中車株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司 楊文濤/副總工程師
謝謝大家！謝謝主辦方給我這個(gè)機(jī)會(huì)。我匯報(bào)的內(nèi)容主要分為四個(gè)部分：第一是技術(shù)背景，第二是系統(tǒng)原理說(shuō)明，第三是現(xiàn)有工作基礎(chǔ)，第四是推廣應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)、效益。
我們首先講一下技術(shù)背景，針對(duì)“三北”地區(qū)大型風(fēng)電場(chǎng)因風(fēng)電消納和外送能力不足、出現(xiàn)大規(guī)模棄風(fēng)現(xiàn)象，為促進(jìn)低風(fēng)速地區(qū)風(fēng)資源開(kāi)發(fā)，因地制宜建設(shè)中小型風(fēng)電場(chǎng)，采用低風(fēng)速機(jī)型，就近上網(wǎng)、本地消納，已成為我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。湖南、江西、云南、貴州、重慶、安徽等中西部地區(qū)的低風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)，通常在冬季風(fēng)況條件最好、風(fēng)速最大，是一年中發(fā)電的黃金時(shí)期，但是這些地區(qū)在冬季陰冷潮濕，容易出現(xiàn)冰凍、霧凇等惡劣天氣，使風(fēng)電葉片出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)冰覆冰現(xiàn)象，輕則影響風(fēng)力發(fā)電效率，重則迫使風(fēng)機(jī)停機(jī)而無(wú)法發(fā)電，甚至有可能造成風(fēng)機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行出現(xiàn)損壞事故。因此，針對(duì)我國(guó)方興未艾的中西部低速風(fēng)區(qū)，研制開(kāi)發(fā)抗冰凍低風(fēng)速大型風(fēng)電葉片，具有非常迫切而重要的意義。
分析結(jié)冰造成葉片氣動(dòng)外形改變對(duì)風(fēng)機(jī)發(fā)電量的影響，氣動(dòng)外形改變導(dǎo)致風(fēng)能捕獲能力急劇下降，導(dǎo)致載荷增加，振動(dòng)加劇。脫落冰塊被甩出的距離可達(dá)1.5倍葉尖高度?？蓪?dǎo)致30%到60%的風(fēng)速測(cè)量誤差。
德國(guó)Enercon公司于2012年開(kāi)發(fā)了氣熱抗冰系統(tǒng)應(yīng)用于2.0MW機(jī)型E-82上，用于7.5MW機(jī)型E-126的產(chǎn)品尚在開(kāi)發(fā)中；丹麥Vestas的氣熱抗冰技術(shù)于2013年獲得首個(gè)來(lái)自?shī)W地利的3.3MW機(jī)型V-112上。 國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力于2013年11月首套氣熱抗冰型葉片下線；東方電機(jī)與中車時(shí)代新材聯(lián)合開(kāi)發(fā)葉片混合抗冰系統(tǒng)，于2015年8月在瑞典完成31臺(tái)2.5MW電加熱與氣加熱相結(jié)合抗冰型風(fēng)機(jī)安裝。氣熱抗冰技術(shù)是目前重點(diǎn)推廣的第二代技術(shù)，開(kāi)展此項(xiàng)目綜合了現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)和人力資源，并充分評(píng)估了國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，從技術(shù)的抗冰效果、研制成本、維護(hù)成本、技術(shù)成熟度和市場(chǎng)推廣的可操作性方面優(yōu)先開(kāi)發(fā)氣熱抗冰技術(shù)。
局部前緣加熱膜、整體電加熱、熱空氣傳導(dǎo)、涂層應(yīng)用，在運(yùn)行期風(fēng)機(jī)首先判斷環(huán)境溫度是否低于2度；然后根據(jù)當(dāng)時(shí)的平均功率和變槳角與正常范圍對(duì)比，必須排除風(fēng)速儀結(jié)冰的因素，再判斷葉片是否結(jié)冰。自主開(kāi)發(fā)的人機(jī)界面可以實(shí)時(shí)監(jiān)控鼓風(fēng)機(jī)、加熱器的運(yùn)行參數(shù)和葉片溫度的變化情況，并做出相應(yīng)控制。氣加熱控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)控制模式，兩種控制模式下又分為強(qiáng)力除冰模式和普通除冰模式。對(duì)于評(píng)估期的樣機(jī)，推薦使用我們經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明有效的無(wú)線通信設(shè)備，減少對(duì)電力滑環(huán)的改造難度。
