風(fēng)力發(fā)電葉片實(shí)時(shí)監(jiān)控故障預(yù)警系統(tǒng)分析

摘要：風(fēng)力發(fā)電是新能源發(fā)電技術(shù)中較成熟、具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式。由于在改善生態(tài)環(huán)境、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)以及促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展等方面的突出作用，當(dāng)前世界各國(guó)都在大力發(fā)展和研究風(fēng)力發(fā)電及其相關(guān)技術(shù)。在風(fēng)力發(fā)電的過程中，葉片經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)問題，這對(duì)整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行造成危害，因此，需要做好對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片的動(dòng)監(jiān)測(cè)，降低故障的發(fā)生幾率。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電葉片;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);葉片故障;葉輪

1分析葉片斷裂原因與檢測(cè)原理分析

1.1葉片斷裂原因

葉片運(yùn)輸?shù)斤L(fēng)場(chǎng)的距離較長(zhǎng)，并且交通環(huán)境差，在實(shí)際運(yùn)輸?shù)倪^程中，受交通環(huán)境的影響，葉片可能會(huì)受到破壞，導(dǎo)致葉片上出現(xiàn)一些細(xì)微的傷痕，這些傷痕的存在，當(dāng)葉片在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可能會(huì)演變成安全事故。吊裝葉片時(shí)，無論是采用夾具還是繩具，在安裝期間，只要葉片中心與主梁角度存在偏差，葉片偏離地面時(shí)，都會(huì)發(fā)生角度復(fù)位移動(dòng)，以及摩擦復(fù)位情況，這會(huì)導(dǎo)致葉片出現(xiàn)損傷，該種類型的損傷主要集中在葉片的前緣。葉片在具體應(yīng)用期間，葉片經(jīng)常受到暴雨、冰雪的侵襲，即使有很小的裂縫和砂眼，水也會(huì)滲入復(fù)合材料，嚴(yán)冬時(shí)水結(jié)冰導(dǎo)致內(nèi)芯快速損壞;許多風(fēng)機(jī)會(huì)在超高風(fēng)速下運(yùn)轉(zhuǎn)。雖然短時(shí)間產(chǎn)生的功率大幅增加，但是結(jié)果是機(jī)組超功率運(yùn)行，葉片容易出現(xiàn)早期失效的問題剛。以上原因使葉片壽命離散性變大，小的損傷如未及時(shí)修補(bǔ)將會(huì)蔓延生長(zhǎng)，最終將引發(fā)葉片變形斷裂失效。未完全斷開的葉片在繼續(xù)旋轉(zhuǎn)中擊打損毀其他完好葉片和相關(guān)設(shè)施，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。

1.2檢測(cè)原理

由于風(fēng)力發(fā)電葉片是均勻分布的，所以葉片尖端之間的弧長(zhǎng)均為S，當(dāng)葉片斷裂前發(fā)生較大變形時(shí)，葉片會(huì)因變形而產(chǎn)生位移，且葉片尖端位移變化最大，兩葉片尖端之間的弧長(zhǎng)將變?yōu)镾±△S。在問題實(shí)際分析期間，因?yàn)橄噜徣~片間弧長(zhǎng)變化難以被監(jiān)測(cè)，因此在實(shí)際問題分析期間，可以通過測(cè)量葉片間時(shí)長(zhǎng)t，完成相應(yīng)的測(cè)量作業(yè)。設(shè)葉輪轉(zhuǎn)速為n，依據(jù)速度位移控制t=s/n，完成相應(yīng)的計(jì)算。從理論上來講，因?yàn)槿~片間尖端的實(shí)際弧長(zhǎng)都為S，在具體的作業(yè)期間，如果葉片未發(fā)生變形，此時(shí)葉片尖端之間時(shí)間差為t，其是一個(gè)常量。如果葉片在運(yùn)行中發(fā)生變形，時(shí)差將會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，可以應(yīng)用t±△t進(jìn)行表示。因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電運(yùn)行過程中載荷十分復(fù)雜，這會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)一定圓周向彈性擺振、監(jiān)測(cè)誤報(bào)，影響監(jiān)測(cè)結(jié)果。在實(shí)際作業(yè)的過程中，為了消除誤報(bào)，確保監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，進(jìn)行程序編制時(shí)，要設(shè)定報(bào)警閾值T，該值要在△t基礎(chǔ)上，增加10%裕量。

