立项背景

国家电投集团广西电力有限公司（以下简称“广西公司”）是广西自治区第一家涉足风电的企业，也是广西目前风电投产容量最大的企业，承接集团公司在桂发展战略，着力打造桂南、桂东、桂北三个“百万千瓦清洁能源基地”。

截至2020年3月，广西公司已投产风电容量81.5万千瓦，在建风电容量52.15万千瓦。现阶段，除钦州地区已投产的怀山风电场外，桂林地区是公司风电发展的主要基地，已投产风电场5个，主要分布在资源县、兴安县、灵川县等县域，海拔约420－1800m，是典型的高寒高湿山地风电。桂林区域风电场地处湘桂走廊，是冬季冷空气南下入桂的主要通道，经常遭受大风、低温、雨雪等天气，极易引起风机叶片覆冰。

2016－2020年，金紫山风电场累计凝冰39次（137天），凝冰导致全场停机21次（104天），坵坪风电场累计凝冰23次（90天），凝冰导致全场停机6次（10天），实际年平均凝冰影响停机折减系数为2.67%（2016年2.16%、2017年0.57%、2018年6.33%、2019年2.15%、2020年1.07%）。凝冰最为严重的2018年，广西公司凝冰损失电量达12937万千瓦时，造成经济损失6944.17万元（金紫山风电场损失610.69万元、坵坪风电场损失6333.48万元，已扣除13%增值税），超设计凝冰损失电量2237万千瓦时（年设计凝冰损失电量10700万千瓦时）。严重影响风机运行安全和公司经营效益，启动风机防凝冰科技攻关迫在眉睫。

内涵和主要方法

2018年3月成立风机防凝冰科技攻关课题组，由分管领导挂帅统筹相关工作策划和实施，整合风机主机厂、气象部门、科研机构等多方资源，内部加强样机试验、外部注重合作交流，从带冰运行控制策略、电热除冰、气热除冰、覆冰预警、覆冰监测、覆冰等级评判等多方面同步开展攻关。两年来，组织专题研讨10余次，开展技术交流20余次，赴外单位实地调研10余次。历经研究开发、试点部署、分析应用，初步实现了风机覆冰“事前预警、事中监测、事后分析”全链条、全覆盖的工作机制。

原理或机理

风机覆冰监测：覆冰监测系统主要由覆冰传感器、温湿度传感器、风速传感器、传输单元、供电单元、监控单元等部分组成。其中：覆冰传感器、温湿度传感器、风速传感器安装在风机机舱顶部，主要监测机舱顶部覆冰厚度及气象要素。采用电磁谐振原理，通过输出固定频率信号，经数字处理变换得到覆冰厚度，提供四级覆冰监测。

风机带冰运行控制：通过机舱主采集系统、轮毂采集系统将风机叶片以及其他部位载荷计算有关数据传送至工作站，并通过载荷分析软件将传输的信号进行转换、计算，得到风机各部位载荷及相关数据信息。通过在中国空气动力研究与发展中心结冰风洞试验室中对叶片结冰翼型和气动性能进行测试，同时在金紫山风电场I-26号风机安装风机带冰运行载荷测试系统，测试不同风速下风机叶根、轮毂、塔顶和塔底载荷的变化规律。综合叶片翼型、气动性能及载荷测试结果，制定风机带冰运行控制策略。

电热除冰系统：通过在风机叶片表面布置导电加热材料，当系统自动检测到叶片覆冰时，控制加热材料导通产生热量，传递给叶片表面冰层，提升或维持叶片表面温度。电热除冰技术可应用于新建风机，达到除冰、延缓覆冰的目的，挽回凝冰损失电量。

气热除冰系统：在风机叶片腔内布置通风管道，叶片腔内气流通过加热后，利用通风管吹向叶尖位置，在叶片腔内形成完整的空气循环流动路线，借以提升叶片凝冰重点区域表层温度。气热除冰技术可应用于存量风机改造，从而达到叶片防冰、除冰的目的，挽回凝冰损失电量。

风机覆冰预警：风机覆冰预测是通过收集风电场历史覆冰运行数据，结合风机附近的气象预测数据、地形条件、环境等因素，对风机叶片的覆冰生成过程进行分析计算，实现对单台风机和风电场的覆冰预测和预警功能。

风机覆冰等级评判标准：以凝冰期风机覆冰监测系统实际数据为基础，结合风机功率曲线符合度与风机覆冰厚度关系，初步将覆冰等级划分为四级。

创新亮点和值得学习借鉴之处

风机防凝冰科技攻关从多方面同步开展攻关，应用面广泛。

风机覆冰预警、覆冰监测、覆冰等级评判等攻关成果处于行业领先水平。

气热除冰攻关成果经评估具有批量推广应用价值。

与自治区气象服务中心合作成果丰硕，金紫山风电场、坵坪风电场获3座国家级观冰站布点资源。

实施应用前后效果（益）情况对比

项目实施前，风机凝冰严重影响生产经营效益，国内外未见行之有效、成熟可复制的防凝冰解决方案。项目自2018年启动风机防凝冰科技攻关以来，广西公司从零开始、多头并进，围绕带冰运行控制策略、电热除冰、气热除冰、覆冰预警、覆冰监测、覆冰等级评判等多方面，同步开展研究开发、试点部署、分析应用，累计为公司挽回凝冰损失电量249.66万千瓦时，挽回约133.46万元的经济损失（已扣除13%增值税）。

可推广应用范围

可以在广东北部、广西东北部、贵州大部、江西和湖南部分地区以及四川西北部等覆冰程度较轻的风电场进行批量推广应用。