風(fēng)力發(fā)電葉片運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)近況

邢曉坡

（中科國(guó)風(fēng)科技有限公司，天津 300000）

1 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組簡(jiǎn)介

在進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電的過(guò)程中，發(fā)電機(jī)組由風(fēng)輪、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、塔架和電控系統(tǒng)組成。其中葉片是主要的零件，而且在能量轉(zhuǎn)化的時(shí)候也起到重要的作用，成本占機(jī)組總成本的15%～20%。通過(guò)風(fēng)力使葉片進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而讓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，把風(fēng)能變?yōu)闄C(jī)械能，保證風(fēng)力發(fā)電的正常進(jìn)行。建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)一般選在偏遠(yuǎn)地區(qū)，在其運(yùn)營(yíng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)故障，需要人工維護(hù)、進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控等。由于葉片處在高空，而且體積大，不容易進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)控，所以針對(duì)其可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題不易在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并解決。假如沒(méi)有在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的問(wèn)題，就會(huì)在很大程度上使其發(fā)生故障，從而造成經(jīng)濟(jì)損失。

2 造成葉片機(jī)械損傷的原因

2.1 因操作疏忽

運(yùn)輸、吊裝的時(shí)候發(fā)生故障。在進(jìn)行運(yùn)輸時(shí)，葉片尖端可能會(huì)受到風(fēng)沙和植物的影響從而出現(xiàn)破壞，在進(jìn)行吊裝時(shí)，葉片一些薄弱的位置可能會(huì)受到吊繩夾具的影響出現(xiàn)故障。

2.2 自然因素

一些風(fēng)能豐富的區(qū)域，比較容易出現(xiàn)雷電、風(fēng)沙、高寒等情況，這些氣候因素都會(huì)對(duì)葉片造成一定程度的影響。因?yàn)闄C(jī)組一般會(huì)在高山、沿海等環(huán)境下進(jìn)行工作，在其工作過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)風(fēng)蝕、沙蝕等問(wèn)題。由于這些問(wèn)題的經(jīng)常發(fā)生，就會(huì)讓風(fēng)電設(shè)備出現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的故障，特別是葉片。

2.3 運(yùn)行過(guò)程中維護(hù)不當(dāng)

出現(xiàn)風(fēng)載荷改變、機(jī)組在工作時(shí)超出額定功率等情況時(shí)會(huì)有激振力的出現(xiàn)，假如其頻率和固有頻率接近的時(shí)候，葉片就會(huì)出現(xiàn)變形，進(jìn)而出現(xiàn)裂紋等方面的問(wèn)題。這些由于人為或自然因素影響而出現(xiàn)的故障，在后期因?yàn)闀r(shí)間的推移可能變?yōu)楸容^嚴(yán)重的故障。

3 葉片狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷方法

3.1 直接觀察法

直接觀察法就是使用高倍望遠(yuǎn)鏡、無(wú)人機(jī)、蜘蛛人等進(jìn)行觀察。相關(guān)工作人員通過(guò)高倍鏡對(duì)葉片的外表面實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，會(huì)在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)葉片的故障問(wèn)題，比如是否開(kāi)裂、鼓包、油漆破損等問(wèn)題。

無(wú)人機(jī)巡檢就是通過(guò)無(wú)人機(jī)上的視頻傳感器對(duì)其實(shí)時(shí)監(jiān)控；蜘蛛人巡檢又叫做高空繞行下降目測(cè)檢查，都是人工作業(yè)。這兩者的不同之處是：無(wú)人機(jī)巡檢就是專(zhuān)業(yè)人員控制無(wú)人機(jī)，進(jìn)行一次充電能夠?qū)σ慌_(tái)風(fēng)機(jī)的葉片進(jìn)行檢測(cè)。采取無(wú)人機(jī)巡檢其成本低、效率高，不過(guò)會(huì)出現(xiàn)無(wú)人機(jī)故障等方面的問(wèn)題；采取蜘蛛人巡檢能夠讓專(zhuān)業(yè)人員對(duì)葉片內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)，其準(zhǔn)確性更高，得到的數(shù)據(jù)信息更豐富，不過(guò)其效率較低。

3.2 光纖傳感器監(jiān)測(cè)

現(xiàn)在一些風(fēng)電葉片已經(jīng)使用了光線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)葉片的實(shí)時(shí)監(jiān)控，光纖傳感器和應(yīng)變片在工作過(guò)程中存在很大的差異，光纖傳感器是利用光為載體，使用光線(xiàn)進(jìn)行信息的傳遞。所以，使用光纖傳感器會(huì)有光纖的一些優(yōu)點(diǎn)：電絕緣性好、抗電磁干擾、靈敏性好等等。

通過(guò)使用葉片里的光纖光柵傳感器，把應(yīng)力應(yīng)變信息傳遞下去，對(duì)葉片的故障進(jìn)行監(jiān)控。光纖風(fēng)機(jī)葉片監(jiān)控系統(tǒng)包括光纖傳感器、傳輸光線(xiàn)、解調(diào)儀表、數(shù)據(jù)傳輸模塊。在葉片的合理位置安裝光纖傳感器，專(zhuān)業(yè)人員對(duì)傳感器傳遞給解調(diào)儀的信息進(jìn)行合理的分析研究，從而對(duì)葉片的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。如圖1所示。

