鄧?yán)?，馮高煜，曾益民

(大唐華銀城步新能源開發(fā)有限責(zé)任公司南山風(fēng)電場，湖南 邵陽422500 )

南山風(fēng)電場地處高寒山區(qū)，平均海拔1 800 m以上，冰凍期較長且強(qiáng)度大。該風(fēng)電場Ⅰ期25 臺風(fēng)機(jī)于冰凍期因冰凍導(dǎo)致風(fēng)機(jī)氣象站無法判別風(fēng)向、風(fēng)速導(dǎo)致風(fēng)機(jī)停運(yùn)。

2011 年12 月8 日，南山風(fēng)電場天氣情況:大霧，空氣濕度82%，最高氣溫為1.44 ℃，最低氣溫為-6.99 ℃，平均風(fēng)速為5.5 m/s，最大風(fēng)速為17.6 m/s。從8 日凌晨1 時起，溫度從1.4 ℃左右在30 min 內(nèi)急劇下降至-6.8 ℃，風(fēng)向從西南轉(zhuǎn)至東北。上午8 時，風(fēng)場投入試運(yùn)行的9 臺風(fēng)機(jī)(其余的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正在調(diào)試期間，信號未接入后臺系統(tǒng)，不做統(tǒng)計分析)有8 臺因故障停機(jī)，停機(jī)機(jī)組占總量的88.8%。至風(fēng)機(jī)監(jiān)控檢查:8 臺風(fēng)機(jī)首出故障均為T230 (風(fēng)向標(biāo)故障)，T231 (風(fēng)向標(biāo)1 結(jié)冰)，T233 (風(fēng)向標(biāo)1，2 不一致)，且因風(fēng)機(jī)緊急變槳伴發(fā)其他故障。調(diào)取風(fēng)機(jī)實時數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):各臺因故障停運(yùn)機(jī)組風(fēng)速信號為0，風(fēng)向標(biāo)1，2 方向分別為182°，35°，且基本不變化。故判斷風(fēng)機(jī)因無風(fēng)速、風(fēng)向信號，無法識別風(fēng)況，導(dǎo)致故障停機(jī)。

根據(jù)南山風(fēng)電場電量分析可知:在2011 年2月至2012 年3 月的冰凍期間，因結(jié)冰導(dǎo)致風(fēng)機(jī)停運(yùn)造成電量損失共計107.25 萬kWh，占損失電量比重大。

可見，冰凍對風(fēng)電場的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶了巨大的損失。研究南山風(fēng)電場氣象站抗冰凍的解決方法是十分必要。

1 氣象站結(jié)冰情況與分析

1.1 氣象站結(jié)冰情況

12 月8 日，風(fēng)電場維護(hù)人員登塔檢查停運(yùn)風(fēng)機(jī)狀況，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)氣象站完全被冰雪凍住，因與避雷針、航空障礙燈之間間距太小而連成一個整體，導(dǎo)致氣象站無法正常工作。檢查風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)加熱回路工作正常，但用手觸摸氣象站表面，感覺不到加熱效果，且冰雪堆積處無明顯融冰痕跡。出艙用望遠(yuǎn)鏡檢查葉片表面附有很薄的白霜，部分位置結(jié)有薄冰，且在不斷掉落。

經(jīng)過12 月對風(fēng)機(jī)安裝區(qū)域冰凍天氣情況的觀察，發(fā)現(xiàn):1)發(fā)生冰凍時降溫并不猛烈，并且氣溫也不特別低;2)降溫后24 h 內(nèi)，氣溫普遍回升或天氣轉(zhuǎn)晴，風(fēng)向由北風(fēng)、東北風(fēng)迅速轉(zhuǎn)至南風(fēng)、西南風(fēng);3)在結(jié)冰期間，氣溫升高到0 ℃以上的時候，葉片覆冰基本掉落，只有一層很薄的白霜，部分機(jī)組的機(jī)械式風(fēng)速、風(fēng)向傳感器，恢復(fù)了轉(zhuǎn)動。綜上所述，南山冰凍天氣的特點(diǎn)為:降溫較快、濕度較大 (2 次結(jié)冰時濕度的平均值為78%)、冰凍期長、單次冰凍時長較短、氣溫回升快。在此種天氣條件下，風(fēng)機(jī)氣象站因露天安裝于80 m 的機(jī)艙頂部，容易被冰雪堆積，無法識別風(fēng)況。葉片在結(jié)冰時部分位置會附有薄冰，但因其位置處于垂直狀態(tài)，氣溫稍有回暖覆冰會不斷掉落。根據(jù)表1 統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知:風(fēng)機(jī)停運(yùn)時間的長短主要取決于氣象站恢復(fù)的速度，葉片恢復(fù)的時間均在氣象站之前。

