CN107939620B - 风机叶片防冰除冰系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风机叶片防冰除冰系统，包括气热防冰装置、膨胀管除冰装置、电加热除冰装置、层除冰装置及监测控制装置。气热防冰装置包括冷凝器、送风管道及引风管道；送风管道与冷凝器连接，用于将冷凝器的热风排气送至风机轮毂及机舱内部；引风管道设于风机轮毂处，用于将风机轮毂处的热空气引入风机叶片内部。膨胀管除冰装置包括多个布设在风机叶片上的相互并联的膨胀管。电加热除冰装置包括多个布设在风机叶片上的相互并联的电阻丝。层除冰装置包括设置在风机叶片上的疏水涂层。监测控制装置包括防冰除冰控制模块以及与防冰除冰控制模块电性连接的加速度传感器、温度传感器和光纤传感器。本系统能量利用率高，积冰去除效果理想。

Description

风机叶片防冰除冰系统

技术领域

本发明涉及风机防冰除冰技术领域，特别是涉及一种风机叶片防冰除冰系统。

背景技术

近十年来，我国能源转型进程不断加快，风电产业取得了快速发展，我国已成为世界上规模化风电装机容量最大的国家。

随着风电运营技术的不断完善，风机的监测和运维技术也日益受到重视。尽管风机选型会根据选址地域的天气条件进行专门的设计和制造，但是，异常天气条件的频繁出现也使得暴露在自然环境中的风机受到诸多安全运行挑战。在我国，诸如湖南、湖北、贵州、广西东北部、广东北部及江西部分地区等地，由于特殊的地理气候条件，高湿低温环境下容易在风机叶片表面形成覆冰层，且不同的高湿低温环境会形成不同类型的覆冰。在内蒙、东北、新疆和甘肃等地，冬季大雪天气同样会造成风机叶片覆雪覆冰。上述情形会降低风机风轮转速并减少风能捕获效率，同时，会增加叶片运行载荷并提高控制难度。极端情况下，可能使风机运行过载而发生倒塌、叶片折断等事故，且覆冰不平衡导致的叶片旋转失衡会降低风机的使用寿命。大多数风机在遭遇叶片覆冰覆雪时会被迫停止运行，造成了风力资源的严重浪费。

为了在冬季低温天气长时持续利用风能，就需要采取相应的防冰除冰措施。目前，国内外提出的风机叶片除冰方法主要包括机械除冰、涂料除冰、超声波除冰、热能除冰和气动带除冰等。电加热防冰除冰是最可行和有效的除冰方法。然而，尽管电加热除冰具有最高的能量利用率，但是，电加热所耗能量在风机年发电量中占比较高，造成了较大的电量损耗。这就严重不利于提高风力发电度电成本，不利于提高风电在电力自由交易市场的竞价能力。

目前，针对现有风机叶片防冰融冰措施存在的问题，亟需一种高效、经济的防冰融冰方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风机叶片防冰除冰系统，以解决现有技术中存在的防冰融冰的电量损耗大的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种风机叶片防冰除冰系统，包括：

气热防冰装置，包括冷凝器、送风管道及引风管道；所述送风管道与所述冷凝器连接，用于将所述冷凝器的热风排气送至风机轮毂及机舱内部；所述引风管道设于风机轮毂处，用于将风机轮毂处的热空气引入风机叶片内部；

