中车株洲所姚辉：面向山地风场的风电机组叶片智能除冰系统技术应用
东方风力发电网 2020年10月16日 404
2020年10月14日-16日，2020北京国际风能大会暨展览会（CWP 2020）在北京新国展隆重召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一，这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会，再次登陆北京，本届大会以“引领绿色复苏，构筑更好未来”为主题，聚焦中国能源革命的未来。能见App全程直播本次大会。 
在16日上午召开的风电机组技改专题论坛上，中车株洲电力机车研究所有限公司风电事业部技术中心副主任姚辉发表《面向山地风场的风电机组叶片智能除冰系统技术应用》主题演讲。 以下为发言实录： 姚辉：我今天分享的主题主要是六个部分，第一个部分跟大家分享一下冰冻的类型和分布，我们国家幅员辽阔，气候具有多样性、复杂性的特点，在北方非常寒冷，但是它很干燥，叶片覆冰情况并不严重，如果是北方人，包括我就是东北人，南方会感觉到南方的冷让北方人更记忆犹新，尤其是湖南是非常湿冷的，在这种条件下，尤其在海拔更高的地方，更容易进行结冰，所以在南方有这么几个省份，他们的结冰情况是非常严重的，而且随着目前的气象条件不断的统计，它具有周期性的特点，是可重复性的特点，尤其是贵州、安徽、湖南、湖北结冰是非常严重，随着近几年南方山地风场大面积的开放，电量的损失也越来越严重，也引起了我们广大从业人员的重视。随着深入的分析，在南方装机经常是在海拔相对较过的山地，随着海拔越高结冰是越来越严重，所以说结冰是跟海拔具有很高的相关性，它的时间在海拔高的地方周期也相对会更长一些，大概每年有将近3个月左右的影响期、结冰期，这个对未来平价的时代，我们做前期可研的时候，往往以前会忽略掉这三个月结冰期的影响，但是未来必须要纳入我们统筹的考虑中，去测算经济账，是否能够达到我们盈利的指标。在南方覆冰种类也是复杂多样的，就刚才讲的7个省份，它的覆冰类型也是不同的，不同的时期结冰类型也略有不同，不同的结冰处理的方式也是不一样的，控制策略也是不一样的，所以我们一定要把除冰特性搞清楚，有融类的、冻雨类的，像2008年属于附着力很强、密度性很强的冻雨型的。 关于冰冻影响，对整个风机的影响不仅是一个发电量降低的问题，可能还导致一些安全性的问题，比如叶片覆冰的冰块，可能会坠落，可能会涉及到塔基的设备、人员、牲畜等伤害，另外一个对风机本身机组的安全也会造成一些影响，因为它会导致风机机组的不平衡。小的对发电量有影响，比如气动外形的改变，对风机的功率曲线，另外再小一点对风速测量的误差造成影响，总之叶片结冰的问题相对来说是一个行业技术难题，在我们国内，尤其是今年因为抢装，因为进度问题，很多业主也没有太去细考虑南方山地风场结冰问题是否要提前就进行一些布局或者是提前做一些规划和要求，但是在北欧一些临海国家，在早期已经把叶片除冰的技术提前布置在叶片里了，所以我们今天这个专题放在技改论坛，也是符合国内的行情，基本上国内目前现状大部分都是在后期做这种技改，没有像北欧很多国家在前期建设期已经把叶片除冰部署在我们风机的系统里了。 关于除冰的技术路线，简单给大家分享一下，有一个被动除冰，其中被动除冰这几类里，跟大家重点说一下，第一类特殊涂层，也叫疏水性材料或者超疏水性材料，涂在叶片表面，有两种施工方式，一种叶片生产初期就进行涂覆的作业，另外是后期技改，后期技改这里有一个弊端，因为在空中作业或者叶片已经运行了一段时间以后，它的涂层附着力跟叶片表面发生化学反应，时间比较难把控，后期维持寿命不是很理想，在早期叶片出厂的时候，相对来说工艺容易控制一些。