guò)程包括冰成核、冰生長(zhǎng)與傳播、冰黏附3個(gè)階段.

圖1為風(fēng)力機(jī)葉片覆冰示意圖.

圖1 風(fēng)力機(jī)葉片覆冰示意圖

大氣云層中的冰晶與暖流相遇,溫度上升促使冰晶吸熱相變成過(guò)冷水滴,下落的過(guò)冷水滴撞擊風(fēng)力機(jī)葉片表面冷凝覆冰,受到撞擊的葉片表面提供結(jié)晶核.隨著環(huán)境溫度下降,成核速率加快,當(dāng)液滴溫度達(dá)到成核溫度即發(fā)生覆冰.液滴分子不斷撞擊晶核表面,按照晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接,冰持續(xù)生長(zhǎng)與傳播.上述過(guò)程中伴隨著凝固潛熱的釋放,液滴溫度降低至凍結(jié)溫度后開(kāi)始形成冰晶.

1.2 覆冰類(lèi)型

風(fēng)力機(jī)葉片出現(xiàn)覆冰現(xiàn)象時(shí)的環(huán)境往往存在3種相態(tài)水(水滴、水蒸氣、冰晶),并且具有較高濕度以及較高風(fēng)速等氣象特點(diǎn).隨著覆冰時(shí)間的增加,翼型表面過(guò)冷水滴不斷發(fā)生撞擊、反彈、鋪展、黏附等動(dòng)力學(xué)行為,冰晶持續(xù)生長(zhǎng)與傳播導(dǎo)致覆冰形狀、厚度、位置出現(xiàn)差異,覆冰前后翼型周?chē)鲌?chǎng)變化共同決定了風(fēng)力機(jī)葉片的覆冰類(lèi)型,風(fēng)力機(jī)葉片覆冰類(lèi)型如表1所示,表中T為覆冰溫度,ρ為密度,d為液滴直徑.表1體現(xiàn)了覆冰類(lèi)型對(duì)研究風(fēng)力機(jī)葉片覆冰機(jī)理具有重要意義.

表1 風(fēng)力機(jī)葉片覆冰類(lèi)型

風(fēng)力機(jī)葉片覆冰類(lèi)型主要分為云內(nèi)覆冰與降水覆冰.云內(nèi)覆冰分為霜冰、明冰和混合冰3種,降水覆冰分為凍雨和濕雪2種.具體特點(diǎn)如下:

1) 霜冰是過(guò)冷水滴撞擊0 ℃以下的葉片表面時(shí)瞬間凝結(jié)而成,其形成過(guò)程通常具有液態(tài)水含量低、環(huán)境溫度低的特點(diǎn).由于過(guò)冷水滴撞擊葉片表面過(guò)程中,過(guò)冷水滴分子撞擊瞬間凍結(jié),冰晶內(nèi)部?jī)鼋Y(jié)液滴分子之間存在較大間隙,因此霜冰具有重量輕、晶體疏松的特點(diǎn).霜冰條件下,翼型前緣區(qū)域形成形狀規(guī)則、狹窄的冰層,該冰層呈干增長(zhǎng)方式且表面粗糙.冰形粗糙度造成翼型背風(fēng)面失速提前,后緣區(qū)域失速加深,升力系數(shù)減小,損失氣動(dòng)性能.

2) 明冰是在大直徑水滴、高液態(tài)水含量的氣象條件下,瞬時(shí)覆冰與非瞬時(shí)覆冰同時(shí)發(fā)生而形成.部分液滴撞擊翼型表面瞬間覆冰,其余液滴形成水膜向后緣區(qū)域流動(dòng).因此,距離翼型前緣一定距離區(qū)域形成不規(guī)則的雙角狀冰.隨著覆冰時(shí)間增加,明冰呈濕增長(zhǎng)方式,在結(jié)構(gòu)致密的堅(jiān)硬冰層上生長(zhǎng)與傳播,水滴收集區(qū)域擴(kuò)大,覆冰厚度增加,覆冰重心后移.明冰條件下,翼型表面下游失速加深,出現(xiàn)明顯流場(chǎng)分離,容易增加翼型不對(duì)稱(chēng)的機(jī)械載荷,造成塔架彎曲,對(duì)大型風(fēng)力機(jī)的危害更加明顯.

3) 混合冰是霜冰、明冰共混的一種冰層,過(guò)冷水滴撞擊風(fēng)力機(jī)葉片表面覆冰過(guò)程中,部分呈干增長(zhǎng)方式,部分呈濕增長(zhǎng)方式,因此同時(shí)具有霜冰、明冰覆冰特征,嚴(yán)重威脅了大型風(fēng)電機(jī)組的正常穩(wěn)定運(yùn)行.

