一種用激光方法改進(jìn)風(fēng)機(jī)對風(fēng)精度的研究

蔡春燕，王兵，隆希斌，楊文卓，趙琪

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000)

一種用激光方法改進(jìn)風(fēng)機(jī)對風(fēng)精度的研究

蔡春燕，王兵，隆希斌，楊文卓，趙琪

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000)

功率曲線是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)依據(jù)，也是考核機(jī)組性能、評估機(jī)組發(fā)電能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)。結(jié)合目前已經(jīng)出現(xiàn)的功率曲線問題的綜合分析來看，風(fēng)機(jī)對風(fēng)精度是影響功率曲線的關(guān)鍵因素之一?，F(xiàn)今的風(fēng)機(jī)基本都是利用風(fēng)向標(biāo)來進(jìn)行風(fēng)機(jī)對風(fēng)。文章通過對現(xiàn)在大量使用的風(fēng)向標(biāo)與風(fēng)機(jī)找零方式進(jìn)行分析研究，提出了一種不受天氣、光線影響，更加精確、方便的風(fēng)向標(biāo)與風(fēng)機(jī)之間的找零方法，提高了風(fēng)機(jī)對風(fēng)精度，大大改善了風(fēng)機(jī)的功率曲線。

激光，對風(fēng)精度，功率曲線，風(fēng)向標(biāo)

1 前言

功率曲線是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要參數(shù)。實(shí)際風(fēng)向與機(jī)組軸線方向的夾角是獲得功率曲線的重要參數(shù)之一，這個(gè)夾角的準(zhǔn)確度是由風(fēng)機(jī)對風(fēng)精度決定的。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)力參數(shù)主要監(jiān)測風(fēng)速和風(fēng)向，而風(fēng)向是通過高精度風(fēng)向傳感器―――風(fēng)向標(biāo)測得。風(fēng)向標(biāo)安裝在機(jī)艙頂部，主要測量風(fēng)向與機(jī)艙中心線的偏差角，反映風(fēng)機(jī)對風(fēng)情況，風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)向標(biāo)反映的風(fēng)機(jī)與風(fēng)向角度進(jìn)行偏航調(diào)節(jié)，保證風(fēng)機(jī)更好地獲得風(fēng)能，使實(shí)際功率曲線接近或達(dá)到設(shè)計(jì)要求，提高機(jī)組的發(fā)電量。風(fēng)向標(biāo)與風(fēng)機(jī)之間的對零精度即反映了風(fēng)機(jī)對風(fēng)精度，目前對于兆瓦級風(fēng)電機(jī)組要求風(fēng)向標(biāo)對零校準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)為±2°。

2 現(xiàn)狀分析

目前現(xiàn)場對于風(fēng)機(jī)對風(fēng)精度的控制在于控制風(fēng)向標(biāo)和風(fēng)機(jī)之間的對零校準(zhǔn)，現(xiàn)在大量使用的方法是現(xiàn)場安裝風(fēng)向標(biāo)時(shí)，通過目測調(diào)整風(fēng)向標(biāo)上的零刻線與機(jī)艙的中心線平行；另外是使用機(jī)械對零裝置進(jìn)行校準(zhǔn)， 如圖1、 圖2所示。

圖1 風(fēng)向標(biāo)安裝位置示意圖

（1）目測法: 通過目測， 調(diào)整風(fēng)向標(biāo)上的零刻度線與機(jī)艙中心線平行 （見圖 1）。 由于機(jī)艙長度在 7 000～8 000 mm， 根 據(jù)風(fēng) 場 反饋 情 況， 僅 僅使用目測的方式，誤差較大，無法達(dá)到機(jī)組風(fēng)向標(biāo)找零校準(zhǔn)偏差±2°的要求。 風(fēng)向標(biāo)對零精度誤差過大導(dǎo)致風(fēng)機(jī)對風(fēng)精度誤差過大，嚴(yán)重影響了風(fēng)機(jī)的功率曲線， 風(fēng)機(jī)發(fā)電量損失最大達(dá)到 30%。

