羅定夫 胡滿

摘 要：研究風電場風電機組氣象站防凝凍技術(shù)，增強氣象站在冰凍期間的可靠性，確保在冰凍期間風機氣象站正常工作，從而保證風機在冰凍期間運行，降低葉片覆冰的可能性，極大減小葉片覆冰厚度，降低風機故障率，提高風機可利用率及發(fā)電能力。通過對實際風力發(fā)電機組試驗運行數(shù)據(jù)觀察發(fā)現(xiàn)使用性能優(yōu)良的超聲波氣象站有效提高設備冰凍期間的可利用率。

關(guān)鍵詞：風力發(fā)電機組;氣象站;防凝凍技術(shù)

1 概述

風電場出現(xiàn)大面積冰凍停運情況，當時天氣狀況：大霧，空氣濕度82%，最高氣溫為4 ℃，最低氣溫為-2℃，平均風速為9 m/s，最大風速為12m/s。從15日凌晨1 時40分起，溫度從2℃左右急劇下降至-3℃。凌晨4時，風場投入運行的24臺風力發(fā)電機組陸續(xù)全部故障停機。上位機監(jiān)控檢查24臺機組故障均為5309（風向儀無擺動故障）或5308（冰凍報警）。調(diào)取風機歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：各臺因故障停運機組風速信號仍然有數(shù)值顯示但是明顯偏低，風向儀保持一定數(shù)值長時間不變化。故判斷風機有風速、無風向信號，無法識別風況，導致故障停機。

根據(jù)風電場發(fā)電量分析可知：在2015年12月至2016年2月的冰凍期間，因結(jié)冰導致風機停運造成電量損失累計超過200萬kW·h，占每年損失電量比重較大?？梢姡鶅鰧︼L電場的安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行帶了巨大的損失。研究氣象站抗冰凍的方法顯得十分迫切。

2 氣象站結(jié)冰情況與分析

2.1 氣象站結(jié)冰情況

12月15日上午8時，維護人員登塔檢查停運風機狀況，發(fā)現(xiàn)風機氣象站完全被冰雪凍住，導致氣象站無法正常工作。檢查風速儀、風向標加熱回路工作正常，用手觸摸氣象站表面，感覺到加熱效果，且冰雪堆積處有明顯融冰痕跡，但因溫度持續(xù)下降，覆冰太厚導致風向標旋轉(zhuǎn)部件凍住無法擺動。出機艙用望遠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。

2.2 氣象站結(jié)冰情況分析

通過在冰凍期內(nèi)對風機運行狀況的長期跟蹤，氣象站結(jié)冰影響風機運行的主要原因如下：①地處高寒山區(qū)，春冬兩季空氣濕度很大，能達到90% 以上，如遇氣溫急劇下降，冰凍情況嚴重。②風機氣象站現(xiàn)有設備加熱功率（100 W）基本滿足要求，如遇持續(xù)降溫恐無法達到融冰要求。但如若大功率加熱器長時間加熱可能會造成設備內(nèi)精密元件的加速老化。③ 機械式氣象站風向標、風速儀轉(zhuǎn)動部位連接處為由于離加熱元件較遠，較容易發(fā)生冰凍。④當風向標結(jié)冰加上主控程序的設置不合理，而引發(fā)偏航系統(tǒng)進入偏航死區(qū)內(nèi)，報扭纜故障告警，增加風機故障概率。⑤風機葉片結(jié)冰，將改變?nèi)~片迎風面形狀，會增加塔架載荷和水平方向推力，損耗吸收進葉輪的機械能。

3 氣象站抗冰凍措施及實施

3.1 解決問題的思路

根據(jù)風機安裝位置氣候條件，冰凍季節(jié)長但單次冰凍時間普遍較短且回暖較快。只要解決風機氣象站因冰凍不能正常工作的問題，風機在冰凍情況下正常運行，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，從而可有效減輕風機葉片覆冰情況，盡可能減少風機冰凍期間因葉片結(jié)冰的停機。因此，可通過增強氣象站在冰凍期間的可靠性，確保在冰凍期間風機氣象站正常工作，從而保證風機在冰凍期間運行，降低葉片覆冰的可能性，極大減小葉片覆冰厚度，降低風機故障率，提高風機可利用率及發(fā)電能力。

