2 MW風機葉片氣熱法防除冰的傳熱試驗研究

王昭力，劉小春，文飛，陳光榮，舒禹，李偉

（1.大唐貴州新能源開發有限公司，貴州 貴陽 556000；2.貴州理工學院人工智能與電氣工程學院，貴州貴陽 550003）

0 引言

近幾年的統計數據表明，在冬季結冰期云貴高原風電場風機積冰停運問題十分突出，解決風機葉片防除冰問題是提高該地區風電場經濟效益的有效途徑之一。

迄今為止，風機葉片防除冰技術的工程應用策略主要包括機械法和熱能法[1]，[2]。機械法采用超聲振動原理，利用空氣動力、旋轉離心力及重力聯合作用破碎葉片表面結冰致使其脫落清除[3]，[4]。然而，在機組葉片上機械除冰面臨技術難度大、制造成本高且不能在運營風機上實施現場改造等問題。熱能法采用光熱涂料吸熱或電能加熱使得葉片表面溫度超過0℃冰熔點而進行葉片防除冰。光熱涂料受自身材料特性及晝夜變化規律的條件限制而防除冰效率和效益不高[5]。電能加熱主要分為葉片直接加熱和循環熱空氣加熱，電能直接加熱法須要在葉片制造時預置電熱元件（金屬電阻絲或金屬網）在葉片內，因其現場改造難以實現及防雷弊端導致該方法工程難以推廣應用[6]。循環熱空氣加熱法可在現場機組上實施改造、系統及設備可靠性較高、不增加機組雷擊風險等技術優勢，在風電行業不斷地進行理論研究、試驗探索及工程示范應用[7]，[8]。

云貴高原風電場主要采用2 MW機型，其葉片以層壓復合材料構造，未有相關的復合材料葉片傳熱試驗報道。因此，本文以現場2 MW機組復合材料葉片為試驗研究對象，研制傳熱試驗系統，制定傳熱試驗方案，進行復合材料葉片氣熱法傳熱試驗，為該方法的工程應用提供現場試驗驗證和經驗借鑒。

1 葉片結冰分析

風機葉片結冰屬于結構性大氣結冰類型的一種物理現象。大氣結冰過程主要分為云冰、沉降冰和結霜，其中云冰和沉降冰對風機影響極其嚴重[9]。云冰即云中覆冰，因過冷水滴尺寸及環境因素等原因，導致葉片表面有3種結冰形態：霧凇、雨凇和混合凇。霧凇冰體呈干增長方式，白色疏松、比重小、粘附力較弱，通常發生在葉片的迎風面；雨凇呈濕增長方式，比重較大，粘附力強，在葉片表面形成光滑、透明的堅固冰層；混合凇中既有干增長方式也有濕增長方式，冰體半透明狀，比重在中等范圍，具有一定的粘附力，常在葉片迎風面凍結。沉降冰，在降雨降雪時發生，結冰速度較快，密度大、粘附力較強，形成后難以清除。結霜，當風速較低時，在低溫葉片上水蒸汽直接在表面凝固結冰，這種冰附著力較強，極不易清除。

影響風機葉片結冰分布的主要因素包括結冰時間、環境溫度、液態水含量、水滴直徑以及環境風速等，葉片表面結冰形狀因影響因素不同而不同，結冰形狀特征復雜。無論通過結冰模型數值計算，還是葉片風洞結冰試驗，以及現場葉片結冰觀察，結果均表明，葉片表面結冰多發生在葉片中、上部位的前緣區域，后緣區域結冰較少或不結冰。結合這一葉片結冰分布規律及葉片空間結構特征，為采用氣熱除冰法，提高葉片表面的防除冰效果提供了傳熱試驗系統設計的基礎依據。