研究这种特殊涂层的材料或者企业、高校和厂家已经有很多，但是目前可能它维持的寿命还不是特别理想，可能有一到两年的寿命期，随着时间增加，因为我们风机叶片旋转的速度还是相对比较高的，受风沙侵蚀是比较严重的。我个人对这种材料，目前不太理想，如果远期存在科学的进步，能够开发出一种融合性非常强的超疏水蔡小，我想这可能是革命性的一项技术，因为这项技术对气动性能、对叶片载荷原理是非常简单的，所以我个人还是挺期待这项技术，但是暂时处于技术研发阶段。其他的几个技术我就不一一讲了，可能都是在各自的科研机构和相关专业厂家感兴趣的，他们也投入了一些精力，但是目前在风电行业，只有小规模的在应用。 第二个主动防冰这么一大类，包括电热，其实电热分成三类，一个在外表边贴加热材料，一个在内表面贴加热材料，还有一种就是预埋的，它的特点也还是挺好的，但是目前最大的弊端是容易受到雷击，不太容易维护。另外一个是气热，它效果相对会较好一些，但是有易维护的特点，后期存量风场的技改相对来说会容易实施一些，目前它暴露的问题也相对少一些，我只能说近阶段，近几年气热是大家比较关注的一个方向。另外还有其他的一些方式，就不一一介绍了，简单的关注一下这两个路线，因为这两个路线现在都相对比较多一些，像北欧初始阶段用电热比较好，以后北欧雷击比中国少很多，它气候又比较寒冷，所以用电热比较多，南方山地风场气温没有那么低，用气热可能会更好一些。电热的原理是在叶片加热材料，通过传导导致叶片的表面，达到除冰效果。根据我们对叶片雷击部位概率的统计，实际上比较受雷击的部分主要还是在叶尖前端几米处，如果做电热除冰，建议在叶片的尖端尽量不要铺制电加热的材料，这样雷击的概率比较高，为了保证现场的运行的可靠性，还是有一个取舍的策略。 再大家分享下气热除冰，因为它相对比较成熟一些，原理也相对简单一些，在叶片的内部安装加热器、散热风扇，把加热热空气通过管道将热能传到叶尖的位置，直接送到叶尖，叶尖有通道进行回流，这样在叶片整个腔体内形成热空气循环的渠道，通过内部温度的升高，再逐步传达到叶片的外表面来加热外表面的覆冰，以达到除冰的效果，这种方案比较适合清洁项目和存量风场的技改，都是比较理想的。 通过以上几种主流除冰方案的对比，我们可以看出来各有优势，但是在相对折中的除冰效果，我们也要有一个取舍，就是结合着维护成本和市场需求，所以说综合考虑，我们还是推荐技改这块加上气热加热的方案，来实现除冰的功能。关于南方山地风场智能除冰的技术解决方案，我们有以下的理解，主要是要构建四个系统的特点，就是整机系统，另外我们加入了除冰系统，还有一个叶片在覆冰以后它的载荷是做了很大的改变，我们要对整机系统整机载荷、叶片载荷进行重新的评估，而且有可能是一个动态的评估，因为叶片覆冰量是也变化的。第二个对风机机组的整机设计进行设计，它不简单的是外部新增加一套硬件机构，要跟整机融合在一起，同时对这套设备的可靠性要进行一个深入的分析，环境气进行适应性的分析，它的环境根据不同的海拔，根据不同的气候特点做不同控制方案。再一个就是控制系统，要有一套非常技术应，非常具有定制化的控制算法，应该说适合每个风场，还有一个很关键的就是结冰检测算法，你什么时候把这个冰检测的更准确，我们什么时候开启加热系统，什么时候加热到位，可以去关闭加热系统，也是依靠结冰检测算法，提供很重要的决策依据。 另外一个就是安全的保护策略，安全保护策略也是我们要重点关注的这么一套控制系统里重要的方面。另外是两个系统，供电和加热系统，因为这还是个大功率的加热系统、一强电系统，所以说要保证供电系统和关键部件选型和施工的可靠性。另外要达到效果怎么样能够以最优的状态达到除冰的效果，要经过一些仿真，包括热力学分析、气动分析等等。