表1 結(jié)冰情況記錄

1.2 相關(guān)分析

通過在冰凍期內(nèi)對風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況的長期跟蹤，氣象站結(jié)冰影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行的主要原因如下:

1)南山地處高寒山區(qū)，春冬兩季空氣濕度很大，能達(dá)到90%以上，如遇氣溫急劇下降，冰凍情況嚴(yán)重，但山頂部位融冰速度較快，冰凍時間較短。

2)風(fēng)機(jī)氣象站現(xiàn)有設(shè)備加熱功率(50 W)太小，無法達(dá)到快速融冰要求。

3)風(fēng)機(jī)氣象站布置間距較小，容易與支架、航空燈等凍成一團(tuán)。

4)風(fēng)機(jī)氣象站風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速儀轉(zhuǎn)動部位連接處為塑料材質(zhì)，在低溫下容易折斷。

5)因風(fēng)向標(biāo)結(jié)冰，而引發(fā)偏航系統(tǒng)進(jìn)入偏航死區(qū)內(nèi)，報扭纜故障告警，增加風(fēng)機(jī)故障概率。

6)風(fēng)機(jī)葉片結(jié)冰，將改變?nèi)~片迎風(fēng)面形狀，會增加塔架載荷和水平方向推力，損耗吸收進(jìn)葉輪的機(jī)械能。

2 氣象站抗冰凍措施及實施

2.1 解決問題的思路

根據(jù)風(fēng)機(jī)安裝位置氣候條件，冰凍季節(jié)長但單次冰凍時間短且回暖較快。只要解決風(fēng)機(jī)氣象站因冰凍不能正常工作的問題，風(fēng)機(jī)在冰凍情況下正常運(yùn)行，葉片表面涂有憎水材料，在動態(tài)下不易覆冰且能利用離心力將附在表面的薄冰甩掉，從而可有效解決風(fēng)機(jī)葉片覆冰情況，確保風(fēng)機(jī)冰凍期間不停機(jī)運(yùn)行。

因此，可通過增強(qiáng)氣象站在冰凍期間的可靠性，確保在冰凍期間風(fēng)機(jī)氣象站正常工作，從而保證風(fēng)機(jī)在冰凍期間運(yùn)行，降低葉片覆冰的可能性，極大減小葉片覆冰厚度，降低風(fēng)機(jī)故障率，提高風(fēng)機(jī)可利用率及發(fā)電能力。

2.2 解決措施及效果

2.2.1 進(jìn)行風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)保溫

1)實施過程:于2012 年1 月2 日完成了全風(fēng)電場25 臺風(fēng)機(jī)風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)進(jìn)行保溫，以迎冰凍天氣。

2)結(jié)冰的具體情況:從表1 可知，投入試運(yùn)行風(fēng)機(jī)21 臺，結(jié)冰風(fēng)機(jī)臺數(shù)18 臺，占總量的85.71%。1 月3 日和4 日的最高溫度-0.4 ℃，最低溫度-6.32 ℃，平均氣溫-5.1 ℃，平均空氣濕度82%，最長結(jié)冰時間為#17 風(fēng)機(jī)20 h。

3)檢查發(fā)現(xiàn)仍存在如下問題:①85.7%以上的風(fēng)機(jī)氣象站仍然被冰雪凍住，無法識別風(fēng)況信號，防結(jié)冰能力不強(qiáng);②從圖1 可知，風(fēng)速儀依然和航空燈結(jié)冰在一起，無法根除氣象站各元件間距問題;③進(jìn)行保溫后的融冰速度得到一定程度提升，但是融冰效果不顯著。

4)結(jié)論:經(jīng)過保溫處理的氣象站在一定程度上提升了融冰能力，但未解決氣象站結(jié)冰的問題，該對策不成功。

2.2.2 更換大功率氣象站

1)實施過程:于2012 年2 月2 日完成#18 風(fēng)機(jī)氣象站的大功率風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)的安裝工作，并于2 月5 日、6 日迎來了冰凍天氣。

2)結(jié)冰的具體情況:投入試運(yùn)行風(fēng)機(jī)25 臺，結(jié)冰風(fēng)機(jī)臺數(shù)8 臺，占總量的32%。1 月5，6 日的最高溫度0.5 ℃，最低溫度-2.5 ℃，平均氣溫-0.17 ℃，平均空氣濕度75%，最長結(jié)冰時間為#19風(fēng)機(jī)(緊鄰#18 風(fēng)機(jī)安裝位置，地形及氣候條件相似)，為16 h，安裝了大功率氣象站的#18 風(fēng)機(jī)未受到結(jié)冰影響。