2 2 MW葉片傳熱試驗系統平臺設計

2.1 葉片傳熱試驗系統構建

根據葉片結冰區域主要集中在葉片前緣中上部這一分布規律，將葉片加熱系統設備安置于葉片前緣通道，鼓風機及加熱器安裝在葉根部位。因葉片前緣內部空間限制再向前延伸導風管的施工操作較為困難，采用導風管將加熱器出口熱空氣輸送到葉片10 m處釋放,以持續加熱葉片前緣中上部。為了堵塞熱空氣沿著前緣葉根方向回流，在葉片前緣導風管出口安裝耐熱擋風板。在鼓風機輸送推動及擋風板隔離作用下，前緣通道中熱空氣將沿著葉尖方向流動，在剪切腹板末端進入葉片后緣通道。葉片加熱系統工作時，因葉根處人孔板關閉，后緣通道中熱空氣自然回流到葉根處，再次被加熱后進入葉片前緣通道。在葉片內，前緣通道和后緣通道形成熱空氣強制循環而持續加熱葉片本體。

葉片傳熱試驗系統內加熱設備安裝及熱空氣循環如圖1所示。

圖1 葉片內加熱設備安裝示意圖Fig.1 Installation diagram of heating equipment in blade

為了準確監測葉片內前緣通道、后緣通道及對應的葉片表面前后緣位置點溫度，在前后緣通道10，15，20 m處分別設置貼片式溫度傳感器PT100，監測該位置點的葉片內表面和外表面溫度。葉片傳熱試驗系統中共布置12個溫度監測位置點，其編號如表1所示。

表1 葉片傳感器位置與編號Table 1 Position and number of blade sensors

結合配套的葉片結冰傳感器和微氣象監測裝置，開發專用的葉片傳熱試驗溫度監測系統，葉片傳熱試驗系統結構示意圖如圖2所示。

圖2 葉片傳熱試驗系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of blade heat transfer test system

為了避免葉片因加熱過熱而損壞復合材料性能，葉片加熱過程采用恒溫控制。在30 kW風道加熱器出口設置熱電偶溫度傳感器，采集監測加熱器出口溫度，對加熱器實現負反饋閉環控制，其溫度控制系統框圖如圖3所示。

圖3 葉片傳熱試驗恒溫控制系統Fig.3 Diagram of constant temperature control system for blade heat transfer test

2.2 葉片傳熱試驗系統現場安裝與調試

2020年8月30日，在大唐集團某風電場2 MW葉片上，將3 kW旋渦鼓風機和30 kW風道加熱器直接連接固定安裝于葉片葉根前緣側。采用Φ200金屬導風管從加熱器出口向葉尖方向安裝至10 m位置處，同時在10 m位置處安裝擋風板。導風管穿過擋風板預留孔伸出約5 cm，導風管采用支架支撐，以避免直接接觸葉片內壁。葉片前緣和后緣通道以及對應位置表面溫度傳感器的安裝分別按照表1中的位置和編號，采用耐高溫聚乙烯纖維增強膠帶固定。為了對比葉片外表面監測溫度，在溫度傳感器5號PT100處設置微型溫度儀，其傳感探頭與PT100探頭鄰近布置。葉片傳熱試驗系統現場安裝的部分場景如圖4所示。

圖4 葉片傳熱試驗系統現場安裝Fig.4 Local installations of blade heat transfer test system

葉片傳熱試驗系統設備安裝完畢后進行了系統設備調試，以確保鼓風機轉向正確、電源系統動作可靠、信號指示與溫度數據采集正常。同時葉片前緣通道進風和后緣通道回風正常，驗證了葉片前緣通道與后緣通道在剪切腹板末端連通，熱空氣強制循環正常。葉片傳熱試驗系統進入試驗工作準備狀態。

3 葉片傳熱試驗及數據分析

結合葉片傳熱模擬可知，復合材料葉片傳熱緩慢。為保障在持續加熱過程中的葉片材料安全，分步驟設置加熱器出風口2個控制溫度為80℃和90℃。先80℃持續加熱2 h，緊接著再90℃持續加熱約7 h，密切關注導風管出口葉片內壁3號溫度傳感器檢測溫度，使溫度控制在80℃范圍內。在8月31日上午10：12葉片傳熱試驗系統正式送電并進入傳熱試驗工作狀態，在下午18：57停止對葉片加熱，葉片傳熱試驗結束。

3.1 葉片試驗監測溫度分析

在葉片傳熱試驗系統持續加熱9 h后，分析12支溫度傳感器的監測溫度數據。將葉片前緣內外6個溫度傳感器T1～T6和后緣內外T7～T12的溫度數據繪制成溫度VS加熱時間曲線（圖5）。

