(五凌电力有限公司宁夏事业部 宁夏银川 750000)
摘要：我国幅员辽阔，一些风电场处于湿度大以及气温低的环境中，则就容易出现叶片结冰的问题，导致其质量受到了影响，基于此，本文论述了风电机组覆冰运行方式的优化，力图提升风电机组的质量。
关键词：风电机组；覆冰；方式
引言
风能是一种清洁可再生能源，风力发电是最具商业化利用价值的新能源项目。截至2015年年底，全球风电累计装机容量达到432419MW，累计年增长率达到17%，中国累计装机容量达到145.1GW。
1、叶片覆冰情况分析
环境气温在零度左右时的大雾及冻雨天气是造成风机叶片覆冰的主要原因。此时的风机叶片会触碰到较低的云层。叶片覆冰初期，叶片表面有薄冰形成，会导致风机出力不足、风速与功率不匹配现象；当叶片覆冰严重时，因叶片表面形成的不规则覆冰，改变了叶片的气动外形，从而导致了叶片失速可能比设计预期提前或延后。那么变桨控制也会随之做出错误判断。发电功率出现较大幅度的振荡，并随覆冰程度直至衰减到零功率运行。（叶片覆冰所引起的风机出力不足，不属于风机降容运行，风机的发电机转矩不会随之发生变化）。
2、风电机组覆冰运行方式的优化
2.1、选择合适的材料
随着新材料技术的飞速进步，超级疏水表面材料的涂层已成为研究热点；如通过喷砂和热液处理，在叶片表面涂层FAS-17（Ti6Al4V合金和氟烷基硅），表面接触角达161◦，摩擦角3◦。又如采用原子转移自由基引发聚合，将含氟/硅单体制备成超级疏水性材料，接触角为170.3◦，滞后接触角低于3◦，降低了水的结晶点达6.8℃，结冰时间从196s延长至10054s。基于氟树脂的优异性能，聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚氟乙烯（PVF）的涂层最具有实用价值，已成为防冰/除冰领域的研究主流，是解决防/去覆冰问题的有效的、公认的材料，其优异的性能能满足户外复杂气候变化的要求。聚四氟乙烯树脂如PVDF或PTFE树脂，虽然有耐溶剂、耐热性、耐气候性等优点，但其固化需要高温（360℃）处理。FEVE树脂（氟烯烃和乙烯基醚的共聚物），降低了固化温度（仅170℃×20min），且可以与异氰酸树脂和三聚氰胺树脂混合使用，目前基于含氟涂料的改性产品已成功用于飞机防冰领域。附着纳米制造技术的迅速发展，功能性无机纳米材料层出不穷，如抗静电的锑掺杂二氧化锡、自清洁和光催化的掺杂氧化钛等，采用共混改性方法，能制备出功能可控、表面粗糙度可控的功能性聚氟材料膜。相对于自洁性良好的PTFE膜材料，表面含二氧化钛改性的PTFE膜材料不仅具有优良的防污垢现象，还具有分解有机物污染的功能。
2.2、涂层除冰
涂层除冰是通过减弱覆冰与涂层表面之间的粘结力来实现叶片除冰。卢能晓曾经提出在环氧树脂中加入石墨，利用石墨对水的不浸润性，使冰层无法在叶片涂层表面覆盖。中山大桥化工集团有限公司尝试通过疏水改性纳米粒子使涂膜表面粗糙化，再结合低表面张力的疏水助剂，低表面能物质与疏水改性纳米粒子复合形成onvexo-comvex型强疏水表面，以强化涂膜的防结冰性能。以氟碳或硅氧烷树脂为基体，通过添加液体的硅氧烷或者氟碳也可以实现叶片除冰。目前典型的溶剂型氟碳漆通常用FEVE作成膜树脂，采用异氰酸酯作为固化剂，双组分体系。由于C－F键能达到485kJ/mol，比典型的有机聚合物的C－C键能358kJ/mol强得多，因此具有超强的耐候性、低表面能等性能。上海康达新能源材料有限公司通过向聚氨酯树脂中添加质量分数为3%～15%的具有除冰性质的固体添加物来合成风电叶片除冰涂层。北京航空材料研究院研制的W04-101H有机硅憎水涂料具有较好的疏水性能，水接触角达到102°，但该涂层需要在280℃下烘烤固化从而影响了该涂层的应用范围。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆海洋化工研究院合成了一种含氟硅的具有超低表面能的丙烯酸树脂，利用该树脂制备的清漆涂层表面水接触角可达120°以上，具有优异的憎水效果，将该树脂配制成色漆，喷涂制得的涂层具有超疏水效果(水接触角达到150°以上，滚动角小于10°)。当水滴接触到该涂料表面时，水滴会因为涂层的憎水作用而滑落，使涂层表面不存留水分，起到除冰作用。