3)仍存在的問題:①大功率氣象站在結(jié)凍過程中有冰雪堆積，但其轉(zhuǎn)動部分未被凍住，能正常工作，其融冰速度比普通機(jī)械式氣象站快4 ～5 h;②加熱功率增大至100 W 對周邊設(shè)備影響很小，但繼續(xù)加大功率容易使附件元件老化;③因大功率氣象站風(fēng)速儀測風(fēng)元件比原機(jī)械式測風(fēng)元件體積大，導(dǎo)致風(fēng)速偏高，容易發(fā)生暴風(fēng)停機(jī)。

4)結(jié)論:更換大功率氣象站能加快融冰速度，通過加長氣象站，使得氣象站各元件的間距加長，對降低冰凍影響有一定作用，但因風(fēng)速偏高，在大風(fēng)時易發(fā)風(fēng)速過高、暴風(fēng)停機(jī)等故障，降低風(fēng)機(jī)的可利用率。

2.2.3 更換超聲波氣象站

1)實施過程:于2012 年3 月15 日在#6，#25風(fēng)機(jī)拆除機(jī)械式氣象站風(fēng)向標(biāo)2，在此位置安裝超聲波氣象站，將超聲波氣象站風(fēng)況數(shù)據(jù)作為主導(dǎo)數(shù)據(jù)引入風(fēng)機(jī)進(jìn)行計算，機(jī)械式風(fēng)況數(shù)據(jù)作為輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。在#6 風(fēng)機(jī)選用某公司生產(chǎn)的Hybrid XT 型(點(diǎn)對點(diǎn)式)超聲波氣象站，在#25 風(fēng)機(jī)選用國外公司的FT702LTD50 型(面對面式)超聲波氣象站。兩款超聲波氣象站加熱功率均為100 W，且能在柱體內(nèi)部加熱，熱量能傳遞到測風(fēng)元件頂部。于3 月23，24 日迎來了冰凍天氣。

2)結(jié)冰情況:投入試運(yùn)行風(fēng)機(jī)25 臺，結(jié)冰風(fēng)機(jī)臺數(shù)22 臺，占總量的88%。3 月23，24 日的最高溫度-1.05 ℃，最低溫度-6.93 ℃，平均氣溫-3.7 ℃，平均空氣濕度83%，最長結(jié)冰時間為#17 風(fēng)機(jī)43 h，安裝大功率氣象站的#18 風(fēng)機(jī)受冰凍影響較小，僅停運(yùn)2 h;安裝點(diǎn)對點(diǎn)型超聲波測風(fēng)儀的#6 風(fēng)機(jī)停運(yùn)了11 h，安裝超聲波測風(fēng)儀的#25 風(fēng)機(jī)機(jī)械式氣象站被冰雪覆蓋，但超聲波氣象站測風(fēng)正常(如圖2)，風(fēng)機(jī)保持正常運(yùn)行，未受到結(jié)冰影響。結(jié)冰情況見表2。

表2 更換氣象站后的結(jié)冰情況記錄

3)在冰凍情況下發(fā)現(xiàn):①在其他風(fēng)機(jī)均因氣象站冰凍無法工作的情況下，#18 風(fēng)機(jī)在冰凍最強(qiáng)的時候因無風(fēng)況數(shù)據(jù)停運(yùn)2 h，#25 風(fēng)機(jī)在冰凍期內(nèi)正常運(yùn)行。②改造后的風(fēng)機(jī)在結(jié)凍過程中葉片有少量覆冰情況，影響部分電量。但未改造風(fēng)機(jī)均因停運(yùn)導(dǎo)致葉片覆冰嚴(yán)重，約有3 ～5 cm 厚。③天氣回暖后，#25，#18 風(fēng)機(jī)因葉片覆冰較少，能很快恢復(fù)運(yùn)行，比其他未改造機(jī)組恢復(fù)正常運(yùn)行快10 ～15 h。④#6 風(fēng)機(jī)雖然進(jìn)行了超聲波氣象站的改造，但因冰凍伴隨大霧，其風(fēng)速數(shù)據(jù)經(jīng)常連續(xù)變0，波動情況嚴(yán)重(如圖3 所示)，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)判別為氣象站故障，報T230 故障停機(jī)。