圖5 葉片傳熱試驗監測溫度曲線Fig.5 Temperature curves of blade heat transfer test

由圖5（a）可知：在前2 h內（控制溫度80℃）持續加熱葉片，前緣通道內T1，T2和T3溫度上升較快，特別是T3前期上升最快而后平緩并逐步達到平衡溫度70℃，T1和T2前期上升也較快而后期逐漸平緩但仍未達到平衡溫度；2 h后將控制溫度設置到90℃繼續加熱葉片，T1，T2和T3繼續上升，約在13：00時分別達到平衡溫度42.8，54.3℃和77.3℃，其后受日照影響（中午強下午弱），溫度緩慢下降，在試驗結束時（約19：00），溫度分別為39.3，50.9℃和74.8℃，前后溫差為2～4℃。前緣外表面T4，T5和T6受日照強度影響其變化趨于一致，但T4在14：00前略微高于T5和T6，其后變化范圍不大，3者最高溫度分別為38.5，33.2℃和35.6℃，而最低溫度分別為23.8，24℃和25.1℃，受日照強度變化及葉片表面材料吸熱特性不同而監測溫度有所差異。

由圖5（b）可知：通道內T7，T8和T9溫度上升較為緩慢，約在15：00時達到最大值，分別為50.2，44.9℃和35.7℃，其后受日照強度影響溫度緩慢下降，在試驗結束時（19：00）溫度分別為44.7，39.1℃和29.8℃，前后溫差約6℃；后緣表面T10，T11和T12溫度曲線，在15：00前變化趨于一致，受日照強度影響溫度變化較大，最低溫度分別為22.6，22.6℃和20.8℃。

綜合比較葉片前后緣監測溫度，前緣內外溫度均比后緣對應監測溫度高，與在前緣通道內熱空氣加熱作用一致。監測溫度受日照強度影響也明顯。10 m金屬導風管熱量損失較大，溫度降低約10℃。結合T7和T8溫度曲線變化情況，葉根處熱量損失及回流較大，葉片中、上部傳熱較慢，因而葉片傳熱系統設備布局及溫控策略有待改進。

3.2 葉片試驗紅外熱成像分析

本次葉片傳熱試驗采用紅外熱像儀FlukeTiS75進行葉片表面測溫，輔助FlukeF63點溫槍進行局部點溫度檢測與對比分析。紅外熱像儀采用非接觸探測，把物體表面紅外能量（熱量）轉變為可見熱圖像，是比較理想的葉片表面溫度分布巡檢儀器。這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應，以不同顏色代表被測物體表面的不同溫度。

從葉根向葉尖方向的紅外熱圖像如圖6所示。觀察圖6中葉片前緣熱圖像，溫度分布逐漸從葉根向葉尖、前緣向后緣方向延伸分布。前緣位置最高溫度達到38.4℃。可見的紅外熱像沿著葉片前緣延伸較遠，接近葉片中部位置。

圖6 葉片前緣紅外熱圖像Fig.6 Infrared thermal image of blade leading edge

為了獲得葉片中上部表面局部溫度分布，在葉片不同距離位置15，20，25，30，35 m和40 m處分別采用紅外熱成像技術進行測溫，其紅外熱像圖如圖7所示。觀察比較圖7中葉片前緣局部熱像圖，在不同距離位置處，最高溫度及其分布不同，沿葉尖方向較低，每個距離處葉片最高溫度分布在葉片最前緣區域。

圖7 葉片前緣局部熱圖像Fig.7 Local infrared thermal image of blade leading edge

為了獲得葉片某距離位置處縱向的溫度分布，采用點溫槍檢測間隔10 cm距離的葉片表面溫度，在距離30 m與40 m處的縱向溫度分布曲線如圖8所示。在葉片30 m處約1.5 m寬測溫點15個，在葉片40 m處約1 m寬測溫點10個，葉片后緣溫度總體上低于片前緣溫度，最大溫差分別在12℃和7℃以上。

圖8 縱向溫度變化曲線（后緣～前緣）Fig.8 Longitudinal temperature change curve（from rear edge to front edge）

