中車株洲時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機會。我匯報的內(nèi)容主要分為四個部分：第一是技術(shù)背景，第二是系統(tǒng)原理說明，第三是現(xiàn)有工作基礎，第四是推廣應用及經(jīng)濟、效益。
我們首先講一下技術(shù)背景，針對“三北”地區(qū)大型風電場因風電消納和外送能力不足、出現(xiàn)大規(guī)模棄風現(xiàn)象，為促進低風速地區(qū)風資源開發(fā)，因地制宜建設中小型風電場，采用低風速機型，就近上網(wǎng)、本地消納，已成為我國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新趨勢。湖南、江西、云南、貴州、重慶、安徽等中西部地區(qū)的低風速風場，通常在冬季風況條件最好、風速最大，是一年中發(fā)電的黃金時期，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，使風電葉片出現(xiàn)嚴重結(jié)冰覆冰現(xiàn)象，輕則影響風力發(fā)電效率，重則迫使風機停機而無法發(fā)電，甚至有可能造成風機超負荷運行出現(xiàn)損壞事故。因此，針對我國方興未艾的中西部低速風區(qū)，研制開發(fā)抗冰凍低風速大型風電葉片，具有非常迫切而重要的意義。
分析結(jié)冰造成葉片氣動外形改變對風機發(fā)電量的影響，氣動外形改變導致風能捕獲能力急劇下降，導致載荷增加，振動加劇。脫落冰塊被甩出的距離可達1.5倍葉尖高度。可導致30%到60%的風速測量誤差。
德國Enercon公司于2012年開發(fā)了氣熱抗冰系統(tǒng)應用于2.0MW機型E-82上，用于7.5MW機型E-126的產(chǎn)品尚在開發(fā)中；丹麥Vestas的氣熱抗冰技術(shù)于2013年獲得首個來自奧地利的3.3MW機型V-112上。 國電聯(lián)合動力于2013年11月首套氣熱抗冰型葉片下線；東方電機與中車時代新材聯(lián)合開發(fā)葉片混合抗冰系統(tǒng)，于2015年8月在瑞典完成31臺2.5MW電加熱與氣加熱相結(jié)合抗冰型風機安裝。氣熱抗冰技術(shù)是目前重點推廣的第二代技術(shù)，開展此項目綜合了現(xiàn)有的技術(shù)基礎和人力資源，并充分評估了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，從技術(shù)的抗冰效果、研制成本、維護成本、技術(shù)成熟度和市場推廣的可操作性方面優(yōu)先開發(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、涂層應用，在運行期風機首先判斷環(huán)境溫度是否低于2度；然后根據(jù)當時的平均功率和變槳角與正常范圍對比，必須排除風速儀結(jié)冰的因素，再判斷葉片是否結(jié)冰。自主開發(fā)的人機界面可以實時監(jiān)控鼓風機、加熱器的運行參數(shù)和葉片溫度的變化情況，并做出相應控制。氣加熱控制系統(tǒng)可實現(xiàn)手動和自動控制模式，兩種控制模式下又分為強力除冰模式和普通除冰模式。對于評估期的樣機，推薦使用我們經(jīng)過實踐證明有效的無線通信設備，減少對電力滑環(huán)的改造難度。
機位的主控系統(tǒng)PLC接受SCADA系統(tǒng)的遠程控制指令實現(xiàn)氣熱抗冰系統(tǒng)的電力供應，氣熱系統(tǒng)（HAS）自身的PLC通過對鼓風機和加熱器的運行參數(shù)和葉片本體溫度變化自動控制葉片腔內(nèi)部件的啟停，并具備故障報警和緊急制動功能。這個是示意圖，里面是一個氣體流向圖，氣熱抗冰系統(tǒng)（HAS）可根據(jù)不同風場環(huán)境結(jié)冰條件重點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效應，可以兼顧如葉根等非重點區(qū)域的抗冰效果。這個是系統(tǒng)原理說明熱氣流加熱可以有效加熱葉片結(jié)冰的重點區(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米級葉片，可實現(xiàn)國內(nèi)-10℃~ 5℃結(jié)冰環(huán)境下防冰/除冰，同時具備-40℃超低溫啟動功能。
2.鼓風機功率2.5kW, 流量4000m3/h，加熱器功率20kW，輸風管道長20m；
3.葉片內(nèi)鼓風加熱系統(tǒng)實現(xiàn)模塊化設計，最大模塊物理尺寸600mm×400mm×300mm，可實現(xiàn)風場登機功能升級；
4.三支葉片加熱系統(tǒng)同時接收外部啟動信號與停止信號，由PLC系統(tǒng)控制實現(xiàn)過熱保護、過載保護等故障監(jiān)測；
5.可提供與主控兼容的人機界面和防干擾能力的無線信號通訊；
我們再介紹一下，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，在二維仿真模型計算結(jié)果表明，對于50米長的葉片，20kw氣加熱功率在外界溫度環(huán)境處于-15度~-20度間除冰時，工程應用效果不理想，與試驗結(jié)果一致。超過零下15度不推薦使用氣加熱。左圖是地面氣加熱1小時后的熱成像效果圖；右圖為試驗過程中葉尖段傳感器的溫升曲線。基本表明，20kw的加熱功率是具備工程應用價值，再加大功率會受到葉片本體材料導熱性能限制，但對于嚴重結(jié)冰環(huán)境時，需要儲備40kw的加熱能力。比如這個項目設置40千瓦，但是對國內(nèi)是推薦20千瓦。這個圖是證實實驗效果，把整支葉片扔到冰庫里面，在全尺寸冷庫試驗中，目前還有不完善的方面，但是已經(jīng)開展起來了，在120min鐘內(nèi)葉片表面的冰可以自行融化掉落，在實際風機運行中，由于風機振動影響，效果會更好。
剛才提到氣加熱的技術(shù)安全，可維護性。這是在國內(nèi)裝機了一臺，目前運行了兩年，在兩年里面得到了一個結(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)試隊伍，我們也已經(jīng)有了企業(yè)標準。右邊的圖是三支葉片一起，這個是我們客戶反饋回來瑞典效果的證明，以及這款葉片出口也起到了認證，我們的東西可靠，技術(shù)專利也是通過審查的。我們的技術(shù)主要是針對在南方。
最后是我們的總結(jié)部分，氣熱抗冰技術(shù)經(jīng)過充分地分析計算、試驗、樣機考核及北歐風場批量應用，可以得到進一步推廣應用；與北歐等地相比，中國南部冰凍地區(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)方案設計應有充分的針對性；通過氣熱抗冰硬件的模塊化設計，7天可實現(xiàn)風場葉片抗冰功能升級。
謝謝大家的聆聽！