膨胀管除冰装置，包括多个膨胀管；多个所述膨胀管均布设在风机叶片上，且多个所述膨胀管相互并联；

电加热除冰装置，包括多个电阻丝；多个所述电阻丝均布设在风机叶片上，且多个所述电阻丝相互并联；

层除冰装置，包括疏水涂层；所述疏水涂层设置在风机叶片上；

以及，监测控制装置，包括防冰除冰控制模块以及与所述防冰除冰控制模块电性连接的加速度传感器、温度传感器和光纤传感器。

进一步地，所述送风管道内设有送风机。

进一步地，所述送风管道内设有辅助电加热装置。

进一步地，所述冷凝器连接有引风主管道；

所述引风主管道用于向所述冷凝器内引入冷空气。

进一步地，所述引风主管道连接有机舱内冷空气入口及叶片冷空气入口。

进一步地，所述冷凝器还连接有机舱外冷空气入口。

进一步地，每个所述膨胀管内均设有涡轮增压气泵。

进一步地，所述电阻丝与所述膨胀管在风机叶片的长度方向上交替设置。

进一步地，风机叶片表面依次设置有金属耐压层、所述膨胀管、弹性膜和所述疏水涂层。

进一步地，风机叶片表面依次设置有绝缘导热层、所述电阻丝、绝缘导热层、金属蓄热层和所述疏水涂层。

本发明提供的风机叶片防冰除冰系统，利用冷凝器排出的废热，输入机舱内部和风机叶片内部，保证机舱内部的运行温度和叶片内部的气热温度，达到防冰的目的，并且，利用膨胀管的周期性膨胀作用，将结冰初期的薄弱冰层与叶片分离，使叶片外表面的冰层破碎而脱落，同时，利用电加热的方式，直接消融、去除较厚的积冰，此外，利用设置在风机叶片表面的层除冰装置，减慢结冰进度，使冰融化或减小冰与物件表面的粘接力，促进融冰降落，本防冰除冰系统的能量利用率较高，积冰去除效果理想，解决了现有的防冰融冰措施电量损耗大的问题，适于进行推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种风机叶片防冰除冰系统中的气热防冰装置的部分结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种风机叶片防冰除冰系统中的气热防冰装置的又一部分结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种风机叶片防冰除冰系统中的膨胀管除冰装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种风机叶片防冰除冰系统中的电加热除冰装置的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种风机叶片防冰除冰系统中的层除冰装置的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种风机叶片防冰除冰系统中的层除冰装置的另一结构示意图。

附图标记：

1-叶片；2-叶片底衬；4-轴承；5-发热齿轮箱；6-发电机；7-变频器；8-冷凝器；9-冷却主管道；10-闸阀；11-散热主管道；12-引风主管道；13-机舱外冷空气入口；14-机舱内冷空气入口；15-叶片冷空气入口；16-送风管道；17-机舱尾部排气口；19-引风管道；20-涡轮增压风扇；21-隔板；22-膨胀管；24-入口控制阀；25-出口控制阀；27-通电导线；28-供电电源；29-压力传感器；30-传感器信号线；31-电阻丝；32-加热供电电缆；33-电阻丝温度传感器；40-疏水涂层；41-金属耐压层；42-弹性膜；43-绝缘导热层；44-金属蓄热层。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：

在本实施例的可选方案中，如图1至图5所示，本实施例提供的一种风机叶片防冰除冰系统，包括：

气热防冰装置，包括冷凝器8、送风管道16及引风管道19；送风管道16与冷凝器8连接，用于将冷凝器8的热风排气送至风机轮毂及机舱内部；引风管道19设于风机轮毂处，用于将风机轮毂处的热空气引入风机叶片1内部；

膨胀管除冰装置，包括多个膨胀管22；多个膨胀管22均布设在风机叶片1上，且多个膨胀管22相互并联；

电加热除冰装置，包括多个电阻丝31；多个电阻丝31均布设在风机叶片1上，且多个电阻丝31相互并联；

层除冰装置，包括疏水涂层40；疏水涂层40设置在风机叶片1上；

以及，监测控制装置，包括防冰除冰控制模块以及与防冰除冰控制模块电性连接的加速度传感器、温度传感器和光纤传感器。

在本实施例中，利用轴承4、发热齿轮箱5、发电机6及变频器7的冷却装置，即冷凝器8排出的废热，通过送风管道16和引风管道19，输入机舱内部和风机叶片1内部，对内部空气进行预热，保证机舱内部的运行温度T_运行和叶片1内部的气热温度，达到冷却与防冰的双重目的，更加节能、高效。

需要说明的是，冷凝器8的工作过程为：冷却主管道9将液态的冷却剂送入轴承4、发热齿轮箱5、发电机6及变频器7；散热主管道11与轴承4、发热齿轮箱5、发电机6及变频器7的散热管道分别连接，进而将转换为气态的冷却剂送入冷凝器8；冷凝器8对气态的冷却剂进行冷却。

而且，冷凝器8采用气液两相冷却剂，优选为环保氟碳化合物冷却剂(二氢十氟戊烷)，对轴承4、发热齿轮箱5、发电机6及变频器7等主要发热设备进行散热。冷却剂以液态形式从冷却主管道9通过闸阀10进入轴承4、发热齿轮箱5、发电机6及变频器7；然后，以气态形式从各设备散热管道汇入散热主管道11，途经闸阀10进入冷凝器8。

在本实施例的可选方案中，送风管道16内设有送风机。

在本实施例的可选方案中，送风管道16内设有辅助电加热装置。

在本实施例中，送风管道16内还设有辅助电加热装置，优选为电加热格栅。

在本实施例中，冷凝器8的热风排气，通过送风机，通过送风管道16送至风机轮毂、机舱内部，以对与风机轮毂相连的风机叶片1内部进行预热防冰，并保证机舱正常运行温度T_运行。当冷却排热不能维持此温度时，通过送风管道16内的辅助电加热装置加热空气；当冷却排热能够满足此温度时，热风排气通过送风机排至机舱尾部排气口17，进而排至机舱外部。