由圖8可知：在葉片后緣區域（0～40 cm）呈現前高后低形狀，主要原因為日落過程中后緣側面日照影響所致；在葉片前緣30 m處中間溫度先升高后降低，原因在于溫度最高處區域為葉片較薄主梁，傳熱較好，與葉片中部溫度分布近似（中間區域高兩側較低）；在40 m處葉片前緣溫度高于后緣溫度，主要原因在于葉片前緣熱空氣加熱葉片本體所致。總體上看，葉片前緣區域溫度高于葉片后緣區域，有利于葉片前緣區域（主要結冰區域）的防除冰需求。

3.3 葉片傳熱試驗系統能耗評估

無論電能直接加熱法防除冰技術還是氣熱法防除冰技術，加熱所需的電能消耗是風電場業主關注的焦點之一，也是電能加熱防除冰技術研究及推廣應用的主要難點內容。

本試驗針對現場2 MW風機葉片采用30 kW風道加熱器進行熱空氣循環加熱葉片本體，試驗持續時間約9 h。觀察葉片前緣表面監測溫度及其分布以及加熱器電源控制接觸器工作狀態，有2個問題比較突出：①葉片根部（前10 m范圍內）熱損失比較嚴重；②電源控制接觸器動作較頻繁。前者主要為加熱器出口金屬導風管熱散失所致，后者為葉片前緣通道傳熱較慢所致。如果采取改進措施，將葉片根部熱散失量盡可能減少，而傳送到葉片中上部，傳熱系統對葉片中上部加熱效果會更好。另外，采用無級調功器控制風道加熱器，在葉片設定保護溫度（如80℃）下閉環控制而緩慢持續加熱葉片，風道加熱器的實際能耗明顯低于試驗設計的30 kW。

以本試驗30 kW風道加熱器及3 kW鼓風機設備配置，考慮風機3支葉片，則該風機氣熱法防除冰系統最大能耗約為100 kW。以1 000 kW為例，觀察該風電場某時刻風機發電功率，則該風機防除冰系統最大能耗占比為10%，在采取改進措施后能耗則顯著降低。此時風機葉片防除冰系統的工程應用具有顯著的經濟效益。

3.4 葉片傳熱試驗系統問題分析與改進措施

盡管葉片傳熱試驗系統工作正常，從葉片傳熱效果及需求方面，針對以下問題提出改進措施。

①葉片葉根部位熱能散失嚴重。在導風管外加裝保溫材料，如50 mm厚巖棉管、玻璃棉管或橡塑保溫板管，盡可能減少導風管內熱空氣在輸送過程中的熱能散失。

②加熱器電源控制接觸器間隙性頻繁動作。接觸器頻繁動作的主要原因為空氣循環換熱及葉片本體傳熱較慢而采用溫度閉環控制（試驗溫度設置為80℃或90℃）以致加熱器間隙性補充熱空氣所致。將加熱器的電源接觸器控制更換為無級調功裝置，可提高加熱器電源電路的穩定性和可靠性，同時可降低葉片加熱能耗。

③葉片中、后部溫度偏低。將擋風板位置從10 m延伸到葉片15 m處以外，盡可能地將熱空氣輸送到葉片前緣中、后部位置中去，以提高中、后部區域的熱空氣溫度。把加熱器溫度控制的反饋溫度檢測點，從加熱器出口前移至15 m處導風管出口，直接提高葉片中后部加熱空氣溫度，從而提升葉片前緣中后部的傳熱效果。

4 結論

①在葉片前緣內10 m外釋放熱空氣而持續加熱葉片本體，葉片前緣外表面溫度沿葉尖方向及葉片兩側后緣呈現前緣區域較高而逐步遞減分布現象。葉片主要加熱區域及溫度分布與其結冰區域分布規律一致，有利于風機葉片防除冰系統的加熱區域和功耗選擇。

②葉片能夠實現采用氣熱法循環持續加熱葉片的工程需求，葉片前緣20 m以外中后部葉片表面最高溫度可達到39℃以上，40 m處可達到25℃，溫升在10℃左右，可以實現葉片前緣主要結冰區域的防除冰需求。

③對該葉片氣熱法傳熱試驗系統存在的導風管熱量散失嚴重、熱空氣回流較大、葉片中后部傳熱效果不好而表面溫度偏低、加熱器電源間隙性頻繁動作等問題，進行了分析，并提出了改進措施。