（2）機(jī)械裝置調(diào)整法: 如圖 2 所示， 設(shè)計(jì)一個(gè)方鋼支架安裝于風(fēng)向標(biāo)上，一段鋼管安裝在方鋼上。 從風(fēng)向標(biāo)的安裝位置到機(jī)艙觀測孔 （距離風(fēng)向 標(biāo) 7 000～8 000 mm）畫條 虛 擬的 直 線與 觀 測孔相交，人站在交點(diǎn)處，看向鋼管，如果能夠看到鋼管背面的光亮，即表示風(fēng)機(jī)風(fēng)向標(biāo)與風(fēng)機(jī)對零成功。這個(gè)方法能夠保證風(fēng)向標(biāo)的對零精度，但是對環(huán)境要求很高，一旦遇到光線不足的天氣，或者鋼管后面的背景暗于周圍環(huán)境，都會導(dǎo)致光線無法穿過鋼管，人無法通過鋼管看到光亮，風(fēng)機(jī)對風(fēng)失敗。

圖2 機(jī)械裝置調(diào)整示意圖

3 解決方案

針對上述問題，要考慮設(shè)計(jì)一套不受天氣、光線影響的、直線度足夠高的風(fēng)向標(biāo)找零方法來改進(jìn)風(fēng)機(jī)對風(fēng)精度。經(jīng)過認(rèn)真比較多種方案，選擇了激光。激光的直線度較高，并且不受周圍光線影響，最終設(shè)計(jì)了一套利用激光進(jìn)行風(fēng)向標(biāo)找零的對風(fēng)裝置，如圖3所示。

圖3 激光對風(fēng)裝置示意圖

本套對風(fēng)裝置主要由固定架、旋轉(zhuǎn)支架、激光光束發(fā)射裝置、V型抱爪等組成，具體內(nèi)容如下:

（1）風(fēng)向標(biāo)前部平衡器與固定架頂端的 V 型槽卡住，風(fēng)向標(biāo)主體部分通過固定架底部的V型抱爪利用拉桿抱緊固定為一體，V型槽和V型抱爪有自定心功能，保證裝置與風(fēng)向標(biāo)的同心度。

（2）激光發(fā)射裝置通過緊固螺釘固定在固定架頂部的V型槽里面，仍然通過倒V型槽的自定心功能，保證激光發(fā)射裝置與風(fēng)向標(biāo)的同心度。通過旋轉(zhuǎn)固定架頂部旋轉(zhuǎn)支架調(diào)整激光束的高低。

（3）激光發(fā)射裝置發(fā)出的激光光束清晰， 點(diǎn)狀光斑， 10m 射程光斑小于 φ18mm。

4 具體實(shí)施及找零方法

先將點(diǎn)狀光束發(fā)射器通過頂部緊固螺釘固定在旋轉(zhuǎn)支架V型槽里，然后調(diào)節(jié)拉桿將V型抱爪打開，將風(fēng)向標(biāo)前部平衡器如圖3所示卡入固定架V型槽里，通過調(diào)節(jié)拉桿使V型抱爪抱住風(fēng)向標(biāo)主體，但不抱緊，旋轉(zhuǎn)風(fēng)向標(biāo)的主體使主控系統(tǒng)中風(fēng)向標(biāo)的位置參數(shù)為零，再緊固調(diào)節(jié)拉桿使V型抱爪抱緊風(fēng)向標(biāo)主體，從而使風(fēng)向標(biāo)對中裝置與風(fēng)向標(biāo)固定為一體。

將上述整體安裝在機(jī)艙頂部氣象架的風(fēng)向標(biāo)位置，測量風(fēng)向標(biāo)中心位置到機(jī)艙罩殼中心線的距離為L。

確定觀測點(diǎn)的位置，即從機(jī)艙前端觀測口測量從機(jī)艙中心線到機(jī)艙風(fēng)向標(biāo)方向距離為L的點(diǎn)作為觀測點(diǎn)， 記為 A 點(diǎn)， 并以 A 點(diǎn)為圓心畫 φ20 mm的靶點(diǎn)圓， 如圖4所示。

