风机叶片覆冰机理与预测分析

风机叶片覆冰机理与预测分析

吕琼琼

山东天勤石油科技有限公司 山东东营 257300

摘要：叶片覆冰是降低风机整体结构性能与发电效率的最主要原因。风机叶片表面覆冰后会改变气动性能，从而降低风力机的发电效率。同时，覆冰会引起叶片载荷增大和质量分布不平衡，从而使结构本身的固有频率有所改变，可能会导致风机叶片在运行中产生共振响应。因此，本文探讨了风机叶片覆冰机理与预测，以供参考。

关键词：风机叶片；覆冰机理

引言

我国地域辽阔，风能资源蕴藏丰富，风能资源好的地方主要集中在西北及沿海地区，南方地区电力需求量大，有利于风电就地消纳。但是，由于南方地区风资源丰富地区都在高海拔的山区和湖泊附近，南方冬季气候低温高湿，经常遇到低温冻害天气，风力发电机叶片的覆冰对风力机组的安全稳定生产带来了重大影响，所以研究有关风力机组防覆冰技术是十分有意义的。

1风机叶片覆冰机理

1.1覆冰机理

冰是受到低温影响，由液体进行放热后固化的产物。目前，对于风机叶片覆冰问题大都基于飞机高空飞行覆冰机理进行研究。虽然两者覆冰机理相同，从微观来看都是结构捕获大量过冷水滴后在结构表面冻结的过程。但是，风机叶片结冰与飞机结冰的气象条件和过程有较大差别。飞机结冰环境条件是由水汽团冷凝和冰晶等大气悬浮物组成，覆冰过程的主要特点是过冷水滴与结构表面短时间的高速撞击。而风机叶片结冰气候条件是由冷冻的细雨、湿雪或结冰雾、云和霜等水汽凝结物沉积形成，覆冰主要特点是过冷水滴与结构表面长时间慢速撞击的过程。飞机结冰研究已经有大量成熟成果。但是，在雨和霜条件下，风机叶片结冰机理及冰形预测研究较少，还未形成风机结冰设计标准。风机叶片覆冰气象条件需要满足冻结水滴气温（0℃以下）和大气中含有三种状态水（水蒸气、液态水和固态）。风机在高寒潮湿地区工作时，大气环境中的过冷水滴会随风飘过风机。由于不同直径水滴具有不同质量和惯性力，撞击叶片时具有不同的运动轨迹。这些决定了冰量、冰厚及冰密度等覆冰类型。

1.2覆冰类型及分类

叶片表面结冰主要有雨凇、雾凇和混合凇三种类型：雨凇。如过冷水滴直径相对较大，在和叶片出现碰撞后，水滴先散开成水膜后迅速凝结成冰凌。此类覆冰一般环境温度在0~5℃时出现，空气湿度较大的条件之下，叶片表面会出现透明的硬度较高的冰层。此类冰层密度较大，附着力强；雾凇。过冷水滴的直径较小，在空气中漂浮运动，撞击叶片后快速形成冰凌，以干增长方式存在。一般在环境温度低于-5℃时，空气内水含量很少，晶体的形状是不规则的，极易在不光滑的叶片表面形成冰面，其质地疏松、密度小、粘附力不足；混合凇。过冷水滴的直径不同，空气内漂浮运动，在与叶片接触后快速成冰，有些为干增长、有些则为湿增长。冰内部以半透明的形式存在，密度中等，一般是出现在叶片迎水面，附着力较大。山区地带中风速较高的条件下，从云中来的冰晶会有一些大小中等的地面雾存在，通常环境温度在-10~-3℃之间时出现。因此，叶片表面极易出现雾凇、混合淞的形式。此外，叶片的长期运行之下，表面会存在较多的污渍、前缘腐蚀、叶片粗糙度过大等问题，也会导致叶片出现覆冰的问题。

2风机叶片覆冰危害

2.1人身安全

覆冰叶片在风轮旋转过程中，叶片表面的覆冰被甩出，威胁到附近居民的人身和财产安全，特别是临近道路、居民居住区域更容易发生落冰伤人事故。由于路过风机区域行人安全意识不强，特别是部分人员行至风机叶片下方时，好奇心加重，不能快速通过危险区域，更加大落冰伤人的概率。