4) 凍雨是一種特殊降水覆冰,覆冰形成過(guò)程復(fù)雜.冰晶層的水汽凝結(jié)物冷卻形成冰晶、雨雪,其下降到暖層過(guò)程中吸熱形成過(guò)冷水滴.過(guò)冷水滴持續(xù)下降到冷層,碰撞0 ℃以下的風(fēng)力機(jī)葉片表面后發(fā)生覆冰.

5) 濕雪是一種固液兩相共存的冰層.環(huán)境溫度達(dá)到0 ℃以上,雨雪中部分冰晶吸熱融化,碰撞到0 ℃以下的風(fēng)力機(jī)葉片表面重新凍結(jié)粘黏覆冰.

由于降水覆冰的冰晶黏結(jié)率、堆積率大于云內(nèi)覆冰,因此凍雨、濕雪的密度、黏附力、除冰難度都大于云內(nèi)覆冰類(lèi)型.

1.3 覆冰的影響因素

風(fēng)力機(jī)葉片覆冰的影響因素主要分為大氣環(huán)境參數(shù)與葉片狀態(tài)參數(shù).大氣環(huán)境參數(shù)主要有:風(fēng)速、環(huán)境溫度、液態(tài)水含量、水滴平均直徑、覆冰時(shí)間等;翼型狀態(tài)參數(shù)主要有:葉尖速比、攻角、厚度等[4].

1) 葉尖速比與攻角.當(dāng)風(fēng)力機(jī)處于低葉尖速比狀態(tài)時(shí),翼型表面覆冰厚度均勻,覆冰形狀規(guī)則.隨著葉尖速比增加,翼型表面覆冰厚度、質(zhì)量增加,翼型前緣區(qū)域上下表面開(kāi)始出現(xiàn)不規(guī)則、不對(duì)稱(chēng)覆冰[5].相同條件下,隨著攻角增加,水收集系數(shù)增加,覆冰區(qū)域面積擴(kuò)大.當(dāng)風(fēng)力機(jī)保持大攻角狀態(tài),發(fā)生氣流分離、渦旋,達(dá)到臨界葉尖速比時(shí),出現(xiàn)嚴(yán)重動(dòng)態(tài)失速,在翼型前緣區(qū)域形成不規(guī)則冰層[6].翼型表面流場(chǎng)分布、壓力分布受到擾亂,升力系數(shù)減小,阻力系數(shù)增加,功率系數(shù)減小,嚴(yán)重危害氣動(dòng)性能.

2) 環(huán)境溫度.在環(huán)境溫度降低過(guò)程中,凍結(jié)系數(shù)增加,翼型表面覆冰質(zhì)量增加,覆冰區(qū)域由葉根向葉尖移動(dòng)[7].低溫條件下,由于過(guò)冷水滴形成的水膜流動(dòng)性差,因此,覆冰重心靠前,主要集中在翼型前緣區(qū)域.朱程香等[8]針對(duì)商用風(fēng)力機(jī)(NACA63618),基于Messinger控制容積模型模擬翼型表面覆冰生長(zhǎng).研究表明,環(huán)境溫度影響覆冰類(lèi)型,較低溫時(shí)形成霧凇,較高溫形成雨凇.HOMOLA等[9]以5 MW定槳距風(fēng)力機(jī)(NACA64618)為研究對(duì)象,探究葉片表面覆冰生長(zhǎng)規(guī)律.研究表明,環(huán)境溫度影響覆冰形狀,較低溫形成流向冰,稍高溫以角狀冰為主.

3) 水滴平均直徑與風(fēng)速.過(guò)冷水滴平均直徑越大,其質(zhì)量與慣性力越大.過(guò)冷水滴平均直徑小或風(fēng)速小時(shí),少量過(guò)冷水滴撞擊翼型表面,其余過(guò)冷水滴形成的水膜沿翼型軌跡線(xiàn)向翼型后緣區(qū)域流動(dòng),運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷黏附翼型表面并沉積成冰,嚴(yán)重影響覆冰形狀;過(guò)冷水滴平均直徑大或風(fēng)速大時(shí),局部撞擊水滴數(shù)量增加,水收集系數(shù)增加,翼型表面覆冰質(zhì)量增加,覆冰區(qū)域面積擴(kuò)大.當(dāng)環(huán)境溫度保持不變,低風(fēng)速向高風(fēng)速轉(zhuǎn)變過(guò)程中,對(duì)凍結(jié)系數(shù)的影響變小,對(duì)水收集系數(shù)影響變大,因此,隨著覆冰時(shí)間增加,翼型表面覆冰質(zhì)量、厚度變化不大[10].

