基于光纖傳感技術(shù)的風(fēng)電葉片運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

邢曉坡

(中科國風(fēng)科技有限公司 天津300456)

1 對風(fēng)力發(fā)電葉片進行運行狀態(tài)監(jiān)測的意義

1.1 獲取實際承受載荷情況

在葉片設(shè)計階段，葉片載荷狀況可以由空氣動力學(xué)模型計算得到，可通過葉片試驗和載荷特性反映出葉片設(shè)計強度是否滿足設(shè)計要求的理論值。在實際運行過程中，葉片受各種不確定性外界環(huán)境影響所承受的載荷值，與模型計算得出的理論值都會存在偏差，理論載荷是否準(zhǔn)確會直接影響到對葉片運行安全性的評估。通過收集葉片運行載荷數(shù)據(jù)，可用于理論模型的評估和修正，提高葉片設(shè)計質(zhì)量和可靠性；同時也可將葉片運行載荷數(shù)據(jù)作為風(fēng)電機組控制策略的輸入，實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機組控制水平的最優(yōu)化。

1.2 及時發(fā)現(xiàn)葉片運行狀態(tài)的異常

①風(fēng)輪運行動平衡監(jiān)測，可以實時顯示三支葉片的動平衡數(shù)據(jù)，測量偏航角度的改變、風(fēng)剪切和葉片局部質(zhì)量的增加對風(fēng)輪出力的影響，及時發(fā)現(xiàn)機組運行當(dāng)中超過最大安全載荷的情況，防止風(fēng)輪受到第二次損壞。②覆冰監(jiān)測，能夠發(fā)現(xiàn)覆冰并及時告知，避免覆冰后引起葉片局部較高的應(yīng)力水平，防止冰層脫落對風(fēng)輪造成破壞，覆冰消除后及時開機運轉(zhuǎn)。③葉片結(jié)構(gòu)破壞監(jiān)測，實時顯示出葉片結(jié)構(gòu)的變化如葉片后緣開裂或葉片動力特性的變化，防止葉片損壞區(qū)域擴大化。

2 光纖傳感技術(shù)的優(yōu)點

在國內(nèi)葉片監(jiān)測系統(tǒng)的布置中常用的是電阻應(yīng)變片測試技術(shù)，在實踐中應(yīng)變式傳感器暴露出很多缺點，如:輸出電壓信號容易受到周圍其他電磁設(shè)備的干擾，其信號線需要采取屏蔽措施；測量線路布置較為復(fù)雜，每一測量通道只能連接一個測量單元；使用壽命較短，在風(fēng)場進行載荷監(jiān)測的電阻應(yīng)變片使用壽命一般不超過6個月。

目前快速發(fā)展的光纖傳感監(jiān)測技術(shù)與傳統(tǒng)應(yīng)變片方法相比，具有其無可比擬的優(yōu)點:①抗電磁干擾能力強。由于光纖光柵對被測信息用波長編碼，不受光源功率波動和光纖彎曲等因素引起的系統(tǒng)損耗的影響。②使用安全，傳感器不會遭雷擊破壞。其他以電磁測量作為基礎(chǔ)的傳感器無論布置在葉片內(nèi)部還是外表面，都會增加葉片引雷風(fēng)險，造成傳感器和葉片的雷擊損壞。光纖光柵傳感器的布置在葉片上無需電磁感應(yīng)器件，提高了監(jiān)測系統(tǒng)和葉片的安全性。③體積小，重量輕。傳感頭結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小。裸光柵的直徑僅為 0.125mm，帶涂敷層的光纖光柵直徑為 0.25mm。單路光纖上制作多個光柵的能力可以對大型葉片結(jié)構(gòu)實現(xiàn)分布式測量，其測量點多、測量范圍大，每通道可以接數(shù)十個傳感器。使用光纖傳感器可以大幅減輕傳輸導(dǎo)線的重量，使附加到被測葉片上的重量更輕。④壽命長，可靠性高，耐腐蝕。光纖和葉片的主要材料——玻璃纖維的機械性能非常接近，故非常適合植入玻璃鋼復(fù)合材料之中進行健康狀態(tài)監(jiān)測，試驗表明，目前廣泛采用的光纖布拉格光柵(簡稱 FBG)對應(yīng)變表現(xiàn)出很好的線性和重復(fù)性，測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，具有優(yōu)良的應(yīng)變傳感性能[1]。⑤傳輸距離可達上千米。光纖信號遠距離傳輸衰減率極低，相對于應(yīng)變片，不需要進行導(dǎo)線長度的補償，靈敏度和準(zhǔn)確度不受導(dǎo)線電阻影響。