通过上述设置，对冷凝器8排出的热风进行充分利用，达到冷却与防冰的双重目的。

并且，风机轮毂处的热空气通过引风管道19被送至风机叶片1内部。

由于大型风机叶片1一般通过隔板21连接加固，隔板21两侧中空空间采用小型涡轮增压风扇20进行引风，从而在风机叶片1内部实现空气流通，引发热空气循环，维持叶片1内部温度并进行预热防冰。

在本实施例的可选方案中，冷凝器8连接有引风主管道12；引风主管道12用于向冷凝器8内引入冷空气。

在本实施例中，引风主管道12内设有引风机。

在本实施例的可选方案中，引风主管道12连接有机舱内冷空气入口14及叶片冷空气入口15。

在本实施例中，冷空气通过机舱内冷空气入口14和叶片冷空气入口15，以及在引风机的作用下，汇入引风主管道12。

冷凝器8以空气对流的方式对气态冷却剂进行冷却，冷空气来源为机舱内冷空气入口14及叶片冷空气入口15，通过引风机引入，汇入引风主管道12。

在本实施例的可选方案中，冷凝器8还连接有机舱外冷空气入口13。

在本实施例中，机舱外冷空气入口13内设有引风机。

对机舱内冷空气入口14和叶片冷空气入口15的冷空气进行温度监测，当机舱内温度、叶片1内温度不能达到冷凝效率时，或者分别达到机舱正常运行温度T_运行、防冰设定温度T_防冰时，停止从机舱内冷空气入口14和叶片冷空气入口15引入冷空气。此时，从机舱外冷空气入口13，通过引风机，引入冷空气至冷凝器8。

进一步，根据风机叶片1的机械结构设计进行分段，得到不同的叶片1防冰除冰区域，分别标记为分区1、分区2、…、分区N，膨胀管22的数量与分区的数量相同。在每一个分区，膨胀管22展向布置在叶片1上，即沿叶片1的纵向几何展开方向连接在叶片1上。

在本实施例的可选方案中，每个膨胀管22内均设有涡轮增压气泵。

在本实施例中，不同分区的膨胀管22采用分布式并联布置；对于每一个膨胀管22，涡轮增压气泵将叶片1内部具有一定温度的预热空气吸入管内。

需要说明的是，膨胀管22展向设置在叶片1上，而叶片1前沿和后缘的结冰机理不同，相同条件下的冰层厚度和结冰发展进度不同，因而对膨胀管22的迎风侧和背风侧分别进行单独控制。膨胀管22的入口处由入口控制阀24控制进气量，出口处由出口控制阀25控制出气量。通过膨胀管22的吸气和泄气分别控制某分区下膨胀管22的前沿和后缘，可在结冰初期有针对性地去除冰层，提高除冰有效性，加快除冰效率。

膨胀管22进一步利用冷凝器8产生的热气源，采用分布式并联布置以对覆冰部位局部加热。在维持膨胀管22内的空气具备一定温度的情况下，利用入口控制阀24和出口控制阀25，实现加压和泄压，对膨胀管22形成周期性的膨胀作用，通过膨胀管22的这种机械运动，将结冰初期的薄弱冰层与叶片1分离，使叶片1外表面的冰层破碎而脱落，提高经济性和有效性。

此外，膨胀管22内的预热空气具有一定的蓄热能力，能够将分离碎裂的冰层消融，并利用叶片1的螺旋桨机械旋转的离心力将碎冰甩出，大大提高了结冰初期的除冰有效性，减缓或避免了严重积冰的发生。并且，分布式除冰大大提高了除冰的针对性；展向除冰相对于径向除冰，布置及控制都更加便利。

优选地，膨胀管22由涂胶的织物制成。

具体地，涡轮增压气泵、入口控制阀24和出口控制阀25均通过电流启动开关与预埋于隔板21中的通电导线27相连，并由风机轮毂或机舱内的供电电源28进行供电。

在本实施例中，为了对膨胀管22的压力进行控制，采用压力传感器29监测压力，压力传感器29也与预埋于隔板21的通电导线27相连。压力信号通过传感器信号线30传回防冰除冰控制模块。

