風(fēng)電機(jī)組葉片開(kāi)裂缺陷在線(xiàn)監(jiān)測(cè)終端研制

顏京忠， 王磊， 周進(jìn)， 季翠娜， 王德剛

(國(guó)網(wǎng)蓬萊市供電公司，山東 蓬萊 265699)

0 引 言

葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，在工作過(guò)程中承受強(qiáng)風(fēng)負(fù)荷、沙粒沖刷、大氣氧化與潮濕空氣的腐蝕，不可避免會(huì)出現(xiàn)氣孔、裂縫、磨損和腐蝕等問(wèn)題[1]。資料分析表明，葉片故障占葉輪機(jī)械故障的65%以上，葉片故障引起的事故往往是災(zāi)難性的，若不及時(shí)處理最終會(huì)導(dǎo)致葉片斷裂，嚴(yán)重威脅著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行和人身安全。葉片運(yùn)行維護(hù)與事故頻發(fā)嚴(yán)重影響著風(fēng)機(jī)的綜合效益，對(duì)葉片缺陷進(jìn)行檢測(cè)診斷已成為了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的重要課題。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法包括復(fù)型法、電位法、顯微鏡直接觀(guān)測(cè)法以及各種無(wú)損檢測(cè)方法，其中無(wú)損檢測(cè)方法主要采用聲發(fā)射、紅外檢測(cè)、電阻應(yīng)變測(cè)量和激光超聲檢測(cè)等手段，相比其他傳統(tǒng)檢測(cè)手段，無(wú)損檢測(cè)手段無(wú)需使機(jī)組停運(yùn)，具有勞動(dòng)強(qiáng)度低、成本少和更具可行性等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。其中，聲發(fā)射技術(shù)可對(duì)葉片的工作情況進(jìn)行實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期連續(xù)的檢測(cè)，無(wú)論葉片的轉(zhuǎn)速快慢如何、葉片的結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損壞，都能有效地采集到信號(hào)，為葉片的健康運(yùn)行提供有力的保證，已廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)葉片健康檢測(cè)[4-6]，傳統(tǒng)的應(yīng)用模式主要是接觸式檢測(cè)，需要布置大量傳感器，對(duì)已投運(yùn)的葉片無(wú)法實(shí)施檢測(cè)。鑒于此，本文利用聲發(fā)射技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于氣動(dòng)噪聲頻域信號(hào)的非接觸式葉片開(kāi)裂缺陷智能檢測(cè)終端，通過(guò)采集風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲信號(hào)，實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)葉片的開(kāi)裂缺陷。

1 風(fēng)機(jī)葉片開(kāi)裂氣動(dòng)噪聲信號(hào)特征分析

當(dāng)葉片存在損傷時(shí)，風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)發(fā)出比平常更尖銳的嘯叫聲。此時(shí)，對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲信號(hào)進(jìn)行時(shí)域—頻域轉(zhuǎn)換，會(huì)發(fā)現(xiàn)氣動(dòng)噪聲頻域信號(hào)的瞬時(shí)幅值急劇增大，其峰值比同排其他機(jī)組葉片的峰值明顯增大，且信號(hào)頻率集中分布在20 Hz～20 kHz頻帶范圍內(nèi)。該部分高頻噪聲是由各種因素引起的高階隨機(jī)偏移量，在正常情況下，這個(gè)高頻噪聲信號(hào)幅值很小，而發(fā)生機(jī)組葉片損傷事件時(shí)將變得很大，由此即可判定葉片結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了損傷[7-8]。圖1是某風(fēng)場(chǎng)1號(hào)機(jī)組(葉片正常)、25號(hào)機(jī)組(葉片損傷)在正常工作狀態(tài)、嘯叫狀態(tài)和偏航狀態(tài)下實(shí)測(cè)的氣動(dòng)噪聲信號(hào)頻域譜。

圖1 某風(fēng)場(chǎng)1號(hào)、25號(hào)風(fēng)機(jī)葉片氣動(dòng)噪聲頻域圖像

由圖1可知，葉片正常的1號(hào)風(fēng)機(jī)機(jī)組氣動(dòng)噪聲包含較多的頻率成分，頻率范圍較廣，主要頻率成分的分布沒(méi)有一定的規(guī)律，呈隨機(jī)性分布，一般由主頻和它的倍頻組成，符合正常葉片的聲音頻率特性。當(dāng)葉片存在損傷時(shí)，風(fēng)機(jī)會(huì)發(fā)出比平常尖銳的嘯叫聲，葉片損傷的25號(hào)機(jī)組葉片在三種運(yùn)行工況下，在頻率響應(yīng)7 kHz～9 kHz范圍內(nèi)的幅值均有大幅提升，說(shuō)明該機(jī)組中高頻成分的能量較大，相應(yīng)產(chǎn)生較高頻率的氣動(dòng)噪聲信號(hào)，風(fēng)電機(jī)組葉片產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲在某一段頻譜的強(qiáng)度變化與葉片開(kāi)裂缺陷具有相關(guān)性，葉片氣動(dòng)噪聲可用于監(jiān)測(cè)開(kāi)裂缺陷。