4) 液態(tài)水含量.空氣中的液態(tài)水含量是影響風(fēng)力機(jī)葉片覆冰的主要因素,氣象學(xué)上一般采用液態(tài)水含量表征覆冰程度.隨著液態(tài)水含量增加,總撞擊水滴數(shù)量增加.當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí),過(guò)冷水滴覆冰速率增加,翼型表面覆冰質(zhì)量增加,氣動(dòng)性能不斷惡化.相同條件下,液態(tài)水含量越高,葉尖區(qū)域角狀冰不斷生長(zhǎng),翼型迎風(fēng)面與前緣區(qū)域覆冰質(zhì)量增加,水滴收集區(qū)域后移,覆冰區(qū)域面積不斷擴(kuò)大.舒立春等[11]利用人工環(huán)境室研究液態(tài)水含量、環(huán)境溫度、風(fēng)速對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片表面覆冰生長(zhǎng)影響規(guī)律.當(dāng)環(huán)境溫度與風(fēng)速保持不變,液態(tài)水含量從8 g/m3增加到24 g/m3,葉片前緣區(qū)域和迎風(fēng)面覆冰質(zhì)量從10 g增加到27 g,葉尖冰錐長(zhǎng)度從9 mm增加到31 mm.

5) 葉片厚度.在環(huán)境溫度與風(fēng)速保持不變的情況下,隨著葉片厚度增加,撞擊水滴數(shù)量增加.過(guò)冷水滴形成水膜沿翼型表面軌跡線(xiàn)流動(dòng)過(guò)程中,與翼型前緣區(qū)域相比,翼型后緣區(qū)域出現(xiàn)渦旋、分離現(xiàn)象.因此,覆冰重心后移,翼型表面后緣區(qū)域覆冰質(zhì)量、厚度增加.于東瑋等[12]基于FENSAP-ICE數(shù)值模擬雨凇環(huán)境下的風(fēng)力機(jī)葉片覆冰過(guò)程,探究不同葉片厚度對(duì)覆冰質(zhì)量與厚度的影響規(guī)律.研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)葉片相對(duì)厚度從12.20%增加到35.59%,覆冰質(zhì)量從2.107 kg增加到5.987 kg,覆冰厚度從0.023 2 m增加到0.048 2 m.

2 風(fēng)力機(jī)葉片覆冰故障診斷與預(yù)測(cè)

現(xiàn)階段大型風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子高度超過(guò)100 m,葉片尖端高度高達(dá)200 m,未來(lái)有望研發(fā)更大尺寸葉片.冬季覆冰情況下,與傳統(tǒng)能源機(jī)組(火電、水電)相比,高空風(fēng)力機(jī)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜且惡劣,輸入來(lái)流條件受復(fù)雜云霧參數(shù)影響,運(yùn)行情況下風(fēng)力機(jī)狀態(tài)參數(shù)數(shù)量多、隨機(jī)性強(qiáng)、波動(dòng)范圍寬,風(fēng)力機(jī)載荷復(fù)雜多變.國(guó)內(nèi)風(fēng)能利用呈現(xiàn)大型化趨勢(shì),風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)裝機(jī)容量由兆瓦型向多兆瓦型發(fā)展.大型風(fēng)電機(jī)組耦合多個(gè)部件,結(jié)構(gòu)復(fù)雜.隨著運(yùn)行時(shí)間增加,覆冰風(fēng)電機(jī)組的故障問(wèn)題日益突出.亟須尋求精準(zhǔn)科學(xué)的風(fēng)力機(jī)葉片覆冰故障診斷與預(yù)測(cè)策略.

國(guó)內(nèi)外在風(fēng)力機(jī)葉片覆冰故障診斷與預(yù)測(cè)領(lǐng)域的研究主要集中在以下2個(gè)方面:一是風(fēng)力機(jī)葉片覆冰故障診斷,二是風(fēng)力機(jī)葉片覆冰故障預(yù)測(cè).其中,故障診斷是通過(guò)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)與歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,判斷是否超過(guò)限定閾值,智能識(shí)別故障發(fā)生類(lèi)型、故障發(fā)生位置、故障發(fā)生原因等,并提供維護(hù)決策;故障預(yù)測(cè)是基于風(fēng)電機(jī)組的歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),評(píng)估并預(yù)測(cè)當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行性能與故障趨勢(shì).

