一种基于风机叶片覆冰特性混合除冰系统的设计方法与流程

1.本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种基于风机叶片覆冰特性混合除冰系统的设计方法。


背景技术：

2.在南方低风速地区与部分高风速地区的风电场中，冬季和春季普遍存在着较为严重的冰冻问题。风电机组叶片上出现覆冰，将改变叶片的气动外形与重量分布，打破叶片的载荷平衡，导致叶片和风轮的振动等问题，对机组运行与电力生产的经济性和安全性有直接影响。
3.基于目前拥有基数较大的存量风电，在凝冻天气下对风电机组叶片高效防除冰技术的迫切需求。现阶段，防除冰方法有基于热融冰的气热除冰/电热除冰法、化学除冰法和机械除冰法等主动式防除冰方式，以及基于超疏水涂层喷覆的防覆冰涂层法等被动式防冰方式。
4.现阶段，尚无可大范围推广应用的成熟的风电机组叶片防除冰技术(或组合)，实际上，由于风机所处环境及结冰气候条件的差异性，加之风电机组叶片长度大、厚度分布不均等特点，叶片防除冰技术不同程度地存在着能耗高、寿命短、设备与运维成本高、雷击损伤等问题或风险，造成了单一技术路线的叶片防除冰方法的应用“瓶颈”。比如，气热除冰技术由于叶片材料的弱导热属性与厚度分布的差异，无法对整个叶片实现高效且低能耗的除冰效果；电热除冰技术虽然不需要过分考虑热量传递问题，但存在雷击风险(全叶片采用电热除冰将增加雷击风险等)；超疏水防覆冰涂层只能防冰，无法除冰，在严重凝冻天气下涂层的防冰功能可能失效等等。
5.出于单一防除冰技术的局限性，风电机组叶片可考虑采用混合型防除冰方式，而如果只是简单地将多种防除冰技术进行叠加，不仅会带来高昂的设计、制造、安装及运维成本，而且在实际的运行中除冰效果不佳且能耗较高。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于风机叶片覆冰特性混合除冰系统的设计方法，能够使得风机叶片在全气候条件下(包括极端凝冻天气)都具备高效的防除冰功能，并且系统的构建成本低、能耗低。
7.本发明是通过以下技术方案来实现：
8.一种基于风机叶片覆冰特性混合除冰系统的设计方法，包括以下步骤：
9.s1：收集并分析风电机组的环境及气象因素，确定用于叶片覆冰特性试验的气象参数组合；
10.s2：根据实际风电机组的叶片状况，还原并制作叶片结冰试验模型；
11.s3：在风洞试验设施中，基于s1确定的气象参数组合和s2制得的叶片结冰试验模型，结合风电机组的正常运行参数，还原风电机组叶片的结冰环境特性；观察叶片结冰试验
模型的结冰特性，得到叶片表面结冰的时空特性；
12.s4：对s3得到的叶片表面结冰的时空特性进行量化分析，得到在覆冰开始形成后的不同时间段内的叶片覆冰演变规律，得到覆冰特性数据库；
13.s5：基于s4得到的覆冰特性数据库，分别选取叶片在包括极端结冰气候在内的多种典型天气下的覆冰情况，综合确定气热单独除冰区域和气热/电热混合除冰区域的边界；
14.s6：基于数值模拟方法对气热除冰系统进行设计及运行参数优化，然后结合叶片外表面温度分布情况，对气热单独除冰区域进行更新补充；
15.s7：在气热单独除冰区域以外的气热/电热混合除冰区域加装电加热膜，并定制化各个位置的电加热膜的额定功率，完成叶片混合除冰系统的设计。
16.优选地，s1中，所述环境及气象因素包括风速、气压、气温、湿度和空气中过冷水滴颗粒度分布。
17.优选地，s1中，所述气象参数组合包括能反映风电机组所处的正常结冰天气与极端凝冻天气下的主要气象特征。
18.优选地，s2中，所述叶片状况包括表面材料、翼型、长度和表面粗糙度。
19.优选地，s3中，所述结冰特性包括叶片覆冰的类型、发生区域和形成速度。
