還記得今年的“大寒”嗎？

那幾天，中國(guó)東北、華北地區(qū)的溫度都刷新了入冬以來(lái)的新低，整個(gè)中東部地區(qū)自北向南也進(jìn)入“速凍”模式，葉片結(jié)冰導(dǎo)致停機(jī)，發(fā)電量損失巨大。現(xiàn)在我們認(rèn)識(shí)這個(gè)問(wèn)題，很有意義。

為什么風(fēng)機(jī)葉片會(huì)結(jié)冰

當(dāng)環(huán)境中濕度較大并且溫度低于0度時(shí)，風(fēng)機(jī)葉片就有可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰的現(xiàn)象。在環(huán)境濕度一定的情況下，如果風(fēng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，葉尖相對(duì)速度大，相應(yīng)的葉片表面換熱系數(shù)就大，并且過(guò)冷水滴以及濕雪在葉片表面的堆積速率增加，從而導(dǎo)致葉片運(yùn)行過(guò)程中，更容易加劇結(jié)冰。

葉片上的結(jié)冰可謂五花八門(mén)，影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行的結(jié)冰類(lèi)型主要有云中覆冰和降水覆冰，其中云中覆冰是指過(guò)冷水滴高速拍打在結(jié)構(gòu)表面而凍結(jié)，又分為明冰和霜冰；降水覆冰主要指融雪在低溫下重新凍結(jié)。明冰形成的過(guò)程較慢，因此相對(duì)密實(shí)，成透明色，附著力大。由于其冰型不規(guī)律，對(duì)葉片氣動(dòng)影響嚴(yán)重且附著力大，不易脫落；而霜冰形成較快，冰粒之間充滿(mǎn)空氣，因此成乳白色，其形狀較光滑，對(duì)氣動(dòng)影響過(guò)程緩慢且附著力小，較易脫落。融雪在低溫下重新凍結(jié)后，附著力介于明冰與霜冰之間，對(duì)氣動(dòng)的影響也介于兩者之間。

值得注意的是，風(fēng)機(jī)結(jié)冰對(duì)發(fā)電量、葉片以及整機(jī)都存在較大負(fù)面影響和危害，所以確保機(jī)組運(yùn)行安全是結(jié)冰期運(yùn)行的最高考量要素，以規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)并盡量降低經(jīng)濟(jì)損失。比如，某風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)由于葉片結(jié)冰后持續(xù)運(yùn)行，最終導(dǎo)致葉片超載斷裂、機(jī)組倒塌的事故（見(jiàn)圖1）。

圖1：風(fēng)機(jī)由于結(jié)冰導(dǎo)致葉片斷裂、機(jī)組倒塌

葉片上結(jié)冰的危害有多大

通常來(lái)看，葉片結(jié)冰會(huì)最先發(fā)生在翼型敏感的前緣部位，這會(huì)明顯降低葉片升力系數(shù)，增加葉片阻力系數(shù)，導(dǎo)致發(fā)電量降低，圖2描述了葉片覆冰后的功率曲線(xiàn)異常波動(dòng)情形。更嚴(yán)重的是，進(jìn)一步的覆冰會(huì)導(dǎo)致翼型失速攻角提前，葉片進(jìn)入失速區(qū)域，氣動(dòng)特性發(fā)生劇烈波動(dòng)，從而引起風(fēng)機(jī)葉片顫振，甚至引起整機(jī)的共振。如圖3所示，葉片嚴(yán)重覆冰后，其上翼型的失速攻角提前至7.5°。當(dāng)該截面攻角大于失速攻角時(shí)，該截面升力系數(shù)急劇下降，會(huì)引起葉片額外的載荷波動(dòng)以及結(jié)構(gòu)振動(dòng)，損害葉片的疲勞壽命。

同時(shí)，覆冰所帶來(lái)的冰塊附加重量，以及升阻系數(shù)的巨大變化，會(huì)使得整機(jī)的靜載和動(dòng)載明顯增加，極有可能最終引發(fā)極限超載，導(dǎo)致葉片斷裂甚至機(jī)組傾覆的災(zāi)難后果。而在化冰期間，隨著環(huán)境溫度上升引起覆冰的融化，伴隨葉片的高速運(yùn)行，葉片表面冰塊甩出可能會(huì)造成嚴(yán)重的安全事故，造成周邊居民的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷害。這風(fēng)機(jī)葉片上結(jié)冰的危害之大真是令人驚心！

圖2：覆冰后的功率曲線(xiàn)異常波動(dòng)

