能源科普丨风机如何“抗冻”

【无所不能 文丨徐雨萌】2018年年初，低温甚至暴雪在南方地区比较强烈，波及到湖南、贵州、江苏、江西等南方省份。中央气象台的预报，1月29日至2月3日，受频繁南下冷空气影响，中国中东部地区自北向南气温还会有所下降。

低温降雪导致南方多个风电场出现停机事故，公开报道显示贵州、江苏、湖南的风电机组甚至出现紧急停机。南方风电项目建设规划时，没有像中国北方风电项目考虑到风机会面临长时间低温甚至降雪，“抗冻”能力会差一大截。

低温降雪会影响风电机组的运行工况、运行性能以及使用寿命，情况严重时甚至会引起风机倒塔等严重安全事故。对于“久不经冻”的南方地区风电场，更是要面对的难题。虽然现有风机技术可以保障风机在-30℃到40℃的环境温度下正常工作，但并不是所有风机均满足上述温度区间，不同材质的风机叶片、润滑油和钢材均有不同的最佳工作温度。许多中国南方风机在设计之初没有考虑在-10℃左右的环境下长时间工作，风机组件的“抗冻”能力远低于北方风机。

低温、积冰、降雪究竟会对风机产生哪些危害？ 在极端低温、降雪情况下如何保护机组运营？无所不能梳理为你一一解答。

低温和冰冻对风机造成的危害

1.低温

低温对风机的损害，集中在风机组件物理特性因低温受损，风机内部润滑系统因低温导致润滑油黏性增加，设备加速磨损，具体来讲就是以下四个方面：

1.损害不同材质风机组件的机械性能。

2.损害风机发电机、偏航驱动电机、以及风机变压器。

3.风机齿轮箱、液力耦合器与减震器长时间暴露在寒冷天气中，其内部润滑油粘稠度增大使设备磨损情况加剧，影响风机整体工作效率与使用寿命.

4.风机内部密封件，橡胶零件等受低温影响，其材料延展性能大幅降低，设备更易开裂，影响风电机组运营效率

通常来看，风机钢结构塔筒、钢制风机组件，以及复合材料纤维叶片的机械性能会受到低温影响。

例如，钢结构的延展性在低温环境下会大幅降低，钢结构受外力挤压时更易产生微裂纹。这些微裂纹会降低钢结构的强度与抗渗性，直接影响风机运营安全与风机寿命。并且，当风机内部电器长时间处于低温停机状态时，突然恢复运转，会导致电器内部组件受到热冲击效应而损坏。据研究，风机齿轮箱启动运行时的环境温度应高于自身润滑油倾点10度以上，否则风机齿轮箱内部润滑油粘度高于最佳工作粘度，导致齿轮箱内部摩擦力加大，降低齿轮箱传动能力，影响齿轮箱使用寿命。目前许多中国南方风电场使用的风机润滑油倾点在-22℃左右，今年南方的寒流导致南方地区温度降至-10℃（如图1），局部地区在短时间内甚至低于-10℃，在该温度下风机内部润滑油工作状态较差，南方的风电场业主要注意了。

2.积冰

积冰对风机的危害远高于低温和积雪，积冰会在以下几方面影响风机的安全运营：

1.影响叶片气动外形，使叶片翼型的气动性能受损。极端情况下，积冰会导致翼型的最大升力系数和失速临界攻角等特性发生较大变化，直接影响风机运营安全。

2.干扰风机测风仪工作，导致测风数据失真，影响机组正常工作

3.增加风机静载荷，降低机组发电效率，严重时会导致风机被迫停机，甚至风机倒塌

4.改变风机动态平衡，使风机的不平衡载荷加大，导致风机组件加速疲劳，降低使用寿命

5.风机转动时，附着在叶片上的冰块可能会被甩出，会对周围人口与财产造成损害

6.风机机箱、塔筒、爬梯结冰，加大了风机的日常维护难度

远景《风向标》介绍，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1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2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。

图1：覆冰后的功率曲线异常波动

图2：翼型结冰前后升力系数

国能日新技术人员对无所不能分析，目前我国南方风力发电场，应对积冰的防护措施较不完备，大多风场没有除冰、除霜的应急预案，当出现大规模降雪与积冰寒潮时，仅能通过停机的方法保护风机设备不受损害。