20.优选地，s4具体为：基于s3得到的叶片表面结冰的时空特性，分析不同等级凝冻气候下，叶片上覆冰出现与生长的时间与空间发展特性，得到在叶片的不同展向位置，覆冰出现区域与厚度发展的规律，并确定特定时间内覆冰情况恶化的临界厚度，形成特定叶片在所处环境不同结冰气候下的覆冰特性数据库。
21.优选地，s5具体为：基于s4得到的覆冰特性数据库，结合叶片在多种典型结冰气候下的结冰情况，综合确定气热单独除冰区域和气热/电热混合除冰区域的边界；在极端结冰气候下，分别选取覆冰开始出现后预设时间内形成特定覆冰厚度的位置和靠近叶片尾缘的区域，作为气热单独除冰区域；叶片其余区域为气热/电热混合除冰区域。
22.优选地，s6具体为：结合常规热鼓风除冰技术，基于数值模拟方法观察热鼓风对叶片加热的效果差异，调整并迭代优化热风输送参数，使得气热单独除冰区域对应的叶片表面温度均不低于0.5～1.5℃，且加热风温最高不超过70℃；结合优化热风输送参数下的叶片外表面温度分布情况，对气热单独除冰区域进行更新补充。
23.优选地，s7具体为：在气热单独除冰区域以外的气热/电热混合除冰区域加装电加热膜，结合叶片外表面温度分布、叶片内部导热速率以及覆冰特性数据库，差异化确定电加热膜的额定功率。
24.优选地，在正常结冰气候条件下，基于覆冰特性数据库，结合覆冰监测系统，调整气热除冰系统的运行参数，实现较轻凝冻天气的叶片防除冰需求；在较为严重的或极端凝冻天气下，结合电热膜铺覆区域的覆冰监测与覆冰特性数据库，优化叶片上各区域电加热膜的运行功率，利用气热除冰系统和电热储并系统协同去除叶片覆冰。
25.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
26.本发明公开的基于风机叶片覆冰特性混合除冰系统的设计方法，结合改造目标叶片的覆冰形成与发展规律，定制化设计高效防除冰系统及运行方式，该设计方法与在同一叶片上简单地叠加多种防除冰技术的混合型技术存在较大差别，技术难度相对更高。这是因为，叶片尺寸较大，叶片展向方向上的不同位置的翼型与大气来流相对速度不同，导致大
气中的水汽或微小水滴与叶片相互作用存在差异，直接影响了覆冰的行程，使得整只叶片上覆冰的形成与发展过程呈现有一定的规律及差异性，基于该规律特性设计混合型防除冰系统，在降低设备需求、减少系统能耗、减低防雷风险等方面具有优势。
27.本发明综合选取叶片上下表面结冰程度较低的区域，依靠气热除冰系统的运行参数优化实现防除冰效果；在其余结冰程度较高的区域，叶尖等处由于厚度较小，借助气热除冰系统的运行能实现部分除冰效果，剩余的区域综合考虑气热除冰系统的贡献和结冰严重程度，辅助以电加热膜的铺覆，并能够量化地选择电加热膜的额定功率，对整个叶片的防除冰需求实现定制化设计，实现了风电机组在所处特定环境下的不同程度凝冻天气的叶片防除冰需求解决。
附图说明
28.图1为本发明的方法流程示意图。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
30.如图1，本发明的基于风机叶片覆冰特性混合除冰系统的设计方法，首先，针对要进行混合型防除冰方案设计的特定风电机组，收集并整理环境和气象因素(包括但不限于风速、气压、气温、湿度、空气中过冷水滴颗粒度分布等信息)，结合风电机组叶片出现最严重凝冻情况时的历史极端天气情况，选择并设计多组气象参数组合，将用于叶片覆冰特性试验。气象参数组合的选择与设计须能反映机组所处的正常结冰天气与严重(极端)凝冻天气的主要气象特征。
31.其次，基于防除冰改造目标风机的叶片状况(如表面材料、翼型、长度、表面粗糙度等)，还原并制作相同的叶片结冰试验模型；