機(jī)位的主控系統(tǒng)PLC接受SCADA系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制指令實(shí)現(xiàn)氣熱抗冰系統(tǒng)的電力供應(yīng)，氣熱系統(tǒng)（HAS）自身的PLC通過(guò)對(duì)鼓風(fēng)機(jī)和加熱器的運(yùn)行參數(shù)和葉片本體溫度變化自動(dòng)控制葉片腔內(nèi)部件的啟停，并具備故障報(bào)警和緊急制動(dòng)功能。這個(gè)是示意圖，里面是一個(gè)氣體流向圖，氣熱抗冰系統(tǒng)（HAS）可根據(jù)不同風(fēng)場(chǎng)環(huán)境結(jié)冰條件重點(diǎn)加熱葉片前緣或后緣部分，由于氣體加熱自身具備保溫延時(shí)效應(yīng)，可以兼顧如葉根等非重點(diǎn)區(qū)域的抗冰效果。這個(gè)是系統(tǒng)原理說(shuō)明熱氣流加熱可以有效加熱葉片結(jié)冰的重點(diǎn)區(qū)域(靠近葉尖部位)，兼顧后緣和葉根段。
1.適用于典型40米~60米級(jí)葉片，可實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)-10℃~ 5℃結(jié)冰環(huán)境下防冰/除冰，同時(shí)具備-40℃超低溫啟動(dòng)功能。
2.鼓風(fēng)機(jī)功率2.5kW, 流量4000m3/h，加熱器功率20kW，輸風(fēng)管道長(zhǎng)20m；
3.葉片內(nèi)鼓風(fēng)加熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，最大模塊物理尺寸600mm×400mm×300mm，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)登機(jī)功能升級(jí)；
4.三支葉片加熱系統(tǒng)同時(shí)接收外部啟動(dòng)信號(hào)與停止信號(hào)，由PLC系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)過(guò)熱保護(hù)、過(guò)載保護(hù)等故障監(jiān)測(cè)；
5.可提供與主控兼容的人機(jī)界面和防干擾能力的無(wú)線信號(hào)通訊；
我們?cè)俳榻B一下，前面的這么多引言，現(xiàn)在介紹一下中車新才做了什么工作，在二維仿真模型計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于50米長(zhǎng)的葉片，20kw氣加熱功率在外界溫度環(huán)境處于-15度~-20度間除冰時(shí)，工程應(yīng)用效果不理想，與試驗(yàn)結(jié)果一致。超過(guò)零下15度不推薦使用氣加熱。左圖是地面氣加熱1小時(shí)后的熱成像效果圖；右圖為試驗(yàn)過(guò)程中葉尖段傳感器的溫升曲線?；颈砻鳎?0kw的加熱功率是具備工程應(yīng)用價(jià)值，再加大功率會(huì)受到葉片本體材料導(dǎo)熱性能限制，但對(duì)于嚴(yán)重結(jié)冰環(huán)境時(shí)，需要儲(chǔ)備40kw的加熱能力。比如這個(gè)項(xiàng)目設(shè)置40千瓦，但是對(duì)國(guó)內(nèi)是推薦20千瓦。這個(gè)圖是證實(shí)實(shí)驗(yàn)效果，把整支葉片扔到冰庫(kù)里面，在全尺寸冷庫(kù)試驗(yàn)中，目前還有不完善的方面，但是已經(jīng)開(kāi)展起來(lái)了，在120min鐘內(nèi)葉片表面的冰可以自行融化掉落，在實(shí)際風(fēng)機(jī)運(yùn)行中，由于風(fēng)機(jī)振動(dòng)影響，效果會(huì)更好。
剛才提到氣加熱的技術(shù)安全，可維護(hù)性。這是在國(guó)內(nèi)裝機(jī)了一臺(tái)，目前運(yùn)行了兩年，在兩年里面得到了一個(gè)結(jié)論連接可靠性是值得我們信賴的。我們有一支專業(yè)化調(diào)試隊(duì)伍，我們也已經(jīng)有了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。右邊的圖是三支葉片一起，這個(gè)是我們客戶反饋回來(lái)瑞典效果的證明，以及這款葉片出口也起到了認(rèn)證，我們的東西可靠，技術(shù)專利也是通過(guò)審查的。我們的技術(shù)主要是針對(duì)在南方。
最后是我們的總結(jié)部分，氣熱抗冰技術(shù)經(jīng)過(guò)充分地分析計(jì)算、試驗(yàn)、樣機(jī)考核及北歐風(fēng)場(chǎng)批量應(yīng)用，可以得到進(jìn)一步推廣應(yīng)用；與北歐等地相比，中國(guó)南部冰凍地區(qū)的最低溫度較高，冰凍電量損失可觀但不太大，抗冰凍技術(shù)方案設(shè)計(jì)應(yīng)有充分的針對(duì)性；通過(guò)氣熱抗冰硬件的模塊化設(shè)計(jì)，7天可實(shí)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)葉片抗冰功能升級(jí)。
謝謝大家的聆聽(tīng)！