2.1 風(fēng)力機(jī)葉片覆冰故障診斷

國(guó)內(nèi)外很多大型風(fēng)電場(chǎng)通常配置了防除冰系統(tǒng),能夠有效改善冬季葉片覆冰問(wèn)題,降低經(jīng)濟(jì)損失,避免安全事故.然而,工程實(shí)際中,更大的技術(shù)難題在于如何構(gòu)建精準(zhǔn)科學(xué)的覆冰故障診斷系統(tǒng),以此通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)參數(shù),在覆冰情況進(jìn)一步惡化之前,實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的及時(shí)除冰.目前風(fēng)力機(jī)葉片覆冰故障診斷領(lǐng)域研究主要集中在2個(gè)方面:

1) 基于葉片氣動(dòng)特性進(jìn)行故障診斷.王鵬[13]針對(duì)2.5 MW覆冰風(fēng)力機(jī)進(jìn)行有限元模擬與風(fēng)洞測(cè)試,探究覆冰厚度與板波各模態(tài)群速度的關(guān)系,提出了一種新型超聲波技術(shù)覆冰故障診斷的方法,驗(yàn)證了超聲波技術(shù)進(jìn)行故障診斷的科學(xué)高效性.李錄平等[14]基于WiFi傳輸風(fēng)力機(jī)振動(dòng)信號(hào),提取模態(tài)振型曲率和模態(tài)振型曲率作為特征指標(biāo),建立了覆冰故障診斷模型,進(jìn)行覆冰區(qū)域、厚度測(cè)試,驗(yàn)證了構(gòu)建的故障診斷模型的可靠性與精確性,滿(mǎn)足工程要求.該方法需要借助多種傳感器直接檢測(cè)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行參數(shù),設(shè)備昂貴導(dǎo)致投入成本過(guò)高.同時(shí)直接檢測(cè)缺少算法計(jì)算與分析處理,精確性低.設(shè)備使用依賴(lài)大量專(zhuān)業(yè)知識(shí)與豐富工程經(jīng)驗(yàn),難以大范圍推廣.

2) 基于數(shù)據(jù)挖掘進(jìn)行故障診斷.PENG等[15]基于KNN(K近鄰算法)模型,提出一種改進(jìn)的過(guò)采樣平衡算法,將少數(shù)類(lèi)樣本人工合成新樣本添加到數(shù)據(jù)集中,解決樣本不均衡的問(wèn)題.試驗(yàn)驗(yàn)證了該算法進(jìn)行風(fēng)力機(jī)葉片覆冰故障診斷的精確性.TONG等[16]基于SVDD(向量數(shù)據(jù)描述)模型,開(kāi)發(fā)一種創(chuàng)新的自適應(yīng)加權(quán)策略,將自適應(yīng)加權(quán)策略耦合傳統(tǒng)固定加權(quán)策略,克服傳統(tǒng)的加權(quán)核極限學(xué)習(xí)機(jī)在解決數(shù)據(jù)不平衡分類(lèi)與覆冰故障診斷不足的缺點(diǎn).該方法原始樣本中存在數(shù)據(jù)異常、數(shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)比例不均勻的問(wèn)題.其中,覆冰故障數(shù)據(jù)占比非常小,容易造成覆冰故障數(shù)據(jù)識(shí)別低的情況,嚴(yán)重影響覆冰故障診斷的精確性.因此,有必要針對(duì)原始樣本進(jìn)行分類(lèi)處理.若能改進(jìn)智能算法解決樣本數(shù)據(jù)類(lèi)不均衡的問(wèn)題,提取多種敏感特征值,探究特征值之間的隱含的關(guān)聯(lián),將提高覆冰故障診斷與預(yù)測(cè)的精確性與可靠性.

2.2 風(fēng)力機(jī)葉片覆冰故障預(yù)測(cè)

作為一個(gè)多部件耦合的龐大設(shè)備裝置,風(fēng)電機(jī)組覆冰容易發(fā)生故障.通過(guò)建立精準(zhǔn)科學(xué)的故障預(yù)測(cè)模型,在線(xiàn)評(píng)估風(fēng)電機(jī)組的性能以及預(yù)測(cè)設(shè)備壽命,提供預(yù)防性維護(hù)策略,從而提高風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行安全性與可靠性.