2風(fēng)力發(fā)電葉片實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警系統(tǒng)分析

2.1檢測(cè)葉片故障裝置

風(fēng)電機(jī)組偏航控制系統(tǒng)在整個(gè)風(fēng)電控制系統(tǒng)中是重要的組成部分。偏航的功用是當(dāng)機(jī)艙的正方向與自然風(fēng)風(fēng)向發(fā)生一定的角度偏移時(shí)，機(jī)艙會(huì)自動(dòng)偏航至與自然風(fēng)風(fēng)向一致的位置，以確保風(fēng)機(jī)能得到最大的迎風(fēng)面，從而提高風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率，做到風(fēng)能的最大可利用率。為了避免偏航孔子狀態(tài)下葉輪出現(xiàn)頻繁轉(zhuǎn)向問題，要在系統(tǒng)中安裝實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，通過對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，完成相應(yīng)的檢測(cè)作業(yè)，確保其運(yùn)行的穩(wěn)定性。將檢測(cè)裝置安裝在塔筒外側(cè)沿葉片徑向靠近葉片尖位置處。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行期間，如果風(fēng)電機(jī)組正方向與自然風(fēng)風(fēng)向發(fā)生偏移，如果該數(shù)值超出設(shè)定參數(shù)值，此時(shí)，風(fēng)機(jī)中的主控系統(tǒng)會(huì)發(fā)送指令，確保偏航驅(qū)動(dòng)器能順利的完成相應(yīng)的作業(yè)。通過對(duì)偏航驅(qū)動(dòng)器的合理應(yīng)用，整個(gè)風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)右偏航或左偏航，當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)向?yàn)?°時(shí)將會(huì)停止。完成偏航動(dòng)作之后，檢測(cè)裝置在具體應(yīng)用的過程中，會(huì)依據(jù)風(fēng)向儀在運(yùn)行過程中測(cè)取的風(fēng)向角度大小，開啟相應(yīng)角度傳感器，完成傳感器交替。在高空利用角度對(duì)風(fēng)向進(jìn)行表示，在實(shí)際分析期間，可以將圓周合理的劃分成360°，其中北風(fēng)、東風(fēng)、南風(fēng)、西風(fēng)分別對(duì)于0°、90°、180°、360°，其余的風(fēng)向，在實(shí)際問題的分析過程中，可以通過計(jì)算獲取。將測(cè)量風(fēng)向儀器安裝在風(fēng)電機(jī)組頂部，通過對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用，能隨時(shí)完成對(duì)自然風(fēng)的具體風(fēng)向的檢查。

2.2實(shí)時(shí)檢測(cè)風(fēng)力電機(jī)中葉輪轉(zhuǎn)速裝置

風(fēng)場(chǎng)中風(fēng)力的大小和方向經(jīng)常變化著，這使葉輪轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，而葉輪轉(zhuǎn)速是計(jì)算時(shí)間差的重要因素。設(shè)計(jì)一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)葉輪轉(zhuǎn)速裝置，該裝置由電磁傳感器及強(qiáng)力磁鐵構(gòu)成，考慮到實(shí)時(shí)檢測(cè)葉輪轉(zhuǎn)速不易實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換為檢測(cè)主軸轉(zhuǎn)速。在增速器端聯(lián)軸器的法蘭外圓周面上設(shè)置一塊隨聯(lián)軸器一起旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)力磁鐵。葉輪旋轉(zhuǎn)期間，傳動(dòng)軸每完成一周旋轉(zhuǎn)，霍爾電磁傳感器都會(huì)接收到相應(yīng)的脈沖信號(hào)。