3 光纖監(jiān)測系統(tǒng)原理和功能

3.1 產(chǎn)品功能

光纖風(fēng)機葉片運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要由光纖傳感器(應(yīng)變和溫度)、傳輸光纖、解調(diào)儀表、數(shù)據(jù)傳輸模塊和監(jiān)測軟件組成，如圖 1所示。將光纖傳感器布置在葉片根部、主梁帽以及其他需要重點監(jiān)測的部位，傳感器將信號通過光纖傳輸至解調(diào)儀進行數(shù)據(jù)采集，采集到的信號通過專業(yè)軟件進行分析判斷，以便操作人員能夠及時、準(zhǔn)確地掌握葉片運行狀態(tài)。

系統(tǒng)對風(fēng)電葉片主要通過應(yīng)變的監(jiān)測來判斷葉片的負載、結(jié)構(gòu)失效等情況，對結(jié)構(gòu)的健康狀況加以判斷，并進行預(yù)警。通過葉片在缺損和掛冰等異常情況的頻率響應(yīng)特性時域分析可快速判別葉片的損傷狀態(tài)[2]。

圖1 光纖傳感葉片安全監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用示意圖Fig.1 Application of optical fiber sensor blade safety monitoring system

3.2 測量原理

光纖光柵是一種應(yīng)變(應(yīng)力)、溫度傳感器，目前廣泛采用的光纖布拉格光柵(簡稱 FBG)結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

圖2 光纖布拉格光柵Fig.2 Fiber Bragg grating

光纖布拉格光柵(FBG)的測量原理:將被測量的變化轉(zhuǎn)化為光纖光柵的應(yīng)變或溫度變化，從而引起光纖光柵中心波長的變化，光纖光柵中心波長的變化與被測量之間具有確定的數(shù)學(xué)關(guān)系，只要準(zhǔn)確測定波長的偏移量，就可以計算出 FBG所受應(yīng)變、溫度以及它們的變化量。這種測量方法思路簡單，操作方便，可靠性高。測量原理如圖3所示。

圖3 光纖布拉格光柵測量原理Fig.3 Measuring principle of fiber Bragg grating

系統(tǒng)中多個 FBG傳感器采用波分復(fù)用(WDM)網(wǎng)絡(luò)連接，所謂 WDM 是指數(shù)根不同中心波長的FBG串接成一根光纖，它們共用一個解調(diào)系統(tǒng)進行解調(diào)[3]。波分復(fù)用的 FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 波分復(fù)用的FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)Fig.4 FBG sensor network measurement system based on wavelength division multiplexing

FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)由寬帶光源、信號傳輸線(光纖或光纜)、FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)、光纖耦合器及波長解調(diào)測量系統(tǒng)組成，寬帶光源將有一定帶寬的光通過光纖耦合器入射到光纖光柵中，由于光纖光柵的波長選擇性作用，符合條件的光被反射回來，再經(jīng)光纖耦合器送入解調(diào)裝置測出光纖光柵的反射波長變化。當(dāng)被測試件受振動作用或溫度發(fā)生改變時，光纖光柵自身的折射率或柵距發(fā)生變化，從而引起反射波長的變化。因此，通過檢測波長變化即可推導(dǎo)出被測試件溫度、應(yīng)變發(fā)生的變化。

4 系統(tǒng)布置方案

4.1 傳感器粘貼

將光纖光柵應(yīng)變傳感器刻制在一根光纖上，最多可以刻制 20個，傳感器個數(shù)可以根據(jù)葉片長度及實際測試需求確定，傳感器的安裝方式有 3種方案:①光纜方式。光纖采用光纜保護，光纖光柵傳感器處采用環(huán)氧樹脂膠粘貼于風(fēng)電葉片的表面，此種方式主要適用于合模成型后的葉片，且在試驗室內(nèi)部進行的全尺寸葉片測試項目。②表埋方式。光纖的直徑與葉片材料中的纖維直徑相當(dāng)，可以將光纖內(nèi)埋于復(fù)合材料表層，使風(fēng)電葉片成為智能結(jié)構(gòu)。但此種方式需要占用較長的葉片生產(chǎn)周期，且在葉片層鋪和灌注過程中需特別注意對光纖露出接頭的防護。③表貼方式。為使光纖對復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)性能影響達到最小，可以采用表埋方案，傳感器在葉片內(nèi)腔粘貼完畢后，使用一到兩層玻璃布手糊于葉片內(nèi)表面。目前監(jiān)測方案的實施一般采用這種固定方式。