圖1 光纖傳感葉片安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用示意圖

3.3 振動(dòng)監(jiān)測(cè)法

葉片在進(jìn)行工作的過(guò)程中會(huì)由于大氣邊界層的剪切風(fēng)、變槳、偏航、葉片自身的屬性等方面影響而出現(xiàn)故障，出現(xiàn)激振源，因?yàn)檫@些方面的影響就會(huì)讓其出現(xiàn)故障。在風(fēng)輪葉片和發(fā)電機(jī)出現(xiàn)共振之后，就會(huì)讓葉片和機(jī)組出現(xiàn)故障，這樣不但會(huì)讓發(fā)電量出現(xiàn)問(wèn)題，還可能發(fā)生安全問(wèn)題，因此針對(duì)這些方面就要進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)控，出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)在第一時(shí)間進(jìn)行解決。

在這套裝置中進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳感器的安裝時(shí)，要通過(guò)參考葉片的型號(hào)對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行合理的調(diào)整，在安裝時(shí)比較方便，得到的數(shù)據(jù)信息比較豐富，可以通過(guò)分析得到的信息對(duì)葉片的運(yùn)行情況進(jìn)行合理的分析并對(duì)其故障進(jìn)行有效的解決。

3.4 噪音監(jiān)測(cè)法

由于會(huì)受到工作環(huán)境的影響，一些葉片在其工作幾年之后就會(huì)發(fā)生侵蝕的情況，假如這種情況沒(méi)有在第一時(shí)間進(jìn)行有效的解決，之后碰到雷擊或者結(jié)冰就會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂等問(wèn)題，讓葉片的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)故障，容易發(fā)生安全問(wèn)題。葉片的結(jié)構(gòu)是薄后緣，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)輸和安裝時(shí)，比較容易出現(xiàn)分層和開(kāi)裂這些方面的問(wèn)題。這些方面的問(wèn)題范圍較小，如果沒(méi)有在第一時(shí)間進(jìn)行解決，就會(huì)出現(xiàn)葉片更為嚴(yán)重的損傷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)讓大梁出現(xiàn)故障。在對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行安裝調(diào)試的時(shí)候，葉片如果裝角有問(wèn)題，就會(huì)讓其出現(xiàn)風(fēng)輪不平衡、軸承過(guò)載等方面的問(wèn)題，還有可能會(huì)發(fā)生倒塔。如果葉片工作在高冷的環(huán)境，如果出現(xiàn)結(jié)冰就會(huì)讓其發(fā)生變形，在前緣出現(xiàn)湍流邊界層，讓葉片的升力出現(xiàn)變化，對(duì)風(fēng)機(jī)的功率產(chǎn)生影響。

噪音檢測(cè)法是通過(guò)智能葉片傳感器，來(lái)對(duì)葉片進(jìn)行實(shí)時(shí)的非接觸監(jiān)控，專(zhuān)業(yè)的定向耳蝸可以監(jiān)控葉片由于發(fā)生問(wèn)題而出現(xiàn)的音頻信號(hào)，使用嵌入式軟件對(duì)其進(jìn)行分析，通過(guò)專(zhuān)業(yè)人員的分析研究，進(jìn)行報(bào)警等工作，對(duì)葉片可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。這種職能葉片傳感器會(huì)讓工作人員在工作過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題減少，更加適應(yīng)一些工作環(huán)境比較復(fù)雜的區(qū)域。噪音檢測(cè)法在進(jìn)行故障的監(jiān)控以及分析研究的過(guò)程中起到很大的作用，不過(guò)其靈敏度不是很高，在進(jìn)行一些微觀判斷的時(shí)候準(zhǔn)確度較低。

3.5 其他靜態(tài)無(wú)損檢測(cè)方法

現(xiàn)在，對(duì)葉片進(jìn)行靜態(tài)的檢測(cè)一般是采用超聲波檢測(cè)法、聲發(fā)射檢測(cè)法等等，不過(guò)采用這種檢測(cè)方法的時(shí)候沒(méi)有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí)，是因?yàn)槿~片出現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的故障就會(huì)讓超聲波的傳播路徑出現(xiàn)問(wèn)題。這種方式能夠?qū)Σ牧蟽?nèi)部或者外部的問(wèn)題進(jìn)行監(jiān)控，一般進(jìn)行離線(xiàn)檢測(cè)，其使用的范圍比較大，得到的結(jié)果更加準(zhǔn)確。要針對(duì)不同的問(wèn)題使用不同的探頭，這就讓這種方法有了一定的局限性。

聲發(fā)射檢測(cè)方法就是通過(guò)分析葉片在出現(xiàn)故障的時(shí)候產(chǎn)生的應(yīng)變波，對(duì)葉片的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。這種方式是非接觸的，能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)控，不過(guò)這種方式的準(zhǔn)確度比超聲波檢測(cè)法低，適合在精確度不高的時(shí)候使用。

紅外熱成像檢測(cè)法，是通過(guò)葉片的熱輻射成像對(duì)葉片的情況進(jìn)行判斷，現(xiàn)在使用比較普遍的方法是主動(dòng)式加熱方法，這種方法在葉片出現(xiàn)表面裂紋等問(wèn)題時(shí)比較實(shí)用，如果是針對(duì)較厚的結(jié)構(gòu)，在使用的時(shí)候就要進(jìn)行進(jìn)一步的分析研究。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的可靠性要求越來(lái)越高，要求能夠?qū)ζ涔收蠁?wèn)題進(jìn)行更加準(zhǔn)確的監(jiān)控。為了保證風(fēng)電行業(yè)的不斷進(jìn)步，有關(guān)部門(mén)要大力支持新能源機(jī)構(gòu)，通過(guò)使用相關(guān)的云數(shù)據(jù)技術(shù)，對(duì)發(fā)電葉片的監(jiān)控手段進(jìn)行不斷的研究和創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)更加實(shí)用的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。