2.3設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪監(jiān)控系統(tǒng)

將PLC安裝在塔基控制柜內(nèi)，完成對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在具體運(yùn)行過程中出現(xiàn)的斷裂，從而形成非正常變形，同時(shí)，還會(huì)發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)信號(hào)，依據(jù)發(fā)出的各項(xiàng)報(bào)警信號(hào)，預(yù)設(shè)自動(dòng)停機(jī)，通過該方式，達(dá)到預(yù)防葉片在運(yùn)行中故障發(fā)生的作用。在具體運(yùn)行期間，葉輪每旋轉(zhuǎn)一周，系統(tǒng)中的非接觸式光電穿互感器在應(yīng)用期間，都會(huì)接收到與葉片數(shù)量相同的開關(guān)控制信號(hào)，同時(shí)要對(duì)葉輪轉(zhuǎn)速裝置接收到各項(xiàng)的轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行合理檢測(cè)，利用信號(hào)屏蔽線，實(shí)時(shí)將各項(xiàng)信號(hào)都準(zhǔn)確的傳送到塔機(jī)控制柜中的PLC中。在實(shí)際中，應(yīng)將葉片故障節(jié)點(diǎn)合理的串聯(lián)到包含緊急停機(jī)按鈕、扭矩開關(guān)、發(fā)電機(jī)過塑模塊以及PLC過速信號(hào)等各項(xiàng)裝置的回路中，在實(shí)際運(yùn)行中，整個(gè)回路中的各項(xiàng)裝置都能夠發(fā)揮出應(yīng)有的作用，確保整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，從而為人們提供更好的服務(wù)。如果葉片受到一定影響，葉片將要發(fā)生斷裂時(shí)，其受各項(xiàng)因素影響，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重變形，同時(shí)，傳感器在運(yùn)行過程中，受到的控制信號(hào)也會(huì)發(fā)生變化，葉片故障節(jié)點(diǎn)發(fā)出現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作時(shí)，回路會(huì)出現(xiàn)斷電現(xiàn)象，此時(shí)，則可以實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警，有效避免問題進(jìn)一步加劇。

3結(jié)語

現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電過程中，對(duì)于葉片的監(jiān)測(cè)存在嚴(yán)重不足，對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片在應(yīng)用中出現(xiàn)的斷裂原因進(jìn)行分析，從而找到一種非接觸式風(fēng)力發(fā)電葉片實(shí)時(shí)監(jiān)控措施，并且，在該基礎(chǔ)上，設(shè)置一種新型風(fēng)電葉片實(shí)時(shí)監(jiān)控故障預(yù)警系統(tǒng)，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，可以將該系統(tǒng)應(yīng)用到風(fēng)田現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，該系統(tǒng)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，可靠的葉片實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警系統(tǒng)，可有效預(yù)防葉片斷裂故障的發(fā)生，避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失。此外，系統(tǒng)成本低、便于使用及維護(hù)，具有良好的社會(huì)效益以及推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]邢曉坡.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[J].中國(guó)設(shè)備工程，2018（13）.

[2]鄧雙輝，馮云龍，劉坐鎮(zhèn).幾種大型風(fēng)力發(fā)電葉片用環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的對(duì)比分析[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2018（4）.

[3]高玉霞，程朗，印厚飛.風(fēng)力發(fā)電葉片成型工藝的職業(yè)病分析[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2017（14）.

師彪（1986.10.06），性別：男;籍貫：山西晉中太谷縣;民族：漢;學(xué)歷：本科;職稱：助理工程師;職務(wù)：生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)部風(fēng)機(jī)專工;研究方向：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片發(fā)展與應(yīng)用;單位：晉能清潔能源風(fēng)力發(fā)電有限責(zé)任公司;郵編：030000.

晉能清潔能源風(fēng)力發(fā)電有限責(zé)任公司，山西太原?030000