CN107829890A - 一种风力发电机组叶片热气管除冰方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种风力发电机组叶片热气管除冰方法，包括以下步骤：a)根据环境参数传感器检测的温度和湿度判定环境结冰条件，触发除冰装置启动；b)根据多个叶片表面结冰探测器检测的结冰厚度和结冰位置反馈给叶根柜控制柜，判定叶片表面最大结冰厚度和结冰位置；c)叶根柜控制柜根据叶片表面最大结冰厚度和结冰位置输出给叶根加热装置相应的加热等级和加热区域，叶根加热装置进行加热除冰。以及提供一种风力发电机组叶片热气管除冰系统。本发明避免了传统加热整个腔体空气而带来的效率低下问题，不仅能除去叶片的前缘结冰，同时也能保证叶片整体腔内温度上升对叶片进行整体除冰。在保证安全的同时大大地增强了除冰效率和效果。

Description

一种风力发电机组叶片热气管除冰方法及装置
技术领域
本发明涉及风力发电领域，更具体地讲，涉及一种风力发电机组叶片的除冰方法和装置。主要用于应对大型风力发电机组在高湿度、低温度的区域运行过程中产生的叶片表面结冰的现象，防止因叶片表面结冰而引起的功率下降和停机以及叶片结冰后的负载对叶片造成损伤，通过除冰装置对叶片加热除冰，提高风力发电机组的发电量以及保证风力发电机组的寿命和安全。
背景技术
如今，提高风力发电机组在工作中对恶劣环境的抵抗能力成为了风力机发展的趋势，我国南方多数风电场在冬季、初春都存在结冰现象，尤其是云贵高原、广西、湖北和湖南等地区，空气温度低、湿度大，经常由于叶片表面结冰而导致风力机效率低下或停机，而且覆冰还会导致叶片翼型几何形状改变导致的风轮严重不平衡，急剧增大了叶片运行载荷，导致叶片开裂、折断等严重故障，甚至激起整机固有频率，出现倒塌，严重影响了风力发电机组运行安全。因此，解决风力机叶片表面结冰的问题迫在眉睫。
现在存在的防除冰技术主要有增加叶片表面涂层的技术，叶片内腔热鼓风除冰技术和叶片前缘电加热膜铺层除冰技术。传统的叶片内腔热鼓风除冰技术无雷击风险，但加热效率较低，叶片前缘电加热膜铺层除冰技术除冰效率相比内部通热气高，但容易引致雷击。
发明内容
为了防止现有技术中因风力发电机组叶片表面结冰而引起的功率下降和停机，甚至带来的叶片开裂、折断和机组倒塌等问题，本发明提供一种风力发电机组叶片热气管除冰方法及装置，在保证了系统无雷击的风险下通过在叶片铺设热气管道集中对叶片前缘进行加热，避免了传统加热整个腔体空气而带来的效率低下问题，不仅能除去叶片的前缘结冰，同时也能保证叶片整体腔内温度上升对叶片进行整体除冰。在保证安全的同时大大地增强了除冰效率和效果。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种风力发电机组叶片热气管除冰方法，所述方法包括以下步骤：
a)根据环境参数传感器检测的温度和湿度判定环境结冰条件，触发除冰装置启动；
b)根据多个叶片表面结冰探测器检测的结冰厚度和结冰位置反馈给叶根柜控制柜，判定叶片表面最大结冰厚度和结冰位置；
c)叶根柜控制柜根据叶片表面最大结冰厚度和结冰位置输出给叶根加热装置相应的加热等级和加热区域，叶根加热装置进行加热除冰。
进一步，所述的加热等级包括四个的等级，分别是加热等级1、2、3、4，对应的加热器功率依次从低到高、鼓风机的鼓风量根据加热功率进行相应的匹配。
再进一步，所述的加热区域分为前缘区域、PS区域、SS区域，将叶片截面前缘加热部分均匀分成三份，中间加热区域为前缘区域，处在叶片PS面的是PS区域，处于叶片SS面的为SS区域。当加热时根据加热位置加热相应区域铺设的热气管道。