目前風(fēng)力機(jī)葉片覆冰故障預(yù)測(cè)領(lǐng)域研究主要集中在3個(gè)方面:一是基于葉片氣動(dòng)特性的覆冰故障預(yù)測(cè),即在覆冰形成機(jī)理基礎(chǔ)上,提取表征葉片覆冰程度的特征值,如噪聲、振動(dòng)頻率、溫度、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)力機(jī)輸出功率、風(fēng)速等,基于SCADA(supervisory control and data acquisition)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行參數(shù),實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)葉片的覆冰故障預(yù)測(cè);二是基于數(shù)學(xué)模型的覆冰預(yù)測(cè),通過(guò)小波分析提取特征值,建立特征值的概率模型,利用殘差置信區(qū)間法分析特征值,基于最小二乘法建立計(jì)算矩陣并優(yōu)化等輸出預(yù)測(cè)值,預(yù)測(cè)值與監(jiān)測(cè)值進(jìn)行殘差趨勢(shì)分析,判斷是否超過(guò)限定閾值實(shí)現(xiàn)葉片覆冰故障預(yù)測(cè);三是基于數(shù)據(jù)挖掘的覆冰預(yù)測(cè),基于SCADA中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),利用算法智能挖掘大樣本數(shù)據(jù)中的故障信息,有效解決覆冰故障數(shù)據(jù)作為小樣本數(shù)據(jù),與正常數(shù)據(jù)之間的樣本不均衡情況,提高風(fēng)力機(jī)葉片覆冰故障預(yù)測(cè)的精確性.在3種覆冰故障預(yù)測(cè)方法中,建立數(shù)學(xué)模型法采集的樣本數(shù)據(jù)少,模型精確性不高.若應(yīng)用到其他設(shè)備時(shí),需要重新調(diào)整模型參數(shù),因此該方法可推廣性弱、普適性差.基于數(shù)據(jù)挖掘方法中模型的選取對(duì)覆冰故障預(yù)測(cè)的精確性與可靠性至關(guān)重要.不同模型的對(duì)比效果見(jiàn)表2,表中F1值為精確率和召回率的調(diào)和平均數(shù).利用錯(cuò)誤率e、精確率a、召回率r以及F1值來(lái)評(píng)價(jià)模型質(zhì)量的優(yōu)劣.其中,F1值越高,所選模型精確率越高,模型質(zhì)量越好,更加適合風(fēng)力機(jī)葉片覆冰故障預(yù)測(cè).

表2 不同模型的對(duì)比效果

3 風(fēng)力機(jī)葉片防除冰方法與技術(shù)

防除冰技術(shù)包括防冰技術(shù)與除冰技術(shù),防冰技術(shù)是在風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)覆冰問(wèn)題之前,采取積極措施延緩葉片表面覆冰,抑制表面冰層的生長(zhǎng)與傳播;除冰技術(shù)是在風(fēng)電機(jī)組覆冰程度超過(guò)限定閾值時(shí),運(yùn)用相關(guān)技術(shù)手段,除去葉片表面的白霜、積雪、冰晶等.

3.1 防冰技術(shù)

3.1.1 超疏水涂層法

風(fēng)力機(jī)葉片表面涂層發(fā)揮超疏水性能,通過(guò)延遲凍結(jié)時(shí)間、降低冰附著力,能夠有效抑制葉片表面覆冰生長(zhǎng)與傳播.現(xiàn)階段已見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道的超疏水涂層材料包括氟改性樹(shù)脂、聚丙烯酸酯等.氟改性樹(shù)脂主要包括聚偏氟乙烯(PVDF)與三氟氯乙烯(FEVE).其中,PVDF材料具有優(yōu)異耐候性、耐粉化的特點(diǎn),材料服役壽命高達(dá)20 a.然而,PVDF材料需要高溫烘干固化,加工過(guò)程復(fù)雜;FEVE具有常溫固化的優(yōu)良特性,加工過(guò)程簡(jiǎn)化,可直接噴涂于大尺寸器件表面.丙烯酸樹(shù)脂具有優(yōu)異耐候性、耐腐蝕性、黏結(jié)性.但其耐磨性、疏水性較差,因此常用作風(fēng)力機(jī)葉片超疏水涂層底漆.工程實(shí)際中,由于自然環(huán)境中風(fēng)沙、雨雪的沖刷,超疏水表面的微納米粗糙結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊與摩擦,不斷磨損表面低表面能物質(zhì),涂層超疏水性能失效明顯,涂層與葉片表面黏結(jié)性與耐磨性差,需要頻繁修復(fù).除此以外,多元化應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)超疏水涂層的性能提出更高要求,多功能超疏水涂層的研發(fā)成為亟須解決的重要問(wèn)題.首先,需要在分子層面探究冰晶形成過(guò)程,揭示不同超疏水表面的冰成核、冰生長(zhǎng)與傳播、冰黏附作用機(jī)制;其次,提高超疏水涂層的耐候性、耐磨性及多功能性將成為抑制葉片表面覆冰生長(zhǎng)與傳播的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題.近年來(lái),研究人員開(kāi)發(fā)了多種多功能超疏水涂層.其中,超潤(rùn)滑/超疏水涂層利用其優(yōu)異自潤(rùn)滑特性,降低冰附著力實(shí)現(xiàn)有效防冰[17];光/電熱型超疏水涂層的高導(dǎo)熱/電率能夠提高葉片表面溫度,實(shí)現(xiàn)主動(dòng)除冰[18];超耐磨/超疏水涂層能夠有效抵抗風(fēng)沙、水射流等沖擊摩擦,延長(zhǎng)涂層服役壽命,降低修復(fù)頻率,進(jìn)一步推動(dòng)超疏水涂層的工程應(yīng)用[19].綜上,基于超疏水表面覆冰特性研究,突破超疏水涂層領(lǐng)域的科學(xué)問(wèn)題,研發(fā)適用于復(fù)雜環(huán)境的多功能超疏水涂層,已成為風(fēng)力機(jī)葉片防除冰方法與技術(shù)的重要研究方向.