具体地，通电导线27可通过电刷与轮毂或机舱内的供电电源28连接，传感器信号线30也可通过电刷与防冰除冰控制模块连接。

此外，如果压力传感器29采用无线方式，可以提高便利性。

进一步，在风机叶片1的不同分区设置电阻丝31，在每一个分区，电阻丝31径向布置，即沿叶片1的长度方向连接在叶片1上；每一个分区内均设置多个电阻丝31，同一个分区内的多个电阻丝31展向排列在叶片1上。

并且，不同分区的电阻丝31采用分布式并联布置。

电阻丝31采用分布式并联布置，分段控制以对叶片1覆冰部位局部加热，提高经济性。

而且，分布式电加热的方式，能够通过电加热直接消融、去除较厚的积冰，其能量利用率较高，积冰去除效果理想。

同时，由于电加热除冰方式耗电量较大，在风机发电量中占比较高，因此分布式电加热除冰大大提高了除冰的针对性，并降低了除冰的耗电量。

在本实施例的可选方案中，电阻丝31与膨胀管22在风机叶片1的长度方向上交替设置。

在本实施例中，电阻丝31与膨胀管22在风机叶片1的长度方向上交替排列，即在径向布置的电阻丝31的间隙设置展向布置的膨胀管22。

需要说明的是，由于风机叶片1的结冰进度降序排列分别是前沿、后缘和中部，因此，叶片1前缘的电阻丝31分布密度约为叶片1中间的电阻丝31分布密度的3-4倍，叶片1后缘的电阻丝31分布密度约为叶片1中间的电阻丝31分布密度的2-3倍。

采用不同的分布密度、径向布置的电阻丝31进行电加热除冰，充分考虑叶片1前沿、后缘及中部的冰层形成机理，增强了除冰的针对性，有助于在保证除冰有效性的前提下，进一步地降低除冰耗电量。

当气热防冰装置和膨胀管除冰装置均不能解决问题时，采取局部电加热除冰。电阻丝31与膨胀管22互相结合，在电加热到一定程度时，结合膨胀管22进行综合除冰，提高除冰效率。

也就是说，当结冰发展较快或已至严重积冰阶段时，在气热防冰装置、膨胀管除冰装置的基础上，结合启用电加热除冰装置进行综合除冰，提高除冰效率。

在本实施例中，电阻丝31通过电流启动开关与预埋于隔板21中的加热供电电缆32连接；加热供电电缆32通过电刷与轮毂或机舱内的供电电源28连接。

并且，一个分区内的多个电阻丝31为一组，为了对电加热温度进行控制，每组电阻丝31的前沿、后缘及中部均设置两组电阻丝温度传感器33；电阻丝温度传感器33通过传感器信号线30与防冰除冰控制模块相连。

具体地，电阻丝温度传感器33由通电导线27供电，通电导线27与供电电源28相连。

进一步，层除冰装置包括疏水涂层40，覆盖在风机叶片1表面，减慢结冰进度，使冰融化或者减小冰与物件表面的粘接力，促进融冰降落。

疏水涂层40具备密封防水、防腐蚀、电绝缘、防覆冰等功能。当前述防冰除冰措施进行到一定程度时，如冰层碎裂或融化时，疏水涂层40发挥作用，加速冰层消融，在保证除冰有效性的同时，进一步提高了除冰效率，降低了除冰成本。

针对膨胀管22所对应的叶片1表面和电阻丝31所对应的叶片1表面，疏水涂层40的分层布置情况不同。

在本实施例的可选方案中，风机叶片1表面依次设置有金属耐压层41、膨胀管22、弹性膜42和疏水涂层40。

在本实施例中，对于膨胀管22所对应的叶片1表面，在叶片底衬2的基础上，依次布置金属耐压层41、膨胀管22、弹性膜42和疏水涂层40。

在本实施例的可选方案中，如图6所示，风机叶片1表面依次设置有绝缘导热层43、电阻丝31、绝缘导热层43、金属蓄热层44和疏水涂层40。

对于电阻丝31所对应的叶片1表面，在叶片底衬2的基础上，依次布置绝缘导热层43、电阻丝31、绝缘导热层43、金属蓄热层44和疏水涂层40。

在本实施例中，采用复合涂层防冰的方式，在防冰除冰的所有阶段均能够起到加速融冰去除的目的，方便有效，且成本较低。

综上所述，首先，结合风机运行结冰故障日志、数值天气预报数据、以及基于风机运行状态监测建立的风机运行效能评估数据库，进行多重结冰故障数据筛选并形成结冰判定条件。从而，在已知数值天气预报数据时，可以进行结冰预测预警，获取结冰判定信号。在此基础上，根据加速度传感器、温度传感器及光纤传感器的监测信号，分析结冰位置及结冰进度，防冰除冰控制模块控制并综合利用气热防冰装置、膨胀管除冰装置、电加热除冰装置和层除冰装置，进行灵活地防冰除冰控制。