3.2 解決措施及效果分析

3.2.1大功率氣象站效果分析

1）目前使用的為浙江貝良所生產(chǎn)的BLF1-XⅡ大功率抗冰凍型風速風向儀。

2）存在的問題：①大功率氣象站在冰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械式氣象站快4～5h;②加熱功率增大至100W 對周邊設備影響很小，但大功率加熱器容易元件加速老化;

3）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，對緩解冰凍影響有一定作用，但大功率加熱器長時間的工作，設備內(nèi)部長時間處于高溫狀態(tài)，造成內(nèi)部精密電子元件加速老化，嚴重影響設備的壽命。

3.2.2 更換超聲波氣象站

1）實施過程：于2015年11月在#10選用浙江貝良公司生產(chǎn)的BLF1-C型超聲波氣象站安裝于風機氣象站風向標#2位置，并將超聲波氣象站風況數(shù)據(jù)作為主導數(shù)據(jù)引入風機進行計算，機械式氣象站風況數(shù)據(jù)作為輔助數(shù)據(jù)進行比較。在#10風機，超聲波氣象站加熱功率為最小140 W，且能在柱體內(nèi)部加熱，熱量能傳遞到測風元件頂部，且基于其工作原理并無選裝部件大大減少冰凍旋轉(zhuǎn)部件的影響。

2）結(jié)冰情況：安裝超聲波測風儀的#10風機機械式氣象站被冰雪覆蓋，但超聲波氣象站能正常工作，能實時的讀取風速數(shù)據(jù)及風向;能正常的反應風電場實時的氣象數(shù)據(jù)。

3）在正常天氣情況下發(fā)現(xiàn)：#10號超聲波氣象站與其自身機械式氣象站比較，小風時風速高出1 ～ 1.5 m/s，大風時高出2～ 3 m/s。有時會導致風力發(fā)電機組誤報大風小功率故障停機，此問題已聯(lián)系主控廠家做出程序修正。

4）結(jié)論：超聲波能將冰凍對風機運行影響減少至最低，能保證在整個冰凍期間氣象站不停運。即在冰凍情況下能保證正常工作，風速數(shù)據(jù)雖然偶爾偏高，易造成誤報故障，但通過程序修正解決且不會造成風機停運，因而葉片上覆冰很少，能保證風機正常連續(xù)運行。

4 主要結(jié)論

冰凍氣候?qū)︼L力發(fā)電電量、風機設備安全運行的影響尤為突顯。

1）原裝的所有機械式抗冰凍的風向風速儀，因大功率持續(xù)長時間加熱等問題造成損壞（第一批次已損壞14臺），現(xiàn)已將24臺全部更換成優(yōu)化型抗冰凍型機械式風速風向儀。但是大功率加熱元件持續(xù)加熱對對精密元器件的損傷不可避免。因此，大功率氣象站設備在考慮加熱融冰的同時，關(guān)鍵的技術(shù)瓶頸仍然是精密電子元件的老化問題。

2）已更換超聲波氣象站的#10風機，雖然測出風速有些許偏差，但可通過后期程序修正解決。在冰凍天氣幾乎不會因為氣象站結(jié)冰情況造成風機停機的情況發(fā)生，大部分停機故障為大風小功率，是由于葉片結(jié)冰造成，基本可滿足機組運行要求。

3）目前，影響風力發(fā)電機組冰凍時期的工作效率的主要原因是葉片結(jié)冰，而已非氣象站結(jié)冰，葉片結(jié)冰已經(jīng)成為了制約我國冰凍區(qū)域風力發(fā)電發(fā)展的一個難題。

參考文獻

[1]南京工程學院學報：第10卷 第3期，董紅云、顏志偉、王立鵬、朱輝、王曉，風力發(fā)電機組防凝露技術(shù)研究與應用，2012年9月，46頁—49頁;

[2]湖南電力：第33卷增刊2，鄧磊、馮高煜、曾益民，南山風電場XE82機型氣象站抗冰凍的研究，2013年9月，76頁—79頁。