3.降雪

理论上降雪对风机的危害要小于积冰，因为降雪对风机叶片气动外形的影响较小，同时雪的重量较轻，不会影响到风机的静态载荷，但风电场业主们还是要在以下两方面警惕降雪对风机的危害：

1.降雪渗透到没有密封措施的风机设备中，阻碍发电设备正常运转。

2.降雪阻碍风机机舱内部空气循环系统工作，导致机舱散热受阻，影响设备使用寿命。

由于风机内部发电机舱的散热需求，许多风机齿轮箱与发电机箱均不是密封组件。降雪在风的影响下，可以轻易飘进风机内部，附着在机舱与设备散热孔处，阻碍风机内部组件的空气循环系统与散热系统。当机舱散热长时间受阻时，内部设备的运营效率与使用寿命均会大幅降低，情况严重时甚至会造成机舱内部过热，导致部分组件起火。

低温降雪冰冻，怎样保护风机？

中国南方风电项目在初期建设规划时，没有像中国北方风电项目考虑到风机会面临长时间低温降雪寒潮，因此许多南方风机组件没有安装保暖与除冰设备。同时，南方风电场运维人员也大多没有应对低温降雪的经验，许多运维人员并不了解风机可以在多大降雪量中维持运转，在多大降雪量中必须关停，导致降雪来临时，出于安全考虑，许多风电场不得不关停所有风机。

那么如何在低温降雪天中保护风机运行呢？下面是目前国内主流风机制造厂和北方风电场业主们应对低温降雪的一些经验与建议，供南方风电场业主们参考。

物理加热风机组件和使用抗寒氮化\氟硅氧烷风机组件代替传统橡胶组件，是目前解决低温环境对风机造成潜在危害的两类主要方法，具体来讲：

1.在机舱外壳、叶片、及部分电气和控制设备处安装加热设备

2.使用低温环境下延展性较好的特殊氮化橡胶或氟硅氧烷材料，替代传统橡胶密封件，保障风电机组密封部件在低温环境下的密封性能

在机舱、变桨及偏航电机、各控制箱和滑环等处安装壁装或顶装式防腐加热设备，当寒潮来袭时，加热设备可以保障风机在无风休眠状态与工作状态中均处于安全生产温度。

同时部分风机叶片在设计之初已考虑叶片会在严寒环境下工作，叶片的气动外形设计为安装加热电阻提前预留出了空间，当进入冬季时，运维人员可以为叶片安装加热电阻丝，保护叶片不会在低温环境下发生脆裂，以延长风机叶片的使用寿命。

积冰与积雪的防护措施较为广泛，包括了物理防护、化学防护、和智能系统防护等多种不同防护措施，例如：

1.在风机叶片上涂抹如聚四氟乙烯抗结冰涂层，降低风机叶片结冰概率（化学防护）。

2.优化叶片设计方案，利用荷叶理论降低凝露附着度（物理防护）。

3.安装电阻丝加热风机与叶片，降低积雪附着时间，防止积雪融化结冰（物理防护）。

4.在风机处于中度结冰的状况下，维持一定发电量，保障风机转动，从而限制结冰向叶片前缘蔓延（智能系统防护）。

5.在风机内部安装积冰、积雪监控传感器，当风机叶片或主机积冰、积雪超过额定安全极限时，强制关停风机，保护风机设备运营安全（智能系统防护）

目前欧美高寒地区的风机积冰积雪防护措施已十分完备，英国北海/挪威北部地区的许多风电场已做到了在无人值守下的风机主动严寒冰雪防护，通过人工智能与风机组件的特殊材料处理，欧美风机可以在冰雪天气下维持一定发电量，并可根据温度变化与降雪量大小及时调整风机运营功率，并在极端气候环境下，自动关机，保护风机使用寿命。

目前许多中国风机制造厂如远景能源、重庆海装等，均已开发出了拥有自主知识产权的风机冰雪防护系统，与人工智能控制系统。小编希望各位南方风电场业主通过风机技术升级与电场运维培训，在冬天来临时可以更从容面对低温寒流，保障风机安全运营。

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