更进一步，所述的环境参数传感器和叶片表面结冰探测器的数据每隔一定的时间会进行刷新，根据环境参数传感器输出的温度和湿度重新判定是否加热，如需加热则继续根据叶片表面结冰探测器输出的结冰厚度和结冰位置判定加热的位置、等级。
一种风力发电机组叶片热气管除冰装置，所述的除冰装置包括叶根控制柜、叶根加热装置、风管系统、叶片表面结冰探测器、环境参数传感器和叶片内部温度传感器，所述的叶根控制柜安装于叶根处；所述的叶根加热装置包括加热器、鼓风机和连接加热区连接管道；所述的风管系统包括前缘加热区和回流区；所述的环境参数传感器包括温度传感器和湿度传感器；所述的叶片内部温度传感器铺设在叶片内部防止温度超限。
进一步，所述的叶根加热装置在桨叶前缘与前腹板之间距离叶根一定位置处设置的挡板；所述的连接加热区连接管道依附前缘腹板安装，到达入口挡板位置转向前缘，到达前缘后依附前缘铺置；所述的加热器分为不同功率的档位功能或者无极变功率；所述的鼓风机具有固定鼓风量或者可控制变化鼓风量的功能。
再进一步，所述的前缘加热区依附前缘内腔铺设热气管道，并铺设保温层进行隔热保温。
更进一步，所述的前缘加热区包括热气管道数条，每条热气管可以单独控制开启或者关闭。同时，热气管的截面形状可以为圆形、方形、似翼型前缘形等优化形状。
所述的回流区包括斜圆柱体形的回流挡板靠叶根处逐渐收缩，通过连接管道接在热鼓风机入口。
所述的叶片内部温度传感器分布于加热器管道出口、腔体中部、叶尖和回流管道入口。
本发明的有益效果为：采用此除冰方法和装置后，能够有效地实现对叶片前缘和表面有效加热，通过铺设热气管和保温层以及增加回流系统，集中对叶片前缘进行加热，避免了效率低下的问题，不仅能除去叶片前缘结冰，同时也能保证叶片整体腔内温度上升，而且提高了加热效率，解决了传统热鼓风加热速度慢以及电加热雷击风险增大的问题，可以有效地防止叶片表面发生结冰的问题，保证风力机组在冰冻的环境中安全运行和发电。
附图说明
图1是本发明一种风力发电机组叶片热气管除冰方法的加热控制结构框图。
图2是本发明一种风力发电机组叶片热气管除冰装置的加热位置示意图。
图3是本发明一种风力发电机组叶片热气管除冰方法及装置的实施例结构示意图。
图4是本发明一种风力发电机组叶片热气管除冰方法及装置的叶片实施例结构示意图。
图5是图1中的A-A剖面第一结构示意图。
图6是图1中的A-A剖面第二结构示意图。
图7是图1中的A-A剖面第三结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参照图1～图7，一种风力发电机组叶片热气管除冰方法，包括以下步骤：
a)根据环境参数传感器检测的温度和湿度判定环境结冰条件，触发除冰装置启动；
b)根据多个叶片表面结冰探测器检测的结冰厚度和结冰位置反馈给叶根柜控制柜，判定叶片表面最大结冰厚度和结冰位置；
c)叶根柜控制柜根据叶片表面最大结冰厚度和结冰位置输出给叶根加热装置相应的加热等级和加热区域，叶根加热装置进行除冰。
例如：若温度≤2℃且湿度≥80％，判定环境为结冰，则启动除冰装置。若大气湿度<80％或大气温度>2℃，判定环境未结冰，则退出除冰装置。根据多个叶片表面结冰探测器检测的结冰厚度和结冰位置反馈给叶根柜，判定叶片表面最大结冰厚度和结冰位置。加热等级包括四个的等级，分别是加热等级1为5KW、加热等级2为10KW、加热等级3为15KW、加热等级4为20KW，鼓风机的鼓风量根据加热功率进行相应的匹配。如果启动除冰装置后按表1所示执行加热策略，叶片表面结冰传感器检测到的结冰厚度后叶根柜判定的最大厚度(TN)，若TN＝0mm，加热模式选择加热等级1，0mm＜TN≤1mm选择加热等级2，1mm＜TN＜2mm选择加热等级3，TN≥2mm选择加热等级4。