4.2 系統(tǒng)硬件布置

光纖監(jiān)測系統(tǒng)在機組中的布置如圖5所示。葉根傳感器、主梁帽傳感器及其他位置傳感器由光纖連接至光纖光柵解調(diào)儀，解調(diào)儀固定在輪轂中適當(dāng)?shù)奈恢?，隨輪轂一起旋轉(zhuǎn)。解調(diào)儀要特別注意安裝牢固且避免與機械旋轉(zhuǎn)部件碰撞和摩擦。解調(diào)儀的電源供應(yīng)通過輪轂中附帶的專用滑環(huán)來實現(xiàn)。從解調(diào)儀輸出應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)存貯傳輸單元目前采用兩種形式:一種為構(gòu)建無線局域網(wǎng)形式，在解調(diào)儀和數(shù)據(jù)存儲傳輸單元分別安裝無線傳輸和接收模塊，組建成點對點的通信網(wǎng)絡(luò)。到達數(shù)據(jù)存儲和傳輸單元的數(shù)據(jù)可通過其附帶的移動 SIM 物聯(lián)網(wǎng)卡，借助移動通信網(wǎng)絡(luò)實時傳輸?shù)浇壎ǖ氖謾C APP上。此種方式受限于安裝風(fēng)場的移動基站信號的質(zhì)量。另外一種方式通過滑環(huán)進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)跟隨機組控制和反饋信號直接傳輸?shù)斤L(fēng)場監(jiān)控系統(tǒng)，但此種方式的實現(xiàn)基于滑環(huán)及其他傳輸節(jié)點在初裝時留有足夠的傳輸帶寬。

圖5 系統(tǒng)硬件布置圖Fig.5 System hardware layout

4.3 控制和分析軟件

利用配套軟件，管理員除了通過此系統(tǒng)配置傳感器各類系數(shù)、系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)以及報警閾值，還可以查看歷史和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)了解風(fēng)機健康狀況，對整個系統(tǒng)進行功能調(diào)整、用戶管理。

本監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)對多風(fēng)場下多風(fēng)機的多性能指標(biāo)的實時數(shù)據(jù)測控，針對單個風(fēng)機，可實時監(jiān)測并存儲3個葉片上多個傳感器的波長信號，通過相應(yīng)的計算公式換算成葉片應(yīng)變及載荷信號用以顯示。當(dāng)監(jiān)測信號發(fā)生異常時，本系統(tǒng)可以通過醒目的顏色以及警告框的形式提醒工作人員對問題風(fēng)機的相應(yīng)葉片進行進一步的檢查診斷。

歷史數(shù)據(jù)用以輔助工作人員對風(fēng)機運行情況的故障分析、壽命預(yù)測等維護保修工作。歷史數(shù)據(jù)可以通過報表打印的形式導(dǎo)出，服務(wù)器保存的數(shù)據(jù)可以定期進行備份導(dǎo)出，輔助調(diào)度工作人員制作流量等日常工作報表以及歷史分析報表。

5 結(jié) 語

綜上所述，光纖傳感器相對于應(yīng)變片來說，具有良好的電絕緣性、抗電磁干擾、高靈敏度、遠距離監(jiān)控、高集成度等優(yōu)勢，因此光纖傳感器特別適用于高壓大電流、強磁場噪聲、強輻射等惡劣環(huán)境，能解決許多傳統(tǒng)傳感器無法解決的問題。國外對光纖傳感監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，國內(nèi)雖有一些科研機構(gòu)進行過此方面的研究，但是監(jiān)測系統(tǒng)分析模型的準(zhǔn)確度和經(jīng)濟性尚存在較大提升空間。光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)可以滿足風(fēng)電運營安全對智能化葉片的要求，后續(xù)系統(tǒng)的深入開發(fā)具有很大的必要性和良好的市場應(yīng)用前景。