2.3、制定合适的方案
叶片覆冰导致风机出力不足，影响设备稳定运行。如果风机在叶片发生结冰情况时，仍继续长时间运行，会使叶片应力发生变化，导致叶片性能降低，使用寿命缩短；风机结构自身的完整性也会受到结冰叶片的不平衡或不对称的影响。使风机部件改变原有频率引起共振，也会增大风机的疲劳载荷。空气密度的上升可能会增大载荷和最大功率输出。如果风机没能自动反应做出保护控制，发电机或传动链可能会烧坏，齿轮箱可能过载或损坏，甚至导致风机倒塔事故发生。覆冰后风机叶片继续旋转，叶片上的结冰可能被抛离叶片，并会被抛出数百米远。这些落冰可能会损害附近的建筑物和车辆，甚至会伤害到风场的工作人员或者其他人员，埋下了严重的安全隐患。
2.4、做好控制系统的设计
考虑到因桨叶、风速风向仪等设备结冰、覆冰现象给机组运行带来安全隐患，针对南方风电场控制程序，新增冰载报警策略和主动除冰策略，根据设备受冰载影响，造成小风大功率、大风小功率等偏离功率曲线的情况，结合机舱外部温度传感器等综合因素评判机组设备冰载情况，及时发出报警信号，有效预防和防止结冰和覆冰现象的继续发展。根据机舱外部温度传感器实时监测环境温度，同时监控机组风速、功率等运行参数，比对机组保证功率曲线或历史长期运行数据，发出指令动作。由于功率输出波动范围较小，监测30min运行
数据对比正常值。根据机舱外环境温度，自动控制桨叶根部加热器和风速风向仪加热器功率，实现主动除冰。当数据确认机组已受冰载影响，且加热功率已达最大值，则执行正常停机，控制流程如图7所示。待现场人员确认机组状态后，恢复机组运行或采取除冰措施。考虑到机组停机状态受冰载影响，以30min为间隔定期启动桨叶根部加热器和风速风向仪加热器，保证桨叶和风速风向仪表面温度高于结冰临界温度。
2.5、做好相关试验
人工气候试验箱可根据是否需要模拟高海拔低气压环境功能的不同，设计有罐状和普通冷库两种结构，也分大型和小型试验箱。加拿大魁北克大学、中国电力科学研究院和重庆大学的覆冰装置均采用了罐状结构，可以模拟高海拔下低气压的气候条件。由于需要保证真空度和机械强度，这种结构一般为圆柱型的罐状结构。其次要对各个风电场所在地区的气候环境做调研，整理数据，能够在实验室更好地做模拟实验。
由于冰的附着力计算公式是没有的，附着力是一种离散性、曲线形的力，它同冰的温度、冰的密度有关，为了准确地测得某一时刻冰断裂瞬间的附着力，使用电子拉力机可以准确地测得附着力的大小，并且使用拉力机测量，测量结果的重复性好。首先要设计覆冰模具，如图 2 所示，通过在圆柱体(图 2 中所示 1)表面涂上待测的防覆冰涂料，圆柱体通过冻模上盖(3)和冻模下盖(4)固定、找平，通过 O 型圈(5)密封。在缝隙中注水，使其在圆柱表面冻结形成冰层(6)，将覆冰模具放入人工气候试验箱内进行试验，试验结束后，从试验箱内取出覆冰模具，采用压力或拉力装置牵引冻结在圆筒(2)内的圆柱体，通过记录覆冰从圆柱体内脱落时所施加作用力的大小来表征涂料表面的覆冰粘附强度大小。该试验方法能够迅速的进行测量，避免了冰融化以及人为操作引起的误差，使测量数值更具有说服力。
3、结语
风能是一种清洁可再生能源，但风电机组叶片的冬季覆冰现象，造成的电力损失较大；虽然低表面能的聚氟材料是机组叶片防覆冰的理想材料，但是仍存在施工较困难的技术难点。
参考文献:
[1]王宇晨,成斌.基于灰色FTA的风机叶片覆冰对机组运行可靠性影响研究[J].可再生能源,2018,36(04):598-602.
论文作者:李喜成
论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/12
标签：叶片论文; 疏水论文; 表面论文; 涂层论文; 机组论文; 风机论文; 树脂论文; 《电力设备》2018年第21期论文;