最后我们还是需要一个远程系统，来实行远程的控制，另外还有一个智能预测和分析，来实现我们题目中所说的要达到智能除冰的技术解决方案，结合我们最新的智能手段、大数据的手段、智能算法的手段。它要解决关键的项点包括这么几个方面，首先是结冰检测，目前结冰传感器也不断更新迭代，不断在应用，所以说作为整机厂家对传感器要保持高度关注，不断进行更新迭代和适用。第二风机本身自身动态功率曲线进行实时的判断，本身风机还有其他的温湿度传感器，这也是作为我们辅助的一个判断的依据。SCADA可以通过达峰分析得到结冰的概率，提高我们检查的准确精准度，甚至包括天气预报的数据，也可以纳入进来，作为我们结冰检测的长周期的预测和分析。第二个自动除冰，包括了前期的检测，结合结冰检测、风机状态、加热器状态鼓风机状态、叶片背控的温度等信息，来达到自动安全运行。另外是远程监控，要通过实时监控除冰系统运行信息，包括系统电压、电流、温度进行远程可视化的控制，在HMI上也可以进行手动操作，高精度的控制叶片的实时运行的数据，作为我们不断更新迭代的依据。最后就是安全，安全保护是除冰系统，包括用户、整机厂重点关注的，怎么样保证风机新装这套系统以后能够更安全的运行。 综上几个要解决的问题或者是一些确定的技术方向，在这套系统里我们确定了几大系统部件，构建了硬件系统和软件，来协调完成智能除冰的任务，包括叶片内部的执行机构、机舱部分的控制机构，还有供电机构，还有远程机构，经过机构的搭建，把我们这套方案进行一些仿真和模拟实验或者挂机实验进行进一步的验证，这里也是通过仿真，也初步验证了一下叶片内部的加热空气的需求，通过叶片材料的传导，到叶片表面覆冰相互的热传递，在特定外部环境温度下能够达到除冰时间的效果，得出了一些结论，环境温度在零下四度的时候，外部冷却风速在5米每秒，开启加热器2个小时可以达到除冰的效果。基于这种理论的仿真分析，做进一步的低温箱试验，我们进行了一些模拟试验，用加热柜与叶片模拟的材料，加热叶片模拟材料上面附着的冰，进行比例试验，验证气热可行性的效果，通过这个，还是与我们的仿真结果区域一致，这是我们试验的结论。这种试验做完了以后还不够，我们又做了加热系统地面的试验，用于叶片来搭建除冰的系统，验证计算模型、子系统集成及子系统功能，这是我们搭的小系统试验，来验证最终的功能，寻找一个最优匹配的参数，也得出了一些为我们后续智能控制控制的一些边界参数，提供了大量的数据。 除此之外做了全系统的地面联调，做一比一三个叶片、全系统方案的验证，在地面进行了整机系统的继承，它的效果也是达到了我们整个试验的目的和设计的预期，最终做了充分的仿真试验以后，我们拿到了整个风机上进行挂机试验，最终验证它的机器强度、整机系统集成和整机系统的功能，最早第一台叶片的除冰验证从2013年就开始了，所以到现在已经验证了7年，去年开始进行风场小批量的改造，所以说我们的方案最主要还是要一个验证它的安全和可靠性，另外一个要不断的提升它的效果。 分享一个具体的经济分析案例，这是湖北的某个风场，它是一个混装的机型，有2兆瓦和2.2机型，因为每个风场海拔高度并不一样，并不是每一个风场结冰都是一致的，通过分析看的出来，有一些受影响是相对严重一些，我们这里取了14台受覆冰影响比较严重的机组进行了电量损失的统计，统计下来整个覆冰期14台电量损失达到了610多万，折合当地的上网电价，这么大的经济损失还是非常严重的。我们给这个风场做了一些技改和叶片除冰的改造，效果是非常明显，首先先关注它的安全，也是业主他最迫切的。它的控制温度、安全温度达到了我们的预期，除冰效果非常理想，整个叶片内表面所有的覆冰除的非常到位，叶片表面温度也达到了影响的预期。远程的智能的系统也运行的非常实时，把所有数据能够呈现出来，作为后期的积累，因为每个项目的成功离不开现场团队，尤其叶片除冰系统是现场的工艺要求是非常高的，所以说在这里也特别感谢现场精湛的工匠们，他们为这个项目的成功也提供了强有力的支持。我今天的汇报就到此结束，谢谢大家。 （根据速记整理，未经本人审核）