32.然后，在叶片结冰风洞试验设施中，基于上述气象数据设定和试验叶片设计，结合风电机组的正常运转(如转速等)，设置并还原风电机组叶片的结冰环境特性。
33.开展叶片覆冰试验，观察风电机组叶片的结冰特性，包括叶片覆冰的类型、发生区域、形成速度等，得到叶片表面结冰的时空特性，即随时间发展的覆冰出现与发展特性。
34.对试验结果进行量化分析，结合现有的结冰理论，覆冰主要出现在叶尖以及叶片中后段的前缘处，因为叶尖与空气来流的相对速度更大，空气中的微小过冷水滴与更快速的叶片碰撞，过冷水滴更容易发生形态上的变化，即转变成固态并粘附在碰撞区域形成覆冰；在叶片中后段，其前缘容易结冰，则是由于空气来流先与前缘碰撞的缘故。相比之下，叶片的其他部位出现覆冰，更多是因为前缘等结冰后对叶片整体气动外形等的影响，导致冰层逐渐蔓延生长。
35.对叶片表面结冰的时间与空间发展特性进行量化分析。设定不同叶片展向位置上，叶片覆冰转变为较为严重(或失控)情况的临界值等，如覆冰开始出现后的特定时间内，在叶片弦向方向上，覆冰覆盖面积占比达到某临界值，或是在特定时间内叶片特定位置出现覆冰的厚度超过某个临界值，等等。超过该临界值，由于叶片气动特性的失效，叶片将很快全被生长蔓延的覆冰覆盖。
36.在上述设定下，基于叶片覆冰时空特性分析结果，得到整支叶片在不同结冰气候下的覆冰演变规律(包括结冰区域与厚度发展等)，形成覆冰特性数据库，基于该数据库，可以查询到特定叶片位置出现覆冰的时间，以及冰层厚度随时间的演变等。一般地，在覆冰出现后的特定时间内，不易结冰的叶片区域(如叶片尾缘等)出现覆冰，一方面是因为前缘等处出现覆冰导致叶片气动外形的变化，影响了对应区域不易结冰的属性，另一方面可能是覆冰生长并蔓延所致。
37.在上述覆冰特性数据库中，分别选取叶片在包括极端结冰气候在内的多种典型天气下的覆冰情况，综合确定气热除冰区域与气热/电热混合除冰区域的边界。优先地，在极端结冰气候下，分别选取覆冰开始出现后一定时间内形成特定厚度的位置(如30min内出现厚度超过2mm覆冰)，其靠近叶片尾缘的区域，作为气热除冰技术的防除冰范围，即该区域仅依靠气热除冰系统就能实现防除冰效果。结合一般结冰气候下的覆冰特性，对上述选定区域可进行适当调整。
38.气热除冰系统运行时，基于行业通用的热鼓风除冰技术，热风从输风管输送进叶片内腔后，开始对整支叶片加热，由于叶片在展向与弦向上的厚度差别，以及输送热风在流动过程中的风温下降，在设计的输送风参数(温度、流量、输风管出口风压等)下，上述所选定的叶片区域，加热效果将存在差异，直接体现在叶片表面温度存在差异。
39.使用数值模拟方法观察热鼓风对叶片加热的效果差异，即对目标叶片建模，并基于上述输送风参数，考虑极端结冰天气下大气环境与叶片间的边界条件设定，观察叶片内部流道的流动以及热量传递过程。
40.在模拟收敛后，观察上述划定区域的叶片外表面温度分布，结合叶片覆冰特性数据库，要求选定的区域中有覆冰出现的地方，其叶片外表面温度均不低于0.5～1.5℃(实际上，外表面温度超过0℃，空气中过冷水滴与叶片表面撞击较难形成覆冰，也有利于蔓延生长到该区域的覆冰的融化，实现预计的防除冰效果)。
41.优化调整气热除冰系统的输送风参数，风温不得超过叶片内部最高允许风温(一般为70～75℃，取70℃)，以满足上述的划定区域叶片外表面温度需求为迭代约束条件，并综合对比热除冰系统能耗，得到优化参数组合。对出现覆冰且因叶片厚度等原因加热效果不佳的区域，从上述划定区域中剔除。
42.同时，基于数值模拟结果，观察在设计的输入热风参数下，叶片其余区域(即覆冰较早出现和结冰较为严重的位置，如叶片前缘和叶尖等)的外表面温度分布情况，由于叶尖等位置厚度较薄，基于该气热除冰系统运行，即使该处覆冰情况较为严重，但仅依靠气热除冰系统，也能顺利解决防除冰问题。选取叶片外表面温度超过1.5℃的区域，补充进上述划定区域。