当结冰条件初步形成，也就是预测为处于可能发生结冰的初期阶段时，利用气热防冰装置和层除冰装置，降低冰层形成概率。

当结冰条件继续维持且持续深化时，此时冰层处于不断发展阶段，冰层较薄，在气热防冰装置的基础上配合利用膨胀管除冰装置和层除冰装置，针对叶片1分区将对应的冰层消除。

如果结冰条件继续恶化，积冰快速发展或至严重结冰阶段时，在上一阶段的基础上，对特定分区内的积冰启用电加热除冰装置进行综合除冰，提高除冰效率。

具体地，采用多组外置的温度传感器、加速度传感器、光纤传感器，分别监测叶片1的表面温度、振动加速度及机械载荷，实现对叶片1结冰状态的实时监测。根据各传感器的监测信号，基于冰层形成条件对积冰程度及位置进行预测，提前采取防冰除冰措施，以避免积冰过厚而加大除冰成本，进而有效、经济地保护风机叶片1。

在准确的结冰预警信息、充分的传感器信号监测，以及多种防冰除冰装置所对应的多重防冰除冰手段的基础之上，可灵活地进行防冰除冰控制。

在前述的气热防冰装置、膨胀管除冰装置、电加热除冰装置、层除冰装置的防冰除冰执行手段基础上，结合灵活地防冰除冰控制，实现高效、经济地防冰除冰。其中，传感器监测及数值天气预报是实现灵活防冰除冰的重要输入信号。充分结合结冰预测预警、结冰状态实时监测及多重防冰除冰方式，实现对叶片1的全面监测及防冰除冰，大大提高了防冰除冰的有效性和经济性，保障了机组的安全运行。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种风机叶片防冰除冰系统，其特征在于，包括：

气热防冰装置，包括冷凝器(8)、送风管道(16)及引风管道(19)；所述送风管道(16)与所述冷凝器(8)连接，用于将所述冷凝器(8)的热风排气送至风机轮毂及机舱内部；所述引风管道(19)设于风机轮毂处，用于将风机轮毂处的热空气引入风机叶片(1)内部；

膨胀管除冰装置，包括多个膨胀管(22)；多个所述膨胀管(22)均布设在风机叶片(1)上，且多个所述膨胀管(22)相互并联；

电加热除冰装置，包括多个电阻丝(31)；多个所述电阻丝(31)均布设在风机叶片(1)上，且多个所述电阻丝(31)相互并联；

层除冰装置，包括疏水涂层(40)；所述疏水涂层(40)设置在风机叶片(1)上；

以及，监测控制装置，包括防冰除冰控制模块以及与所述防冰除冰控制模块电性连接的加速度传感器、温度传感器和光纤传感器。

2.根据权利要求1所述的风机叶片防冰除冰系统，其特征在于，所述送风管道(16)内设有送风机。

3.根据权利要求1所述的风机叶片防冰除冰系统，其特征在于，所述送风管道(16)内设有辅助电加热装置。

4.根据权利要求1所述的风机叶片防冰除冰系统，其特征在于，所述冷凝器(8)连接有引风主管道(12)；

所述引风主管道(12)用于向所述冷凝器(8)内引入冷空气。

5.根据权利要求4所述的风机叶片防冰除冰系统，其特征在于，所述引风主管道(12)连接有机舱内冷空气入口(14)及叶片冷空气入口(15)。

6.根据权利要求4所述的风机叶片防冰除冰系统，其特征在于，所述冷凝器(8)还连接有机舱外冷空气入口(13)。

7.根据权利要求1所述的风机叶片防冰除冰系统，其特征在于，每个所述膨胀管(22)内均设有涡轮增压气泵。

8.根据权利要求1所述的风机叶片防冰除冰系统，其特征在于，所述电阻丝(31)与所述膨胀管(22)在风机叶片(1)的长度方向上交替设置。

9.根据权利要求1所述的风机叶片防冰除冰系统，其特征在于，风机叶片(1)表面依次设置有金属耐压层(41)、所述膨胀管(22)、弹性膜(42)和所述疏水涂层(40)。

10.根据权利要求1所述的风机叶片防冰除冰系统，其特征在于，风机叶片(1)表面依次设置有绝缘导热层(43)、所述电阻丝(31)、绝缘导热层(43)、金属蓄热层(44)和所述疏水涂层(40)。

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