3.1.2 光熱涂料法

在風(fēng)力機(jī)葉片表面噴涂光熱涂料,在可見(jiàn)光下充分發(fā)揮光熱轉(zhuǎn)換特性,充分吸收太陽(yáng)輻射,提高葉片表面溫度,延緩表面冰層的形成時(shí)間,起到一定程度的防冰作用.同時(shí),操作簡(jiǎn)單,不用引入其他復(fù)雜體系,且可以適用于在役葉片,成本相對(duì)較低.光熱涂料的應(yīng)用具有顯著的地域局限性,只能應(yīng)用在低覆冰頻率、短覆冰期、環(huán)境溫度在0 °C以上或強(qiáng)太陽(yáng)輻射地區(qū),一定的時(shí)間年限需要進(jìn)行維護(hù),且冬季無(wú)法有效防冰,夏季卻有葉片過(guò)熱的危險(xiǎn).

3.1.3 化學(xué)溶劑法

在風(fēng)力機(jī)葉片表面通過(guò)噴涂化學(xué)溶劑降低冰的凝固點(diǎn),能夠緩解表面覆冰以及加速表面融冰,除冰效率相對(duì)較高,但無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間停留在葉片表面,不能完全抑制覆冰或主動(dòng)除冰.常見(jiàn)的化學(xué)溶劑有甲醇、乙醇、乙烯乙二醇,其有效防冰時(shí)間短,需要定期維護(hù).現(xiàn)階段防冰成本過(guò)高,且由于脫冰會(huì)造成環(huán)境污染,該技術(shù)目前主要用于飛機(jī)覆冰,無(wú)法廣泛應(yīng)用在風(fēng)力機(jī)防冰.

3.2 除冰技術(shù)

3.2.1 電加熱法

傳統(tǒng)電加熱技術(shù)通過(guò)葉片導(dǎo)熱層中的電阻絲發(fā)熱元件直接加熱葉片,撞擊葉片表面的過(guò)冷水滴溫度被加熱到0 ℃以上,無(wú)法在葉片表面凍結(jié)成冰,從而達(dá)到除冰效果.傳統(tǒng)電熱除冰結(jié)構(gòu)以金屬元件為主,存在能耗高、加熱效率較低、與葉片材料的相容性較差、結(jié)構(gòu)/功能難以一體化、損傷容限低等缺陷,不能滿(mǎn)足新一代電熱除冰系統(tǒng)的需求[20].傳統(tǒng)電加熱除冰系統(tǒng)加熱區(qū)域?yàn)槿咳~片,然而不同區(qū)域覆冰程度存在差異,平均加熱容易造成熱能浪費(fèi),除冰能耗過(guò)高且發(fā)電效率低.為了實(shí)現(xiàn)熱能合理分配,眾多學(xué)者針對(duì)分區(qū)加熱進(jìn)行了大量科學(xué)研究.研究發(fā)現(xiàn),翼型前緣區(qū)域和迎風(fēng)面覆冰最嚴(yán)重,葉尖覆冰嚴(yán)重影響氣動(dòng)性能,葉根覆冰對(duì)氣動(dòng)性能影響較小,且前緣區(qū)域30%的無(wú)冰狀態(tài)即可保持翼型90%的氣動(dòng)性能[21].舒立春等[22]以300 kW風(fēng)力機(jī)(S820)為研究對(duì)象,對(duì)葉片迎風(fēng)面進(jìn)行數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),設(shè)計(jì)電加熱循環(huán)防除冰系統(tǒng),集中加熱前緣區(qū)域,循環(huán)加熱其他覆冰區(qū)域,與傳統(tǒng)電熱法相比,能夠節(jié)省25.9%的電能消耗.

為了防止局部過(guò)熱對(duì)葉片材料造成損傷,限制葉片表面溫度不能超過(guò)60 ℃.傳統(tǒng)電加熱法除冰技術(shù)主要利用電阻絲作為加熱元件,電阻絲與葉片蒙皮界面結(jié)合力差,熱傳導(dǎo)效率低,受熱不均勻,易造成葉片材料損傷.與電阻絲發(fā)熱元件相比,相同加熱時(shí)間條件下,高分子電熱膜(PI膜、石墨烯加熱膜、紅外線(xiàn)加熱膜等)利用其良好的界面結(jié)合力,降低傳熱熱阻,傳熱效率更高,表面溫度峰值更高,溫度分布更均勻.其中,石墨烯因優(yōu)越的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能,在高分子電熱膜除冰領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景.田甜等[23]以電阻絲與石墨烯加熱膜作為加熱元件,研究熱流密度與溫度對(duì)電加熱除冰的影響規(guī)律.相同熱流密度條件下,石墨烯達(dá)到溫度峰值更高,升溫速率更快,驗(yàn)證了石墨烯加熱膜作為電加熱除冰加熱元件的優(yōu)越性.