43.上述划定区域以外的叶片区域，即为覆冰出现和生长较严重区域，以及热鼓风加热效果不佳的区域。在该区域，额外加装电加热膜，构建区域性的电热防除冰系统，对整支叶片实现气热+电热混合的防除冰方式。结合叶片外表面温度分布、叶片内部导热速率和覆冰特性数据库，综合考虑严重结冰气候下各区域结冰强度的差异，进行定制化设计，即差异化选择该区域内各个位置的电加热膜的额定功率，形成整体设计方案。
44.最后，在目标风电机组叶片的防除冰改造施工阶段，先在叶片内部进行气热除冰的改造，再在外表面选定区域铺覆电加热膜。
45.以上主要是针对改造目标机组所在的特定结冰气候，对气热除冰区域和电热除冰系统进行定制化设计，保证了机组在极端结冰气候下的防除冰需求。而在正常结冰条件下，气热与电热系统(或单独运行气热除冰系统)以较低的功率运行，即可满足叶片的防除冰需求。具体地，基于试验分析形成的叶片覆冰特性数据库，结合覆冰监测系统，调整气热除冰系统的运行参数，可实现较轻凝冻天气的叶片防除冰需求。而一旦在电热除冰系统所布置的区域检测到覆冰，同样地可结合叶片覆冰特性数据库，差异化调整各区域电热膜的运行功率，协同去处叶片覆冰。气热与电热混合除冰系统，结合覆冰特性数据库和表面覆冰监测系统，不仅实现了目标风机在历史全气候条件下的高效防除冰需求，而且通过运行方式的优化组合，有利于降低系统的能耗。
46.本发明提出了一种风电机组叶片结合热鼓风和电加热技术的混合型高效防除冰系统的设计及运行方法。结合防除冰技改风电机组叶片所处的环境、气象和叶片自身参数等实际情况，基于风洞结冰试验，得到改造目标风电机组的叶片覆冰的时间与空间发展特性，建立叶片在不同时间段内覆冰出现与生长的区域与厚度等数据库。结合叶片在不同凝冻等级天气下的覆冰特性，在叶片吸力面与压力面不易结冰的区域综合筛选出仅以气热除冰法解决叶片防除冰需求的区域，而在叶片的其余区域，辅助以电热防除冰方法，同时，针对叶片覆冰强度的差异，针对性选择电加热膜的额定功率。系统投运后，结合叶片覆冰特性数据库与覆冰监测，在不同凝冻天气下，仅运行气热除冰系统或是综合控制气热+电热的混合除冰系统，使得风机叶片在全气候条件下(包括极端凝冻天气)都具备高效的防除冰功能，并且具有系统能耗低等特点。
47.需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于风机叶片覆冰特性混合除冰系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：收集并分析风电机组的环境及气象因素，确定用于叶片覆冰特性试验的气象参数组合；s2：根据实际风电机组的叶片状况，还原并制作叶片结冰试验模型；s3：在风洞试验设施中，基于s1确定的气象参数组合和s2制得的叶片结冰试验模型，结合风电机组的正常运行参数，还原风电机组叶片的结冰环境特性；观察叶片结冰试验模型的结冰特性，得到叶片表面结冰的时空特性；s4：对s3得到的叶片表面结冰的时空特性进行量化分析，得到在覆冰开始形成后的不同时间段内的叶片覆冰演变规律，得到覆冰特性数据库；s5：基于s4得到的覆冰特性数据库，分别选取叶片在包括极端结冰气候在内的多种典型天气下的覆冰情况，综合确定气热单独除冰区域和气热/电热混合除冰区域的边界；s6：基于数值模拟方法对气热除冰系统进行设计及运行参数优化，然后结合叶片外表面温度分布情况，对气热单独除冰区域进行更新补充；s7：在气热单独除冰区域以外的气热/电热混合除冰区域加装电加热膜，并定制化各个位置的电加热膜的额定功率，完成叶片混合除冰系统的设计。2.