湖南风力发电叶片结冰危害解析

风力发电叶片加冰危害解析

结冰危害

1、当风机叶片表面大量积冰时，由于每个叶片上的冰载不同，使机组的不平衡载荷增大，从而降低风机的零部件寿命，对机组造成较大的危害；2、由于积冰厚度不一，叶片原有的气动外形将发生改变，降低机组的风能利用系数，从而造成发电功率降低，严重时还可造成风电机组无法正常启动；3、风机上的测风仪结冰后，将无法正常工作，使测量数据不准，影响机组的正常运行和控制；4、结冰后，如果风机继续运行，抛出的冰层碎块或掉落的大冰块可能会伤害到风机自身及其附近的人或物。

低温影响

1、由于空气密度随着温度的降低而增大，因此低温环境会造成风电机组额定出力增加，出现过发过载的情况；2、风机出现低温疲劳问题，严重情况下可造成焊缝断裂；3、风电机组所使用的润滑油将随着温度的降低粘稠度增大，流动性变差，风机需要润滑的部位可能无法得到充分的油量供应，从而危及风机设备的安全。因此，在冰冻灾害天气发生前的有效预警时间内准确高效地传递天气预测预警信息至关重要。高精度气象预测预警服务方案，可以最大程度上预防叶片结冰对机组的危害，优化客户资源配置，降低客户财产损失，确保人员和设备安全。

为什么风机叶片上会结冰

当环境中湿度较大并且温度低于0度时，风机叶片就有可能会出现结冰的现象。在环境湿度一定的情况下，如果风机继续运行，叶尖相对速度大，相应的叶片表面换热系数就大，并且过冷水滴以及湿雪在叶片表面的堆积速率增加，从而导致叶片运行过程中，更容易加剧结冰。

叶片上的结冰可谓五花八门，影响风机运行的结冰类型主要有云中覆冰和降水覆冰，其中云中覆冰是指过冷水滴高速拍打在结构表面而冻结，又分为明冰和霜冰；降水覆冰主要指融雪在低温下重新冻结。明冰形成的过程较慢，因此相对密实，成透明色，附着力大。由于其冰型不规律，对叶片气动影响严重且附着力大，不易脱落；而霜冰形成较快，冰粒之间充满空气，因此成乳白色，其形状较光滑，对气动影响过程缓慢且附着力小，较易脱落。融雪在低温下重新冻结后，附着力介于明冰与霜冰之间，对气动的影响也介于两者之间。

值得注意的是，风机结冰对发电量、叶片以及整机都存在较大负面影响和危害，所以确保机组运行安全是结冰期运行的最高考量要素，以规避风险并尽量降低经济损失。比如，某风场风机由于叶片结冰后持续运行，最终导致叶片超载断裂、机组倒塌的事故（见图1）。

图1：风机由于结冰导致叶片断裂、机组倒塌

叶片上结冰的危害有多大

通常来看，叶片结冰会最先发生在翼型敏感的前缘部位，这会明显降低叶片升力系数，增加叶片阻力系数，导致发电量降低，图2描述了叶片覆冰后的功率曲线异常波动情形。更严重的是，进一步的覆冰会导致翼型失速攻角提前，叶片进入失速区域，气动特性发生剧烈波动，从而引起风机叶片颤振，甚至引起整机的共振。如图3所示，叶片严重覆冰后，其上翼型的失速攻角提前至7.5°。当该截面攻角大于失速攻角时，该截面升力系数急剧下降，会引起叶片额外的载荷波动以及结构振动，损害叶片的疲劳寿命。

同时，覆冰所带来的冰块附加重量，以及升阻系数的巨大变化，会使得整机的静载和动载明显增加，极有可能最终引发极限超载，导致叶片断裂甚至机组倾覆的灾难后果。而在化冰期间，随着环境温度上升引起覆冰的融化，伴随叶片的高速运行，叶片表面冰块甩出可能会造成严重的安全事故，造成周边居民的财产损失和人员伤害。这风机叶片上结冰的危害之大真是令人惊心！

图2：覆冰后的功率曲线异常波动

图3：翼型结冰前后升力系数