3.2.2 氣熱法

與電加熱除冰技術(shù)的直接加熱葉片不同,氣熱除冰技術(shù)通過(guò)循環(huán)加熱氣流除冰.氣熱法除冰系統(tǒng)主要包括加熱器、鼓風(fēng)機(jī)、導(dǎo)風(fēng)管道、擋風(fēng)板等,圖2為氣熱法除冰工作示意圖[24].葉根區(qū)域處加熱器加熱氣流,鼓風(fēng)機(jī)將熱氣流沿箭頭方向經(jīng)由導(dǎo)風(fēng)管道運(yùn)輸?shù)饺~尖區(qū)域,葉片內(nèi)腔的熱氣流循環(huán)使葉片表面被加熱到0 ℃以上,過(guò)冷水滴與葉片發(fā)生熱交換,延緩液滴凍結(jié)時(shí)間,達(dá)到除冰效果.葉片內(nèi)腔的熱氣流循環(huán)能夠兼顧加熱前緣區(qū)域與中后緣區(qū)域,并且在導(dǎo)風(fēng)管出口安裝擋風(fēng)板,阻止熱氣流回流,能夠重點(diǎn)加熱前緣區(qū)域.王昭力等[24]以2 MW風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象,開(kāi)展氣熱除冰試驗(yàn)研究,結(jié)合12支溫度傳感器與紅外熱像儀獲取葉片表面溫度分布.研究表明,葉片前緣最高溫度達(dá)38 ℃,距離前緣20 m處最高溫度達(dá)32 ℃,距離前緣40 m處最高溫度達(dá)25 ℃,可滿(mǎn)足重點(diǎn)加熱葉片前緣覆冰區(qū)域,兼顧葉片中后緣的除冰要求.呂慶等[25]基于氣熱除冰原理設(shè)計(jì)HAS系統(tǒng),進(jìn)行地面試驗(yàn)與掛機(jī)試驗(yàn).研究表明,在-10～0 ℃條件下,該氣熱除冰系統(tǒng)40 min左右開(kāi)始融冰,120 min左右除冰結(jié)束.除冰過(guò)程中,葉片表面溫度達(dá)到0 ℃以上.該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠,除冰效果顯著.

圖2 氣熱法除冰工作示意圖

Enercon公司一直致力于氣熱法除冰技術(shù)的研究.然而,氣熱法存在高能耗、長(zhǎng)延遲時(shí)間等缺點(diǎn),逐漸將電加熱法作為研發(fā)重點(diǎn).采用單一電熱法除冰使葉片表面溫度加熱到0 ℃以上,延緩液滴凍結(jié)時(shí)間;加熱葉片表面到100 ℃促使液滴蒸發(fā)達(dá)到除冰效果.若設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)葉片表面局部涂覆超疏水涂層,液滴將在涂層表面回流、鋪展.與高耗能的蒸發(fā)模式相比,電加熱法耦合超疏水涂層將有效降低能耗.GAO等[26]針對(duì)翼型DU91-W2-250在覆冰隧道開(kāi)展除冰試驗(yàn)研究.研究表明,電加熱元件僅覆蓋葉片前緣區(qū)域5%～10%,超疏水涂層覆蓋風(fēng)力機(jī)葉片表面,能夠?qū)崿F(xiàn)葉片無(wú)冰目標(biāo).與單一電加熱法除冰系統(tǒng)相比,節(jié)省了90%電力損耗.但是,氣熱技術(shù)具有初始造價(jià)高、除冰能耗大等諸多缺點(diǎn)[27].為了保證氣熱除冰的有效性,工程上的氣熱除冰系統(tǒng)一般處于滿(mǎn)功率運(yùn)行狀態(tài),能耗較高.基于現(xiàn)有研究,預(yù)測(cè)未來(lái)將開(kāi)發(fā)混合防除冰技術(shù),結(jié)合多種防除冰技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),尋找低碳環(huán)保且經(jīng)濟(jì)高效的防冰策略,解決風(fēng)力機(jī)葉片表面覆冰問(wèn)題.

