海上风电抗冰设计

近年来，我国海上风电场有了大规模的发展，海上风电抗冰能力也成为风电开发人员重点考虑的能力之一。例如，我国渤海海域风电场，在设计和建造时需对风机和升压站平台等的抗冰性能充分研究、全面考虑，确保风电场冬季安全运行。

图1 风电基础和升压站平台

风机结冰原理

云层中过冷却水下落过程中遇到湿气或雨水溶液被稀释，浓度逐渐降低，冰点升高，与风机叶片接触后，由风带起的大量尘埃提供了冰核，因温度过低，来不及滴落就会迅速结冰。

通常风机叶片结冰是由于气温达到零点温度以下，空气中存在结冰云、潮湿的雨、雪、霜、雾等水汽团，导致冰晶冷凝沉积或湿气冷凝碰到寒冷的物体表面形成。影响结冰的主要气象参数包括液态水含量、水滴中值体积直径、风速、气温和持续时间。风机叶片结冰类型主要包括如下几类：

1、云中结冰

云中结冰通常是云层中过冷小水滴撞击物体表面形成，由于水滴尺寸过小因而无法在空气中结冰。根据液态水含量、温度、风速、水滴尺寸大小，云中结冰具体可以细分为雾凇冰、霜淞冰及雨凇冰。雾凇冰通常由小尺寸水滴形成，撞击物体表面从一点发散成三角形形状。这种冰通常密度比较小，积在叶片前缘很容易除掉。水滴尺寸相对较大、含水量较高时，撞击物体表面会形成高密度的白色冰层，这时形成的为霜淞冰。霜淞冰与物体接触紧密，比较难于清除。在水滴下降过程中，水滴未结冰，而接触物体后开始结冰并沿物体表面流动时，形成密度大、附着力强的冰为雨凇冰。

2、降雨型结冰

在降雨或降雪过程中，形成高密度的光滑、均匀且透明积冰，通常形成温度为-6℃-0℃。相比于云中结冰，降雨型结冰积冰速率更大，包括冻雨、小雨和湿雪结冰。雪晶体遇暖空气时形成小雨或细雨，遇到物体表面时并未迅速结冰，而是沿表面扫掠过程中积冰，这类积冰密度大约为900kg/m3。湿润的雪由于含有液态水，湿度较大，粘性大，易于附着在物体表面，因此在温度骤降时会在物体表面积冰。

3、冰霜

当温度较低，液态水含量高时，会出现水蒸气升华结冰。由于霜降落的密度小，因此形成的积冰在物体表面附着力低。

图2 叶片结冰

海冰与风机力学分析

海冰与结构相互作用是一个耦合过程，冰载荷与结构形式有很大关系。现海洋工程结构根据迎冰面结构形式不同可以分为直立结构和锥体结构。冰荷载包含了静冰荷载与动冰荷载，极值静冰荷载会将结构推倒，动冰荷载会造成结构振动。

1海冰与直立结构相互作用

作用于直立结构主要有挤压、弯曲、断裂及屈曲这四种破坏模式。其中，对结构危害最大的是挤压破碎过程，挤压破碎也是冰与直立结构主要的破碎模式,如下图。对于迎冰面为直立形式的海洋工程结构抗冰性能分析，主要考虑挤压破碎过程，冰速是重要的影响参数。

随着冰速的增加，冰与结构的作用会引起结构明显振动。稳态振动发生时，结构振动幅值较大，且持续比较长的时间。结构稳态振动发生时，稳态振动是直立结构上最危险的冰激振动形式。稳态振动虽然会带来较大危害，但发生概率还是很小的。

图3海冰与直立结构作用的挤压破碎过程

左上：韧性破坏阶段；

右上：韧脆转换阶段前；

左下：韧脆转换阶段；

右下：脆性破坏。

2海冰与锥体结构相互作用

海冰与锥体结构作用破坏的主要形式有海冰劈裂破坏、弯曲破坏及破碎后结构前的堆积。劈裂破坏主要发生在冰比较薄、浮冰比较小、或海冰内部存在裂纹情况。劈裂破坏主要对结构会产生极端静荷载，不足以对结构持续作用，同时在结构自振衰减作用下，对结构影响比较小。海冰堆积通常发生在宽结构前或者是结构摩擦系数比较大的情况下，海冰破碎后不能及时清除而发生堆积的现象，海冰堆积会影响到后续来冰与结构的相互作用，其破坏形式、冰力都会发生改变。