圖4 使用激光對風(fēng)裝置對風(fēng)示意圖

通過調(diào)整頂部旋轉(zhuǎn)支架的俯仰角度，使激光束 向下， 光斑 如果 處于 φ20 mm 的靶 點(diǎn) 圓之 內(nèi) ，則風(fēng)向標(biāo)軸線與葉輪旋轉(zhuǎn)軸線完全平行，風(fēng)向標(biāo)對中完成，風(fēng)機(jī)對風(fēng)成功。

設(shè)風(fēng)向標(biāo)到觀測點(diǎn)距離為 8 m， 光斑按照最大 φ18 mm 計(jì) 算， 最大 偏差角 度為 α=arc tan （28/ 8 000）=0.2°， 因此最大偏差為: ±0.2°， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于風(fēng)機(jī)對風(fēng)精度要求。

5 試驗(yàn)效果

經(jīng)過車間試驗(yàn)驗(yàn)證， 激光對風(fēng)裝置 （見圖 5）體積輕巧、安裝快捷、使用方便、定位準(zhǔn)確，能夠滿足多種惡劣天氣情況下的使用，其精度達(dá)到風(fēng)機(jī)對風(fēng)精度要求。

圖5 激光對風(fēng)裝置實(shí)物

6 結(jié)論

利用風(fēng)向標(biāo)和機(jī)艙之間的找零對風(fēng)機(jī)對風(fēng)精度至關(guān)重要，也是現(xiàn)在機(jī)艙對風(fēng)的唯一方法，機(jī)艙的初始對風(fēng)是以后機(jī)組運(yùn)行中偏航的唯一基準(zhǔn)，直接影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行的實(shí)際功率曲線特性。

本文設(shè)計(jì)了一套利用激光對風(fēng)向標(biāo)找零、改進(jìn)風(fēng)機(jī)對風(fēng)的裝置，其對風(fēng)精度高，能夠適應(yīng)多種惡劣天氣，結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、通用性高，能夠適用于各種機(jī)型，能夠有效地提高風(fēng)機(jī)對風(fēng)精度，改善機(jī)組實(shí)際功率曲線，提高了機(jī)組的性能和發(fā)電能力。

[1]廖平,王建錄.基于遺傳算法的機(jī)械零件形位誤差評定[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011

[2]王 建 錄, 郭慧文, 吳 雪 霞. 風(fēng) 力 機(jī) 械 技術(shù) 標(biāo) 準(zhǔn) 精編[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009

[3]何顯富, 盧霞, 楊 躍進(jìn),等. 風(fēng)力機(jī) 設(shè)計(jì)、 制造與運(yùn) 行[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009

[4]邵聯(lián)合,張梅有,吳俊華.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)與調(diào)試[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011

Research on App lying Laser to Im prove Accuracy ofW ind Turbine and W ind

Cai Chunyan， Wang Bing， Long Xibin， Yang Wenzhuo， Zhao Qi
(Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000)

The power curve is the design basis ofwind turbine,which is also an important index of assessing performance and power generation of wind turbine.According to the comprehensive analysis of power curve problems,accuracy of wind turbine and wind is the key of influencing power curve.Nearly all of the recentwind turbine use wind vane to ad justwind turbine and direction of the wind.This article analyses and researches the way aboutadjusting wind turbine and direction of the wind,puts forward amethod of adjusting wind turbine and direction of the wind which wonˊt be affected by the weather and light,butmore accurate and convenient than before,thus,it improves the accuracy ofwind turbine and optimizes the power curve.

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TK83

： B

： 1674-9987(2014)02-0053-03

蔡春燕 （1979-）， 女， 工學(xué)學(xué)士， 工程師， 2001 年畢業(yè)于四川工業(yè)大學(xué)機(jī)械制造專業(yè)， 現(xiàn)從事風(fēng)電工藝設(shè)計(jì)研究工作。