2 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)智能終端硬件設(shè)計(jì)

2.1 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)終端架構(gòu)

研制的風(fēng)機(jī)葉片開(kāi)裂缺陷智能終端架構(gòu)如圖2所示，智能終端主要包括信號(hào)發(fā)射、信號(hào)處理與傳輸、信號(hào)接收三個(gè)部分。其中：聲發(fā)射傳感器主要實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)噪聲信號(hào)的采集；信號(hào)處理與傳輸環(huán)節(jié)主要實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)噪聲信號(hào)的兩級(jí)放大、濾波、數(shù)模轉(zhuǎn)換、初步診斷及信號(hào)傳輸；信號(hào)接收終端主要實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)噪聲信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與接收。

圖2 風(fēng)機(jī)葉片開(kāi)裂缺陷智能監(jiān)測(cè)終端拓?fù)鋱D

2.2 聲發(fā)射傳感器選型

風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲主要為寬帶噪聲，頻率范圍廣。北京聲華科技生產(chǎn)的SR150M型聲發(fā)射傳感器具有以下特性：①適用于中低頻聲音的錄音和拾音；②具有寬闊的頻率響應(yīng)20 Hz～20 kHz，中低頻段有特定的提升響應(yīng)和良好的瞬態(tài)響應(yīng)；③高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍、低失真；④壓力梯度型麥克風(fēng)，具有場(chǎng)效應(yīng)晶體管前置放大器；⑤靈敏度越高越好，一般為-35 dB。SR150 M型聲發(fā)射傳感器主要參數(shù)如表1所示。

表1 SR150M型聲發(fā)射傳感器參數(shù)

2.3 信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì)

綜合文獻(xiàn)資料及研究者的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)葉片聲發(fā)射信號(hào)中高頻段信號(hào)的靈敏度比低頻段靈敏度高，更有利用實(shí)現(xiàn)故障診斷。另外，監(jiān)測(cè)原始信號(hào)低頻段幅值大，待分析頻段信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)較弱，信號(hào)調(diào)理適于先初步放大、濾波和再放大整理的策略。鑒于此，設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理模塊主要包括前級(jí)放大電路、帶通濾波電路和壓控放大電路三個(gè)部分，信號(hào)頻域帶寬為500 Hz～20 kHz，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)噪聲監(jiān)測(cè)信號(hào)的兩級(jí)放大與濾波，放大倍數(shù)自適應(yīng)可調(diào)。

2.4 主控制器模塊設(shè)計(jì)

聲發(fā)射信號(hào)的頻率較高，要求A/D轉(zhuǎn)換模塊具有比較高的采樣頻率，設(shè)計(jì)中選用了基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407單片機(jī)作為主控制器，該型MCU的ADC采樣頻率最高達(dá)6 MHz，內(nèi)置有3個(gè)獨(dú)立的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，每個(gè)ADC可共享16個(gè)外在轉(zhuǎn)換通道，滿(mǎn)足氣動(dòng)噪聲信號(hào)采樣速率和通道數(shù)量的指標(biāo)需求。

2.5 無(wú)線(xiàn)通信模塊設(shè)計(jì)

通信模塊基于TI公司的單芯片無(wú)線(xiàn)微控制器CC3200進(jìn)行設(shè)計(jì)，該芯片支持802.11b/g/n無(wú)線(xiàn)協(xié)議，同時(shí)支持Station、AP和WiFi Direct工作模式。模塊通過(guò)UART串口通信與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，然后利用WiFi網(wǎng)絡(luò)將主控制器采集的信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送給地面信號(hào)接收終端，便于研制監(jiān)測(cè)終端的布置安裝，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)布線(xiàn)，提高監(jiān)測(cè)的便利性。

3 信號(hào)采集策略與診斷規(guī)則

3.1 智能終端信號(hào)采集策略

圖3 葉片開(kāi)裂故障檢測(cè)流程圖

基于氣動(dòng)噪聲的風(fēng)電機(jī)組葉片開(kāi)裂故障檢測(cè)流程如圖3所示。

智能終端首先利用聲發(fā)射傳感器實(shí)時(shí)采集風(fēng)機(jī)葉片的氣動(dòng)噪聲信號(hào)，然后利用信號(hào)調(diào)理模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊，對(duì)氣動(dòng)噪聲信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)放大、濾波處理與A/D轉(zhuǎn)換，提取滿(mǎn)足系統(tǒng)要求的噪聲信號(hào)。依據(jù)葉片開(kāi)裂損傷情況下的氣動(dòng)噪聲特性，在聲發(fā)射傳感器內(nèi)設(shè)定一個(gè)信號(hào)閾值，若采集到的氣動(dòng)噪聲信號(hào)在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)，則判斷機(jī)組葉片正常，無(wú)需進(jìn)一步處理，若氣動(dòng)噪聲信號(hào)幅值超出該閾值，則說(shuō)明氣動(dòng)噪聲信號(hào)存在明顯提升，需將信號(hào)傳輸至下一環(huán)節(jié)，進(jìn)一步判斷葉片是否存在開(kāi)裂故障?；谠\斷規(guī)則,初步判斷機(jī)組葉片是否存在開(kāi)裂故障，若機(jī)組葉片正常，則無(wú)需將該部分信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺(tái)，若機(jī)組葉片存在開(kāi)裂故障，則將氣動(dòng)噪聲異常信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺(tái)作進(jìn)一步分析，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉片的開(kāi)裂故障的診斷。