加热位置参阅图2将叶片截面加热部分均匀分成三份分别为前缘区域、PS区域、SS区域，处于中间加热区域为前缘区域，处于叶片PS面的是PS区域，处于叶片SS面的为SS区域。当加热时根据加热位置加热相应区域铺设的热气管道。如表2所示，加热位置根据检测结冰位置进行选择，选择方式如表2相对应。选择好相应的加热等级和加热位置后输出给叶根加热装置进行加热除冰。每五分钟刷新一次结冰厚度，进行重新选择加热模式。控制加热方式的种类可根据不同的风场进行定制化设置，根据风场现有的气象条件进行调整控制策略，总体控制原则是减少热损，增加能量的利用率，增强除冰效果。
表1
序号 检测结冰位置 加热位置
1 无 无
2 前缘 前缘
3 PS面 前缘、PS
4 前缘、PS面 前缘、PS
5 SS面 前缘、SS
6 前缘、SS面 前缘、SS
7 前缘、PS面、SS面 前缘、PS、SS
8 PS面、SS面 前缘、PS、SS
表2
风力机叶片的一般由蒙皮、主梁、腹板组成，腹板将叶片内部分割为两大内腔，本发明一种风力发电机组叶片热气管除冰方法及装置对两个腔体进行升级改造，对容易结冰的叶片前缘进行热气管加热技术进行加热，后缘部分用加热前缘后的热空气对后缘进行加热，根据不同加热区域的特性对其进行有效加热。并且，通过不同控制策略调整加热方式来提高加热效率以及增强整体除冰效果。
一种热气管式加热的风力发电机组除冰装置，包括叶片表面结冰探测器1，桨叶2，环境参数传感器3，叶根控制柜4，前缘腹板上接近叶根处安装鼓风机5和加热器6，加热器出口温度传感器7，加热器连接加热区连接管道8，加热管道分流器9，管道出口温度传感器10，加热分管道开关控制器11，前缘中部管道温度传感器12，叶尖温度传感器13，回流挡板14，回流温度传感器15，回流管道16，加热区保温层17和加热分管道18。
参阅图3叶片表面结冰探测器1安装在叶片表面，用于监测叶片表面是否结冰以及结冰严重情况，可以对单片叶片进行监测也可以对每一片叶片进行监测，同时可以检测叶片结冰的位置。环境参数传感器3安装在机舱上方尾部用于监测环境的参数变化，提前对结冰环境进行判断。
参阅图4叶根控制柜4根据实际情况安装在叶根处，防止加热的空气对控制柜影响，通过叶根控制加热的方式。
加热器6分为不同功率的多个档位或者无极变功率的控制方式。鼓风机5能够根据加热器的功率变化进行变风量运行，有效地提升对空气加热的能力，提供最佳的出风温度和循环加热效果。
加热器出口温度传感器7监测加热器出口温度，通过控制温度保证系统的正常运行，在最高效率的情况下保证温度不过高影响叶片材料的相关特性。同时，用来反馈对鼓风机和加热器功率调节的参数依据。
加热器连接加热区的连接管道8和回流管道16进行保温层包裹处理。回流挡板14在叶根侧进行保温处理，如铺设保温层。防止在非加热区域的热损，将能量尽可能多地投入到加热区。
加热管道分流器9安装在距离叶根一定位置处，通过转向铺设叶片前缘位置，对主要结冰区域进行加热，将热气分流成三个以上的分管道中去。加热分管道开关控制器11能够根据控制要求进行开启和关闭加热器分管道，包括单条管道的开启和关闭、全部管道的开启和关闭、其中部分管道的开启和关闭。
加热区入口温度传感器10用来监测叶片加热区入口的温度情况，前缘中部管道温度传感器12用来监测叶片中部加热管道的温度情况，叶尖温度传感器13用来监测叶片中部加热管道的温度情况，回流温度传感器15用来监测回流空气的温度，这些温度数据对管道开关控制提供数据支持。
回流挡板14设置方向与腹板方向斜交，设置有利于回流空气的大范围收集，更好的将整体空气循环加热，保证加热区域空气的均匀性。优选的回流挡板设置在距离叶根一定距离处。设置的回流挡板14将叶片分成加热区域和非加热区域，有效地减少了叶片内的加热空间，在不提高加热器功率的前提下增快了加热速度，提升了加热效率。