如权利要求1所述的基于风机叶片覆冰特性混合除冰系统的设计方法，其特征在于，s1中，所述环境及气象因素包括风速、气压、气温、湿度和空气中过冷水滴颗粒度分布。3.如权利要求1所述的基于风机叶片覆冰特性混合除冰系统的设计方法，其特征在于，s1中，所述气象参数组合包括能反映风电机组所处的正常结冰天气与极端凝冻天气下的主要气象特征。4.如权利要求1所述的基于风机叶片覆冰特性混合除冰系统的设计方法，其特征在于，s2中，所述叶片状况包括表面材料、翼型、长度和表面粗糙度。5.如权利要求1所述的基于风机叶片覆冰特性混合除冰系统的设计方法，其特征在于，s3中，所述结冰特性包括叶片覆冰的类型、发生区域和形成速度。6.如权利要求1所述的基于风机叶片覆冰特性混合除冰系统的设计方法，其特征在于，s4具体为：基于s3得到的叶片表面结冰的时空特性，分析不同等级凝冻气候下，叶片上覆冰出现与生长的时间与空间发展特性，得到在叶片的不同展向位置，覆冰出现区域与厚度发展的规律，并确定特定时间内覆冰情况恶化的临界厚度，形成特定叶片在所处环境不同结冰气候下的覆冰特性数据库。7.如权利要求1所述的基于风机叶片覆冰特性混合除冰系统的设计方法，其特征在于，s5具体为：基于s4得到的覆冰特性数据库，结合叶片在多种典型结冰气候下的结冰情况，综合确定气热单独除冰区域和气热/电热混合除冰区域的边界；在极端结冰气候下，分别选取覆冰开始出现后预设时间内形成特定覆冰厚度的位置和靠近叶片尾缘的区域，作为气热单独除冰区域；叶片其余区域为气热/电热混合除冰区域。8.如权利要求1所述的基于风机叶片覆冰特性混合除冰系统的设计方法，其特征在于，s6具体为：结合常规热鼓风除冰技术，基于数值模拟方法观察热鼓风对叶片加热的效果差异，调整并迭代优化热风输送参数，使得气热单独除冰区域对应的叶片表面温度均不低于0.5～1.5℃，且加热风温最高不超过70℃；结合优化热风输送参数下的叶片外表面温度分布情况，对气热单独除冰区域进行更新补充。
9.如权利要求1所述的基于风机叶片覆冰特性混合除冰系统的设计方法，其特征在于，s7具体为：在气热单独除冰区域以外的气热/电热混合除冰区域加装电加热膜，结合叶片外表面温度分布、叶片内部导热速率以及覆冰特性数据库，差异化确定电加热膜的额定功率。10.如权利要求1所述的基于风机叶片覆冰特性混合除冰系统的设计方法，其特征在于，在正常结冰气候条件下，基于覆冰特性数据库，结合覆冰监测系统，调整气热除冰系统的运行参数，实现较轻凝冻天气的叶片防除冰需求；在较为严重的或极端凝冻天气下，结合电热膜铺覆区域的覆冰监测与覆冰特性数据库，优化叶片上各区域电加热膜的运行功率，利用气热除冰系统和电热储并系统协同去除叶片覆冰。

技术总结
本发明公开了一种基于风机叶片覆冰特性混合除冰系统的设计方法，属于风力发电技术领域。结合风机叶片的实际情况，基于风洞结冰试验，得到叶片覆冰的时间与空间发展特性，建立在不同时间段内覆冰出现与生长的区域与厚度的数据库。结合叶片在不同凝冻等级天气下的覆冰特性，在不易结冰的区域综合筛选出仅以气热除冰法解决叶片防除冰需求的区域，而在其余区域辅助以电热防除冰方法；同时，针对叶片覆冰强度的差异定制化电加热膜的额定功率。系统投运后，结合覆冰特性数据库与覆冰监测，在不同凝冻天气下，仅运行气热除冰系统或是综合控制气热+电热的混合除冰系统，使风机叶片在全气候条件下都具备高效的防除冰功能，并且能耗低。低。低。


技术研发人员：林伟荣 敖海 徐超 赵江 杨文云 陈宫 蔡春辉 吴孝伟 刘勇 詹彪 付荣方 孟鹏飞 邓越
受保护的技术使用者：中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 中国华能集团有限公司
技术研发日：2023.01.10
技术公布日：2023/6/4