圖3：翼型結(jié)冰前后升力系數(shù)

拿什么措施應(yīng)對(duì)葉片結(jié)冰

值得一提的是，在如何應(yīng)對(duì)葉片結(jié)冰的問(wèn)題上，除了無(wú)法控制環(huán)境溫度和降雨降雪外，人們想到了各種方法，比如采用加熱葉片來(lái)防冰凍，問(wèn)題是無(wú)論是通熱氣還是電熱絲加熱，都會(huì)帶來(lái)成本、自耗電和后期維護(hù)等諸多問(wèn)題；再如一些廠家在積極研發(fā)防冰涂料，但這種涂料只能減緩葉片覆冰，而且非常容易脫落失效，1至2年后便需要重新涂覆；還有一些被動(dòng)除冰的方法大多是治標(biāo)不治本，就不再贅述了。

那么，怎么辦？只能看著葉片結(jié)冰無(wú)藥可救嗎？從遠(yuǎn)景的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐來(lái)看，葉片嚴(yán)重結(jié)冰時(shí)應(yīng)當(dāng)即停機(jī)，這既能防止由于風(fēng)機(jī)帶冰運(yùn)行帶來(lái)的危害，又可避免葉片繼續(xù)快速轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)更嚴(yán)重的覆冰。這樣看似損失了一些發(fā)電量，但卻避免了任由覆冰葉片繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)可能帶來(lái)的巨大危害。

其實(shí)在結(jié)冰的初期，葉片前緣覆冰不嚴(yán)重的情況下，風(fēng)機(jī)仍然可以繼續(xù)發(fā)電，但是這時(shí)由于葉片的氣動(dòng)外形改變了，原先固有的控制參數(shù)難以使風(fēng)機(jī)達(dá)到覆冰狀態(tài)下的最優(yōu)發(fā)電效率。這時(shí)可以通過(guò)控制手段讓風(fēng)機(jī)自適應(yīng)到最佳的控制參數(shù)（槳角和轉(zhuǎn)速設(shè)置值），提高發(fā)電量，例如圖4所示，通過(guò)遠(yuǎn)景智能控制技術(shù)自適應(yīng)調(diào)整，即使在葉片覆冰條件下，相比原控制參數(shù)，更加精準(zhǔn)的找到了最優(yōu)葉尖速比，可以挽回發(fā)電量30%以上。

圖4：葉片覆冰后發(fā)電量降低，通過(guò)算法改善后發(fā)電量回復(fù)

這樣的控制方法能否安全有效，很大程度上取決于是否能準(zhǔn)確判斷葉片結(jié)冰狀態(tài)和程度。目前市場(chǎng)上已有的結(jié)冰檢測(cè)技術(shù)，要么是通過(guò)間接手段判斷葉片是否覆冰（如圖5所示葉片結(jié)冰傳感器），要么是通過(guò)振動(dòng)模態(tài)頻率漂移來(lái)判斷，但這些技術(shù)的準(zhǔn)確性均存在問(wèn)題，尤其這些傳感器無(wú)法針對(duì)風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)特性做出判斷和優(yōu)化控制。

而遠(yuǎn)景的智能感知技術(shù)通過(guò)融合風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、槳角、功率和振動(dòng)等各方面信息，再結(jié)合風(fēng)機(jī)葉片氣動(dòng)預(yù)測(cè)模型，可綜合判斷葉片覆冰的狀態(tài)（如圖6所示），能在30分鐘之內(nèi)判斷葉片是否結(jié)冰，并根據(jù)覆冰程度來(lái)啟動(dòng)智能調(diào)整策略，優(yōu)化覆冰葉片的發(fā)電性能。值得說(shuō)明的是，當(dāng)智能感知技術(shù)發(fā)現(xiàn)葉片覆冰程度已經(jīng)影響到風(fēng)機(jī)的安全了，就會(huì)主動(dòng)停機(jī)來(lái)保障風(fēng)機(jī)的安全。這樣，既能最大程度地挽回發(fā)電量，又保證了風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。

圖5：LabkoTek結(jié)冰傳感器

圖6：葉片結(jié)冰快速檢測(cè)示意圖

到此，基本的結(jié)論是，針對(duì)葉片結(jié)冰問(wèn)題，需要詳細(xì)考慮成本和收益的關(guān)系，不能盲目地要求增加葉片抗凍性投入，而要理性思考，算算經(jīng)濟(jì)賬。所以，智能控制手段就成為解決葉片結(jié)冰問(wèn)題的有效方案。