3.2 信號(hào)分析診斷規(guī)則

鑒于硬件資源的限制，設(shè)計(jì)的前端智能終端功能定位于葉片氣動(dòng)噪聲的采集與監(jiān)測(cè)信號(hào)的初步判斷，具體的診斷規(guī)則如下：在獲取到超越設(shè)定閾值的風(fēng)電機(jī)組的葉片氣動(dòng)噪聲信號(hào)后，記錄信號(hào)采集時(shí)間，并持續(xù)觀(guān)測(cè)該機(jī)組在若干個(gè)采樣周期(比如2 min)，其噪聲信號(hào)幅值是否存在明顯提升，若幅值均未出現(xiàn)類(lèi)周期性提升，則說(shuō)明機(jī)組葉片正常，為干擾信號(hào)，信號(hào)不上傳后臺(tái)；若信號(hào)幅值為時(shí)域上的連續(xù)性提升，未出現(xiàn)類(lèi)周期脈沖信號(hào)，則判斷其數(shù)據(jù)異常是由機(jī)組偏航動(dòng)作引起的，信號(hào)不上傳后臺(tái);除此之外，信號(hào)數(shù)據(jù)異常均初步歸類(lèi)為由機(jī)組葉片開(kāi)裂故障引起，同時(shí)將信號(hào)存儲(chǔ)并上傳后臺(tái)。

4 可行性試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)葉片開(kāi)裂缺陷智能終端的有效性，本文利用該裝置在某風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，測(cè)量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率為2 500 kW的三葉片、水平軸發(fā)電機(jī)，該風(fēng)機(jī)風(fēng)輪直徑為100 m，額定轉(zhuǎn)速為16 r/min。試驗(yàn)中分別測(cè)量了存在一個(gè)損傷葉片的7號(hào)機(jī)組及三個(gè)葉片均完好的2號(hào)、3號(hào)機(jī)組的氣動(dòng)噪聲，每次測(cè)量時(shí)間持續(xù)30 s，為了減少測(cè)量開(kāi)始和結(jié)束時(shí)儀器造成的誤差，采集信號(hào)至少包含葉片轉(zhuǎn)動(dòng)一周的聲音信號(hào)。智能終端測(cè)量的2號(hào)、3號(hào)和7號(hào)機(jī)組氣動(dòng)噪聲信號(hào)頻域譜如圖4所示。

由圖4可得，2號(hào)、3號(hào)機(jī)組葉片的氣動(dòng)噪聲信號(hào)幅值在高頻范圍內(nèi)無(wú)明顯提升，分布隨機(jī)，符合葉片正常機(jī)組的噪聲信號(hào)特性。7號(hào)機(jī)組葉片在頻率響應(yīng)3.2 kHz～3.6 kHz之間的氣動(dòng)噪聲信號(hào)幅值有明顯提升，說(shuō)明該機(jī)組中高頻成分的能量較大，相應(yīng)產(chǎn)生較高頻率的氣動(dòng)噪聲信號(hào)，符合損傷葉片的聲音特性，且與風(fēng)場(chǎng)工作人員反饋的7號(hào)機(jī)組葉片存在損傷結(jié)論相符。測(cè)試結(jié)果表明，研制的風(fēng)電機(jī)組葉片開(kāi)裂缺陷智能終端能有效采集寬帶噪聲為主的氣動(dòng)噪聲信號(hào)，可以將微弱的氣動(dòng)噪聲電壓信號(hào)放大，并通過(guò)濾波提取有用的氣動(dòng)噪聲信息，實(shí)現(xiàn)初步診斷。

圖4 某風(fēng)場(chǎng)2號(hào)、3號(hào)、7號(hào)機(jī)組氣動(dòng)噪聲頻域信號(hào)

5 結(jié)束語(yǔ)

研制了一種基于氣動(dòng)噪聲的風(fēng)電機(jī)組葉片開(kāi)裂缺陷在線(xiàn)監(jiān)測(cè)智能終端。測(cè)試結(jié)果表明,該智能終端的信號(hào)測(cè)取精度可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組葉片運(yùn)行狀態(tài)信息的準(zhǔn)確獲取，采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)噪聲監(jiān)測(cè)信號(hào)傳輸至地面接收終端，增加了智能終端現(xiàn)場(chǎng)布置應(yīng)用的便利性。下一步擬開(kāi)展終端監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇與優(yōu)化工作。