弯曲破坏是冰与锥体结构作用的主要破坏形式。冰的弯曲破坏过程可以表述为以下三个阶段，弯曲断裂阶段、海冰上爬阶段和清除卸载阶段。

海冰与锥体结构作用时主要发生弯曲破坏，主要破碎过程如下：

①当平整海冰与锥面接触后，首先断裂产生若干径向裂纹，同时将产生几个楔形梁。

②海冰在后续来冰的推动下继续沿锥面上爬，径向裂纹随之扩展，当裂纹扩展到一定程度后，锥面产生的反作用力将导致楔形梁在底部发生同时断裂，此后形成环向裂纹。

③断裂的楔形梁将在后续冰的推动力作用下，继续沿锥面上爬。

④平整冰楔形梁在上爬过程中会出现二次断裂。

⑤碎冰沿锥体两侧滑落清除，此时后续冰还未接触到锥面。

此后，后续来冰接触锥面再重复前一个过程。

图4 锥径处海冰弯曲破坏及产生的径向与环向裂纹

劈裂破坏主要发生在冰厚较小、海冰内部存在预裂纹或者浮动海冰面积较小时，劈裂的裂缝与压力的作用线平行，如下图所示。海冰发生劈裂破坏时，主要会产生极端静荷载，但伴随结构的自振衰减，对结构不会造成严重的影响。

图5 劈裂破坏

如果破碎的海冰在沿着锥面滑落的过程中受到阻碍，将导致碎冰无法迅速清除，会在结构前形成堆积，如下图所示。锥体结构通过推动前面的堆积冰，大大增加了与后续海冰接触的面积，影响后续冰与锥体结构作用的破坏形式、破坏过程和冰力的形成。

图6 破碎的海冰堆积在锥面上

抗冰除冰措施

1风机叶片

风机叶片结冰产生的危害主要包括：

风机叶片结冰后会产生较大的冰载荷，影响叶片寿命，同时若运行会对机组产生很大的危害，如叶片折断、机组倒塌等；若停机，则长期处低温区的机组利用率将降低。

风机叶片结冰后，因结冰厚度不同导致原有的翼型改变，影响风电机组的载荷和出力，风机的发电效率势必降低。

叶片表面结冰后，因气温升高带来冰块与基材脱离并掉落，会对机组设备和现场人员造成很大的安全隐患。

风机叶片除冰方法可分为主动型和被动型，被动型常见的有溶液除冰、机械除冰和热能除冰，涂层除冰是常见的主动型除冰方法。

1、溶液除冰

溶液除冰是利用酒精和甘油的混合物或类似的防冻液喷洒到风机叶片表面进行除冰，此种方法是通过降低冰点来使冰雪融化，由于防冻液作用时间短，只能作为临时除冰的一种选择。

图7 直升机除冰

2、机械除冰

借助外界机械力将冰破碎，然后利用气流吹除或者通过离心力将其除去。在寒冷的冬天，利用人力击碎几十米长叶片上的结冰，工作强度大，除冰效果不甚理想。

3、热能除冰

热能除冰常见表现方式为通过热气和电热来除冰，热气除冰就是在叶片内部布置热气管道，通过热传递来除冰。热气除冰成本相对低廉，但在冰灾严重区域除冰效果不佳。电热除冰通过在风机叶片内部预埋加热元件、转换器和电源等装置，提高了控制精度，加热效果较为理想，相应增加了风机制造成本。

叶片热鼓风工作原理示意图如下，图中红色、黄色箭头为气流方向。叶片腔内的气流经过加热器加热后沿红色箭头所指方向通过玻璃钢引风管吹向叶尖位置，气流从叶尖通过与腹板形成的风道形成完整的空气循环流动路线，腔内空气的循环加热可有效加热叶片结冰的前缘重点区域并兼顾叶片后缘和叶根段，达到叶片除冰、防冰的效果。

图8 叶片热鼓风工作原理示意图

4、涂层除冰

涂层除冰是指利用某种涂料的物理或化学特性，使冰融化或者减小冰与叶片表面的亲和力。常采用的涂料有吸热性涂料和憎水性涂料。吸热性涂料通过太阳光辐射产生热能，使冰融化，在阴雨天，其除冰效果大打折扣。憎水性涂料减少了涂层与结冰之间的粘合力，从而使冰在外力作用下能够轻易脱落，但不能完全阻止涂层表面结冰。

2风电塔架

我国渤海和黄海北部冬季的冰期约为3个月，浮冰在海中漂流，会挤压冲击风电机的基础，并引起震动。水位变化时，海冰还会对基础产生上拔或下压效应。渗入混凝土基础的海水在结冰时会产生膨胀压力，反复冻融会破坏混凝土。

可采用抗冰锥结构进行风电塔架的抗冰。已建成的三峡新能源大连市庄河III（300MW）海上风电场项目为中国第一个抗冰设计项目，单桩基础采用结构进行抗冰，使风机支撑结构能更好地抵抗冬季浮冰的挤压破坏，在冬季能够保护单桩基础，又能承受非冰冻期的波浪力。

图9 抗冰锥结构示意图

图10 抗冰锥结构

结语

海上风机结冰问题是风电领域的棘手问题之一，目前仍没有能够彻底解决该问题的的技术手段。随着海上风电的不断发展，相关问题也将引起越来越多的重视，获得更加深入全面的研究，未来将在化学、物理、以及仿生智能等技术领域不断寻求突破，找到解决海上风机结冰的完美解决方案。