4)在正常天氣情況下發(fā)現(xiàn):①#18 風(fēng)機(jī)安裝大功率機(jī)械式氣象站在小風(fēng)工況下比其他機(jī)械式氣象站風(fēng)速高出1.5 m/s，在風(fēng)場平均風(fēng)速11 m/s 的大風(fēng)工況下，比其他機(jī)械式氣象站平均風(fēng)速高出6～8 m/s，并經(jīng)常誤測出35 ～40 m/s 的極大風(fēng)速。其他風(fēng)機(jī)均正常滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下，出現(xiàn)因暴風(fēng)(10 min 平均風(fēng)速高于25 m/s，30 m/s 風(fēng)速保持3 s)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)切出停運(yùn)的情況。②#25 號超聲波氣象站與其自身機(jī)械式氣象站比較，小風(fēng)時風(fēng)速高出1 ～1.5 m/s，大風(fēng)時也只同樣高出1 ～1.5 m/s。在其他風(fēng)機(jī)正常滿負(fù)荷運(yùn)行時未發(fā)生暴風(fēng)停機(jī)的情況。③#25 號超聲波氣象站風(fēng)速數(shù)據(jù)存在波動。因機(jī)械式氣象站測風(fēng)具有連續(xù)性，在南山陣風(fēng)變化較快的時候，其采樣會過濾一些時間很短的陣風(fēng)，表現(xiàn)為風(fēng)速數(shù)據(jù)比較平滑。但超聲波氣象站因精度高，能實時反映風(fēng)速變化情況，表現(xiàn)為風(fēng)速數(shù)據(jù)抖動較大。因風(fēng)機(jī)在啟機(jī)后采用轉(zhuǎn)矩控制模式，風(fēng)速只作為啟停機(jī)或安全鏈判別程序使用，風(fēng)速數(shù)據(jù)波動不會造成風(fēng)機(jī)停運(yùn)。

以上3 種氣象站的風(fēng)速比較如圖4 所示。

圖4 中選擇2012 年3 月14 日，主要原因是#18大功率氣象站的測風(fēng)偏大的缺陷，在大風(fēng)速情況會引發(fā)風(fēng)速過高、暴風(fēng)停機(jī)等保護(hù)動作;#17 與#18風(fēng)機(jī)，#1 與#25 風(fēng)機(jī)位置較近且平行具有參考價值。

5)結(jié)論:此面對面型超聲波氣象站能將冰凍對風(fēng)機(jī)運(yùn)行影響減少至最低，能保證在整改冰凍期間風(fēng)機(jī)不停運(yùn)。即在冰凍情況下能保證正常工作，風(fēng)速數(shù)據(jù)雖有波動，但不會造成風(fēng)機(jī)停運(yùn)及暴風(fēng)停機(jī)，葉片上覆冰很少，能保證風(fēng)機(jī)正常連續(xù)運(yùn)行。

3 總結(jié)

冰凍氣候?qū)︼L(fēng)力發(fā)電電量、風(fēng)機(jī)設(shè)備安全運(yùn)行的影響尤為突顯。改造后的機(jī)組經(jīng)過2012 年12 月-2013 年2 月冰凍期的考驗，均未發(fā)生因氣象站結(jié)凍后不能正常工作導(dǎo)致風(fēng)機(jī)停運(yùn)的情況，所有風(fēng)機(jī)均平穩(wěn)過冬。2013 年同比減少冰凍損失電量108萬kWh，直接經(jīng)濟(jì)效益66 萬元，按風(fēng)機(jī)使用壽命20 年計算，總體經(jīng)濟(jì)效益將達(dá)1 000 余萬元。

〔1〕ADLOF THIES GmbH ＆ Co. Instruction for Use of Wind Transmiter Compact〔M〕. Germany:ADOLF THIES GmbH ＆ Co. KG，2005:1-7，9-16.

〔2〕白水成，黃增林，李崇富，等. 溫控風(fēng)杯防凍儀的研制〔J〕.陜西氣象，2008 (5):39-40.

〔3〕張志英，趙萍，李銀鳳. 風(fēng)能與風(fēng)力發(fā)電技術(shù) (第2 版)〔M〕. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010 (11):267-375.

〔4〕徐大平，張新房，柳亦兵. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制問題綜述〔J〕.中國電力，2005，38 (4):77-79.

〔5〕Vapnik V. The Nature of Statistical Learning Theory 〔J〕. New York:Spdnge-Verlag，1995.

〔6〕李強(qiáng)，姚興佳，陳雷. 兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距機(jī)構(gòu)分析〔J〕. 沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004，26 (2):146-149.