请参阅图5、6、7所示，较佳的几种管道的形状和布置方式，对管道的铺设和形状总体设计原则是保证区域加热的均匀性，保证加热气体的顺畅流通以及保证控制策略的顺利实施。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所述的技术方案进行修订，或者对其中部分技术特性进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修订、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种风力发电机组叶片热气管除冰方法，其特征在于：所述的除冰方法包括以下步骤：
a)根据环境参数传感器检测的温度和湿度判定环境结冰条件，触发除冰装置启动；
b)根据多个叶片表面结冰探测器检测的结冰厚度和结冰位置反馈给叶根柜控制柜，判定叶片表面最大结冰厚度和结冰位置；
c)叶根柜控制柜根据叶片表面最大结冰厚度和结冰位置输出给叶根加热装置相应的加热等级和加热区域，叶根加热装置进行加热除冰。
2.如权利要求1所述的风力发电机组叶片热气管除冰方法，其特征在于：所述的加热等级包括四个的等级，分别是加热等级1、2、3、4，对应的加热器功率依次从低到高、鼓风机的鼓风量根据加热功率进行相应的匹配。
3.如权利要求1或2所述的风力发电机组叶片热气管除冰方法，其特征在于：所述的加热区域分为前缘区域、PS区域、SS区域，将叶片截面前缘加热部分均匀分成三份，中间加热区域为前缘区域，处在叶片PS面的是PS区域，处于叶片SS面的为SS区域，当加热时根据加热位置加热相应区域铺设的热气管道。
4.如权利要求1或2所述的风力发电机组叶片热气管除冰方法，其特征在于：所述的环境参数传感器和叶片表面结冰探测器的数据每隔一定的时间会进行刷新，根据环境参数传感器输出的温度和湿度重新判定是否加热，如需加热则继续根据叶片表面结冰探测器输出的结冰厚度和结冰位置判定加热的位置、等级。
5.一种如权利要求1所述的风力发电机组叶片热气管除冰方法实现的装置，其特征在于：所述的装置包括叶根控制柜、叶根加热装置、风管系统、叶片表面结冰探测器、环境参数传感器和叶片内部温度传感器；所述的叶根控制柜安装于叶根处；所述的叶根加热装置包括加热器、鼓风机、连接加热区连接管道；所述的风管系统包括前缘加热区和回流区；所述的环境参数传感器包括温度传感器和湿度传感器；所述的叶片内部温度传感器铺设在叶片前缘内部。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的叶根加热装置在桨叶前缘与前腹板之间距离叶根一定位置处设置的挡板；所述的连接加热区连接管道依附前缘腹板安装，到达入口挡板位置转向前缘，到达前缘后依附前缘铺置；所述的加热器分为不同功率的档位功能或者无极变功率；所述的鼓风机具有固定鼓风量或者可控制变化鼓风量的功能。
7.如权利要求5或6所述的装置，其特征在于：所述的前缘加热区依附前缘内腔铺设热气管道，并铺设保温层进行隔热保温。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于：所述的前缘加热区包括热气管道数条，每条热气管单独控制开启或者关闭；热气管的截面形状为圆形、方形或似翼型前缘形。
9.如权利要求5或6所述的装置，其特征在于：所述的回流区包括斜圆柱体形的回流挡板靠叶根处逐渐收缩，通过连接管道接在热鼓风机入口。
10.如权利要求5或6所述的装置，其特征在于：所述的叶片内部温度传感器分布于加热器管道出口、腔体中部、叶尖和回流管道入口。
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