3.2.3 電磁波束法

電磁波束法除冰分為微波法除冰、電磁脈沖法除冰、激光除冰.微波除冰技術(shù)主要通過(guò)加快翼型表面分子熱運(yùn)動(dòng),提高風(fēng)力機(jī)葉片表面溫度,達(dá)到融冰效果;電磁脈沖技術(shù)對(duì)電磁圈進(jìn)行持續(xù)通電、斷電操作,利用電磁感應(yīng)原理振動(dòng)除冰.上述2種方法可能會(huì)擾亂翼型表面流場(chǎng)分布,惡化氣動(dòng)性能,同時(shí)帶來(lái)雷擊隱患,暫未在風(fēng)力機(jī)葉片除冰領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用.目前,電磁脈沖法除冰技術(shù)只在飛機(jī)除冰上成功應(yīng)用,國(guó)內(nèi)的研究較少[28].激光除冰具有遠(yuǎn)距離、定向、非接觸除冰、高除冰效率、大面積除冰的特點(diǎn),高功率激光光束照射在覆冰層,厚冰層吸收輻射能量快速融化或升華,并經(jīng)激光切割成冰小塊,在自然風(fēng)力、重力作用下實(shí)現(xiàn)自然除冰.因此,激光除冰方法能夠作為一種重要的除冰技術(shù)廣泛應(yīng)用于風(fēng)力機(jī)葉片除冰領(lǐng)域.

3.2.4 超聲波法

超聲波技術(shù)工作原理是板波和水平剪切波2種導(dǎo)波在風(fēng)力機(jī)葉片表面?zhèn)鞑?圖3為復(fù)合板與冰層接觸面上剪切應(yīng)力示意圖[29],在這3種應(yīng)力中,τzx,τyz的作用是除冰,而τxy的作用是破冰.

圖3 復(fù)合板與冰層接觸面上剪切應(yīng)力示意圖

顏健等[30]通過(guò)搭建風(fēng)力機(jī)葉片超聲波除冰試驗(yàn)平臺(tái),針對(duì)內(nèi)嵌壓電陶瓷片葉片進(jìn)行模態(tài)分析,基于曲率模態(tài)理論提取覆冰區(qū)域、厚度參數(shù)表征葉片覆冰狀態(tài),利用超聲波剪切應(yīng)力實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)葉片除冰;郭文峰等[31]開(kāi)展覆冰風(fēng)洞試驗(yàn)研究,探究超聲波產(chǎn)生的微振動(dòng)對(duì)鋁板表面覆冰區(qū)域、厚度的影響規(guī)律.研究表明,超聲波技術(shù)能夠抑制覆冰生長(zhǎng)與傳播.此外,現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn),在超聲波作用下液滴能夠?qū)崿F(xiàn)從Wenzel狀態(tài)向Cassie狀態(tài)轉(zhuǎn)換,使得涂層材料具有可再生性能,降低涂層的修復(fù)頻率與成本,這為風(fēng)力機(jī)葉片防除冰方法與技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路.目前,該除冰技術(shù)主要應(yīng)用于飛機(jī)的除冰,并未普遍應(yīng)用于風(fēng)力機(jī)葉片的除冰.

3.2.5 機(jī)械法

機(jī)械法除冰是一項(xiàng)效率高、無(wú)能耗的除冰技術(shù),因而得到了廣泛應(yīng)用.與能耗高的電加熱法、氣熱法除冰相比,即使只有3%的除冰效率,也能達(dá)到30～100倍的除冰效果.機(jī)械法除冰主要分為人工除冰與機(jī)械設(shè)備除冰2種,其中人工除冰只能在停機(jī)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn),且葉根區(qū)域振動(dòng)效果不佳,同時(shí)存在甩冰的安全隱患.機(jī)械設(shè)備(活動(dòng)氣囊、氣動(dòng)帶)除冰工作原理是向機(jī)械設(shè)備中壓縮氣體促使表面冰層破裂,在重力、離心力作用下實(shí)現(xiàn)自然除冰.然而,葉片表面設(shè)備安裝將惡化葉片氣動(dòng)性能,且存在雷擊風(fēng)險(xiǎn).

4 結(jié) 論

綜述了覆冰形成機(jī)理、覆冰類(lèi)型以及覆冰的影響因素,回顧了風(fēng)力機(jī)葉片覆冰故障診斷與預(yù)測(cè)的研究進(jìn)展,對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片防除冰方法與技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀、存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析.以下關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題有待進(jìn)一步探索.

1) 改進(jìn)智能算法分類(lèi)處理原始樣本,提取多種敏感特征值,探究特征值之間的隱含的關(guān)聯(lián),解決樣本數(shù)據(jù)類(lèi)不均衡的問(wèn)題將提高覆冰故障診斷與預(yù)測(cè)的精確性與可靠性.

2) 混合防除冰技術(shù)結(jié)合了多種防除冰技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),更加環(huán)保低碳經(jīng)濟(jì)高效,能夠有效解決風(fēng)力機(jī)葉片表面覆冰問(wèn)題,能夠?yàn)闈窭涞貐^(qū)風(fēng)電場(chǎng)防除冰技術(shù)的發(fā)展提供借鑒和指導(dǎo).