2.2设备安全

叶片覆冰时，各部位覆冰程度不同，导致叶片质量分布不均，会引起叶片和轮毂、齿轮箱等机组其它部件振动加剧，超出风机出厂设计疲劳载荷，从而降低风机整机的运行寿命，风机运行后期故障率提高。同时，叶片覆冰后就会产生较大的冰载，影响叶片的寿命，如果监控人员不能及时发现覆冰现象，停运风机，风机在高风速下继续运行，使得机组的不平衡载荷逐渐增大，对机组产生非常大的危害，严重时，可能导致风机叶片轮毂脱落，造成事故。

2.3对机组功率输出的影响

叶片结冰在迎风面的发生率比较高，且叶尖覆冰主要沉积在叶根位置，覆冰累积与不规则脱落也会造成机组输出功率的影响。在叶片表面发生微覆冰问题会导致其表面粗糙度较高而出现叶片气动性能很低，机组运行功率也很低；叶片覆冰严重会导致叶片转矩为零，不会有任何输出功率，自然覆冰也会造成振动严重而产生停机的问题。叶片覆冰会直接影响系统的输出功率，受到覆冰重量、覆冰后翼分布、叶片设计与风机控制。

3覆冰数值仿真模型

风机叶片覆冰后质量分布与翼型重构是关键问题，通过本文对风机叶片覆冰机理的研究发现，飞机与风机叶片结冰在机理上是相同的，但两者在导致覆冰的环境条件方面差别较大。本文结合Fluent和FENSAP－ICE软件进行数值模拟研究，结冰计算过程主要分四个步骤。（１）使用Fluent软件的Spalart-ALLmaras湍流模型求解N－S方程，并设置机翼弦长、气流速度、空气静压和空气温度等参数进行干净风机叶片外流场的计算。（2）采用欧拉坐标系下空气－过冷水滴两相流控制方程求解水滴运动轨迹，在DROP3D模块下，模拟水滴的撞击特性和收集系数。（3）利用ICE3D结冰模块求解叶片上覆冰生长及水膜后流，覆冰计算主要考虑质量守恒和能量守恒。（4）获得每个控制体的结冰量，确定风机叶片覆冰的冰形与质量。

4风机叶片覆冰影响的防控

4.1覆冰测量方式及必要性

覆冰测量可分为直接法、间接法和数学模型法三类。直接法利用覆冰所致重量、反射特性变化测量；间接法根据覆冰相关因素如风速、湿度和温度及覆冰条件下风机发电功率变化估算覆冰。覆冰检测工作开展可通过采取措施主动进行防冻除冰系统达到要求，但也容易产生负面作用。叶片轻微覆冰条件下会导致叶片输出功率下降5~15%，如果覆冰检测器无法准确检测出覆冰的情况，一般会在覆冰出现的几个小时内会通过视频等方式进行覆冰检测，在该过程中不仅风力发电效率降低，叶片加热系统也会导致能耗过大，通过加热进行覆冰溶解。

4.2防止设备损坏措施

风机叶片覆冰后，继续运行，往往是设备损坏的重要原因。因此，我们应提前做好天气情况预警，当环境温度降至0℃以下，风场出现雨雪冰冻时，监控人员应时刻注意风机运行参数，做好风机停运的准备。定期对风机功率曲线一致性进行分析，并根据风机厂家出具的资料，确定本场风机可接受覆冰安全运行红线，到达安全红线时，应立即停运风机。具备条件风力发电企业，可以优化风机保护配置，增设覆冰报警功能，从而达到多方面防止风机叶片覆冰后设备损坏事故的发生。

结束语

伴随着风力发电的迅速崛起，大量风电机组投入运行，风电在各类能源发电结构中的占比不断提升，防覆冰技术的研究、分析、合理应用将会使风机设备保持稳定工作，保证了供电的稳定性，使得风力发电设备更高效的利用。

参考文献

[1]朱继新.山地风电场架空线路覆冰机理研究及应对[A].中国农业机械工业协会风力机械分会.第五届中国风电后市场专题研讨会论文集[C].

[2]王雪冬.浅谈风机叶片覆冰情况分析及运行监控[J].海峡科技与产业,2017(10):75-76.

[3]许小明,梅鑫,郝玉官,等.我国南方风电场冬季风电叶片除冰方法探讨[J].宜春学院学报,2017,39(6):8-9.

[4]吴光军,孙志禹,朱亚伟,等.风电机组叶片防覆冰技术研究分析[J].风能,2016(9):62-63.

[5]孙少华,徐洪雷,符鹏程,等.叶片覆冰对风电机组的影响[J].风能,2014(9):100-101.