在16日上午召开的风电机组技改专题论坛上，中车株洲电力机车研究所有限公司风电事业部技术中心副主任姚辉发表《面向山地风场的风电机组叶片智能除冰系统技术应用》主题演讲。 以下为发言实录： 姚辉：我今天分享的主题主要是六个部分，第一个部分跟大家分享一下冰冻的类型和分布，我们国家幅员辽阔，气候具有多样性、复杂性的特点，在北方非常寒冷，但是它很干燥，叶片覆冰情况并不严重，如果是北方人，包括我就是东北人，南方会感觉到南方的冷让北方人更记忆犹新，尤其是湖南是非常湿冷的，在这种条件下，尤其在海拔更高的地方，更容易进行结冰，所以在南方有这么几个省份，他们的结冰情况是非常严重的，而且随着目前的气象条件不断的统计，它具有周期性的特点，是可重复性的特点，尤其是贵州、安徽、湖南、湖北结冰是非常严重，随着近几年南方山地风场大面积的开放，电量的损失也越来越严重，也引起了我们广大从业人员的重视。随着深入的分析，在南方装机经常是在海拔相对较过的山地，随着海拔越高结冰是越来越严重，所以说结冰是跟海拔具有很高的相关性，它的时间在海拔高的地方周期也相对会更长一些，大概每年有将近3个月左右的影响期、结冰期，这个对未来平价的时代，我们做前期可研的时候，往往以前会忽略掉这三个月结冰期的影响，但是未来必须要纳入我们统筹的考虑中，去测算经济账，是否能够达到我们盈利的指标。在南方覆冰种类也是复杂多样的，就刚才讲的7个省份，它的覆冰类型也是不同的，不同的时期结冰类型也略有不同，不同的结冰处理的方式也是不一样的，控制策略也是不一样的，所以我们一定要把除冰特性搞清楚，有融类的、冻雨类的，像2008年属于附着力很强、密度性很强的冻雨型的。 关于冰冻影响，对整个风机的影响不仅是一个发电量降低的问题，可能还导致一些安全性的问题，比如叶片覆冰的冰块，可能会坠落，可能会涉及到塔基的设备、人员、牲畜等伤害，另外一个对风机本身机组的安全也会造成一些影响，因为它会导致风机机组的不平衡。小的对发电量有影响，比如气动外形的改变，对风机的功率曲线，另外再小一点对风速测量的误差造成影响，总之叶片结冰的问题相对来说是一个行业技术难题，在我们国内，尤其是今年因为抢装，因为进度问题，很多业主也没有太去细考虑南方山地风场结冰问题是否要提前就进行一些布局或者是提前做一些规划和要求，但是在北欧一些临海国家，在早期已经把叶片除冰的技术提前布置在叶片里了，所以我们今天这个专题放在技改论坛，也是符合国内的行情，基本上国内目前现状大部分都是在后期做这种技改，没有像北欧很多国家在前期建设期已经把叶片除冰部署在我们风机的系统里了。 关于除冰的技术路线，简单给大家分享一下，有一个被动除冰，其中被动除冰这几类里，跟大家重点说一下，第一类特殊涂层，也叫疏水性材料或者超疏水性材料，涂在叶片表面，有两种施工方式，一种叶片生产初期就进行涂覆的作业，另外是后期技改，后期技改这里有一个弊端，因为在空中作业或者叶片已经运行了一段时间以后，它的涂层附着力跟叶片表面发生化学反应，时间比较难把控，后期维持寿命不是很理想，在早期叶片出厂的时候，相对来说工艺容易控制一些。研究这种特殊涂层的材料或者企业、高校和厂家已经有很多，但是目前可能它维持的寿命还不是特别理想，可能有一到两年的寿命期，随着时间增加，因为我们风机叶片旋转的速度还是相对比较高的，受风沙侵蚀是比较严重的。我个人对这种材料，目前不太理想，如果远期存在科学的进步，能够开发出一种融合性非常强的超疏水蔡小，我想这可能是革命性的一项技术，因为这项技术对气动性能、对叶片载荷原理是非常简单的，所以我个人还是挺期待这项技术，但是暂时处于技术研发阶段。其他的几个技术我就不一一讲了，可能都是在各自的科研机构和相关专业厂家感兴趣的，他们也投入了一些精力，但是目前在风电行业，只有小规模的在应用。 第二个主动防冰这么一大类，包括电热，其实电热分成三类，一个在外表边贴加热材料，一个在内表面贴加热材料，还有一种就是预埋的，它的特点也还是挺好的，但是目前最大的弊端是容易受到雷击，不太容易维护。另外一个是气热，它效果相对会较好一些，但是有易维护的特点，后期存量风场的技改相对来说会容易实施一些，目前它暴露的问题也相对少一些，我只能说近阶段，近几年气热是大家比较关注的一个方向。另外还有其他的一些方式，就不一一介绍了，简单的关注一下这两个路线，因为这两个路线现在都相对比较多一些，像北欧初始阶段用电热比较好，以后北欧雷击比中国少很多，它气候又比较寒冷，所以用电热比较多，南方山地风场气温没有那么低，用气热可能会更好一些。电热的原理是在叶片加热材料，通过传导导致叶片的表面，达到除冰效果。根据我们对叶片雷击部位概率的统计，实际上比较受雷击的部分主要还是在叶尖前端几米处，如果做电热除冰，建议在叶片的尖端尽量不要铺制电加热的材料，这样雷击的概率比较高，为了保证现场的运行的可靠性，还是有一个取舍的策略。 再大家分享下气热除冰，因为它相对比较成熟一些，原理也相对简单一些，在叶片的内部安装加热器、散热风扇，把加热热空气通过管道将热能传到叶尖的位置，直接送到叶尖，叶尖有通道进行回流，这样在叶片整个腔体内形成热空气循环的渠道，通过内部温度的升高，再逐步传达到叶片的外表面来加热外表面的覆冰，以达到除冰的效果，这种方案比较适合清洁项目和存量风场的技改，都是比较理想的。 通过以上几种主流除冰方案的对比，我们可以看出来各有优势，但是在相对折中的除冰效果，我们也要有一个取舍，就是结合着维护成本和市场需求，所以说综合考虑，我们还是推荐技改这块加上气热加热的方案，来实现除冰的功能。关于南方山地风场智能除冰的技术解决方案，我们有以下的理解，主要是要构建四个系统的特点，就是整机系统，另外我们加入了除冰系统，还有一个叶片在覆冰以后它的载荷是做了很大的改变，我们要对整机系统整机载荷、叶片载荷进行重新的评估，而且有可能是一个动态的评估，因为叶片覆冰量是也变化的。第二个对风机机组的整机设计进行设计，它不简单的是外部新增加一套硬件机构，要跟整机融合在一起，同时对这套设备的可靠性要进行一个深入的分析，环境气进行适应性的分析，它的环境根据不同的海拔，根据不同的气候特点做不同控制方案。再一个就是控制系统，要有一套非常技术应，非常具有定制化的控制算法，应该说适合每个风场，还有一个很关键的就是结冰检测算法，你什么时候把这个冰检测的更准确，我们什么时候开启加热系统，什么时候加热到位，可以去关闭加热系统，也是依靠结冰检测算法，提供很重要的决策依据。 另外一个就是安全的保护策略，安全保护策略也是我们要重点关注的这么一套控制系统里重要的方面。另外是两个系统，供电和加热系统，因为这还是个大功率的加热系统、一强电系统，所以说要保证供电系统和关键部件选型和施工的可靠性。另外要达到效果怎么样能够以最优的状态达到除冰的效果，要经过一些仿真，包括热力学分析、气动分析等等。最后我们还是需要一个远程系统，来实行远程的控制，另外还有一个智能预测和分析，来实现我们题目中所说的要达到智能除冰的技术解决方案，结合我们最新的智能手段、大数据的手段、智能算法的手段。它要解决关键的项点包括这么几个方面，首先是结冰检测，目前结冰传感器也不断更新迭代，不断在应用，所以说作为整机厂家对传感器要保持高度关注，不断进行更新迭代和适用。第二风机本身自身动态功率曲线进行实时的判断，本身风机还有其他的温湿度传感器，这也是作为我们辅助的一个判断的依据。SCADA可以通过达峰分析得到结冰的概率，提高我们检查的准确精准度，甚至包括天气预报的数据，也可以纳入进来，作为我们结冰检测的长周期的预测和分析。第二个自动除冰，包括了前期的检测，结合结冰检测、风机状态、加热器状态鼓风机状态、叶片背控的温度等信息，来达到自动安全运行。另外是远程监控，要通过实时监控除冰系统运行信息，包括系统电压、电流、温度进行远程可视化的控制，在HMI上也可以进行手动操作，高精度的控制叶片的实时运行的数据，作为我们不断更新迭代的依据。最后就是安全，安全保护是除冰系统，包括用户、整机厂重点关注的，怎么样保证风机新装这套系统以后能够更安全的运行。 综上几个要解决的问题或者是一些确定的技术方向，在这套系统里我们确定了几大系统部件，构建了硬件系统和软件，来协调完成智能除冰的任务，包括叶片内部的执行机构、机舱部分的控制机构，还有供电机构，还有远程机构，经过机构的搭建，把我们这套方案进行一些仿真和模拟实验或者挂机实验进行进一步的验证，这里也是通过仿真，也初步验证了一下叶片内部的加热空气的需求，通过叶片材料的传导，到叶片表面覆冰相互的热传递，在特定外部环境温度下能够达到除冰时间的效果，得出了一些结论，环境温度在零下四度的时候，外部冷却风速在5米每秒，开启加热器2个小时可以达到除冰的效果。基于这种理论的仿真分析，做进一步的低温箱试验，我们进行了一些模拟试验，用加热柜与叶片模拟的材料，加热叶片模拟材料上面附着的冰，进行比例试验，验证气热可行性的效果，通过这个，还是与我们的仿真结果区域一致，这是我们试验的结论。这种试验做完了以后还不够，我们又做了加热系统地面的试验，用于叶片来搭建除冰的系统，验证计算模型、子系统集成及子系统功能，这是我们搭的小系统试验，来验证最终的功能，寻找一个最优匹配的参数，也得出了一些为我们后续智能控制控制的一些边界参数，提供了大量的数据。 除此之外做了全系统的地面联调，做一比一三个叶片、全系统方案的验证，在地面进行了整机系统的继承，它的效果也是达到了我们整个试验的目的和设计的预期，最终做了充分的仿真试验以后，我们拿到了整个风机上进行挂机试验，最终验证它的机器强度、整机系统集成和整机系统的功能，最早第一台叶片的除冰验证从2013年就开始了，所以到现在已经验证了7年，去年开始进行风场小批量的改造，所以说我们的方案最主要还是要一个验证它的安全和可靠性，另外一个要不断的提升它的效果。 分享一个具体的经济分析案例，这是湖北的某个风场，它是一个混装的机型，有2兆瓦和2.2机型，因为每个风场海拔高度并不一样，并不是每一个风场结冰都是一致的，通过分析看的出来，有一些受影响是相对严重一些，我们这里取了14台受覆冰影响比较严重的机组进行了电量损失的统计，统计下来整个覆冰期14台电量损失达到了610多万，折合当地的上网电价，这么大的经济损失还是非常严重的。我们给这个风场做了一些技改和叶片除冰的改造，效果是非常明显，首先先关注它的安全，也是业主他最迫切的。它的控制温度、安全温度达到了我们的预期，除冰效果非常理想，整个叶片内表面所有的覆冰除的非常到位，叶片表面温度也达到了影响的预期。远程的智能的系统也运行的非常实时，把所有数据能够呈现出来，作为后期的积累，因为每个项目的成功离不开现场团队，尤其叶片除冰系统是现场的工艺要求是非常高的，所以说在这里也特别感谢现场精湛的工匠们，他们为这个项目的成功也提供了强有力的支持。我今天的汇报就到此结束，谢谢大家。 （根据速记整理，未经本人审核）