對風(fēng)力發(fā)電設(shè)備無損檢測技術(shù)的研究

谷群遠(yuǎn) 劉木森

摘?要：風(fēng)力發(fā)電作為我國可再生能源的核心組成部分，在國家大力倡導(dǎo)下取得迅速發(fā)展及應(yīng)用。風(fēng)力發(fā)電涉及材料學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等學(xué)科，屬于集成化的新能源開發(fā)技術(shù)。由于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行環(huán)境惡劣且體量較大，需定期對設(shè)備進(jìn)行無損檢測，評估設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。本文以風(fēng)力發(fā)電設(shè)備無損檢測技術(shù)為切入點(diǎn)，研討塔筒、電機(jī)設(shè)備、電力電子構(gòu)件、齒輪箱、風(fēng)電系統(tǒng)等的無損檢測技術(shù)及技術(shù)應(yīng)用方式。結(jié)合風(fēng)電機(jī)葉片缺陷評估，引入紅外熱像無損檢測，分析葉片無損檢測方式，降低葉片過度維護(hù)，以及事后維護(hù)帶來的高昂運(yùn)維成本，確保風(fēng)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：發(fā)電設(shè)備;風(fēng)力發(fā)電;無損檢測技術(shù);紅外熱像無損檢測

各國大力發(fā)展新能源事業(yè)，聯(lián)合國將全球可再生清潔能源認(rèn)定為重點(diǎn)投資方向?；诖耍覈鴮L(fēng)能作為未來經(jīng)濟(jì)增長的主要能源來源之一，并大力建設(shè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。目前，我國風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得了一定成就，研究重點(diǎn)將朝向運(yùn)維發(fā)展，即穩(wěn)固系統(tǒng)運(yùn)行，加強(qiáng)安全性評估及可靠性評價(jià)。因此，需大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電設(shè)備無損檢測技術(shù)，延長風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)使用壽命，減少故障損失，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1?風(fēng)力發(fā)電設(shè)備無損檢測技術(shù)及應(yīng)用

1.1?監(jiān)測發(fā)電機(jī)與電力電子設(shè)備

風(fēng)力發(fā)電機(jī)包括電力電子與電磁兩部分，此類構(gòu)件可靠性是評估風(fēng)電設(shè)備檢測水平的重要指標(biāo)。風(fēng)力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行過程中，受振動(dòng)、濕度、溫度、封裝形式等影響都會(huì)對內(nèi)部構(gòu)件造成影響，嚴(yán)重者導(dǎo)致零件損壞。風(fēng)力發(fā)電設(shè)備收集的風(fēng)能先經(jīng)過葉輪，再經(jīng)過主軸與齒輪箱，經(jīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換后變成電能。風(fēng)力機(jī)葉片是一種彈性體，在風(fēng)力作用下葉片結(jié)構(gòu)可形成向上的空氣動(dòng)力與慣性力，其交變性無法確定，并且隨機(jī)性較強(qiáng)。在力的耦合作用下，發(fā)電機(jī)因不可抗力的振動(dòng)而產(chǎn)生自激共振，即顫振。如果顫振處于發(fā)散狀態(tài)，將導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電設(shè)備損壞。除此之外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中會(huì)因諸多原因而產(chǎn)生較大振動(dòng)，振幅與振動(dòng)頻率超過風(fēng)機(jī)荷載將影響風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。目前，應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的無損檢測方式包括：熱成像技術(shù)、電磁傳感技術(shù)、掃地雷達(dá)技術(shù)等，同時(shí)還可通過模態(tài)分析法對系統(tǒng)穩(wěn)定性與壽命進(jìn)行評估，以此提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障檢測科學(xué)性。

除風(fēng)電機(jī)機(jī)械部分易造成設(shè)備損壞之外，風(fēng)力、溫差、潮濕條件也會(huì)導(dǎo)致線路絕緣耐壓、腐蝕及接觸電阻的失效。風(fēng)力發(fā)電機(jī)和電力電子元件的電子類故障涉及定子線圈絕緣故障、轉(zhuǎn)子故障、激勵(lì)線圈絕緣故障等。轉(zhuǎn)子與頂?shù)纂娐饭收习ň€圈斷裂、線路短路、線圈匝間短路或相位對位短路等，同時(shí)焊接點(diǎn)松動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致線路故障。傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)電流信號分析法無法適用于發(fā)電機(jī)工作時(shí)，僅能進(jìn)行線下測試或設(shè)備停運(yùn)時(shí)檢修。從電力電子方面分析，電流通過半導(dǎo)體器件時(shí)功率損失引起的發(fā)熱是導(dǎo)致發(fā)電機(jī)元件損壞的主要原因之一，在工作電壓與載流能力持續(xù)增加的背景下，溫度與檢測系統(tǒng)對電力電子設(shè)備可靠性評估具有非常顯著的意義。所以，目前對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)與方法仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，有必要加大無損檢測技術(shù)研究力度，對電力電子系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1.2?預(yù)估齒輪箱壽命

常規(guī)條件下，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備齒輪箱主要由鋁合金材料與不銹鋼材料為主，可負(fù)擔(dān)較大循環(huán)負(fù)荷，但容易導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)疲勞磨損。一旦風(fēng)力發(fā)電設(shè)備所處區(qū)域出現(xiàn)風(fēng)力驟變或存在腐蝕性海洋活動(dòng)，將導(dǎo)致設(shè)備因腐蝕而開裂，此類問題都將引發(fā)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)或傳動(dòng)裝置失效。在齒輪箱施加無損檢查時(shí)，為保證裝置性能不受影響，應(yīng)開發(fā)與設(shè)備性能和材料相匹配的檢測方式。目前，常用的風(fēng)電設(shè)備齒輪箱無損檢測技術(shù)包括：第一種是以電磁為基礎(chǔ)的二維ACFM檢測技術(shù)、巴克豪森噪聲無損檢測技術(shù)等，此類檢測方式既可對傳感器表面進(jìn)行檢測，也可輔助優(yōu)化檢測方法，讓檢測流程更加科學(xué)與合理;第二種是創(chuàng)建振動(dòng)分析的檢測方式，以此對齒輪箱進(jìn)行檢測，分析其運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常;第三種是從內(nèi)部解構(gòu)齒輪箱系統(tǒng)，讓其與油溫檢測系統(tǒng)配合工作。

1.3?塔筒無損檢測技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中的風(fēng)電塔筒多以低合金鋼為主要材質(zhì)，焊接處理過程中易在其表面出現(xiàn)弧形焊紋。由于塔筒焊接多采用埋弧焊，同時(shí)采用涂抹藥劑的方式進(jìn)行清理，會(huì)導(dǎo)致塔筒表面出現(xiàn)氣孔夾渣。塔筒裂紋方式具體包括熱裂紋、收弧裂紋、延遲裂紋等，易在塔筒表面快速拓展，當(dāng)裂紋影響設(shè)備承載力時(shí)，將引發(fā)倒塌事故。從目前研究成果分析，塔筒無損檢測技術(shù)主要有超聲波技術(shù)、磁粉技術(shù)與射線檢測技術(shù)。

1.4?實(shí)時(shí)監(jiān)測風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)

依照風(fēng)力發(fā)電設(shè)備能源轉(zhuǎn)化特征，發(fā)電系統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，結(jié)合集成技術(shù)和在線監(jiān)測可評定設(shè)備運(yùn)行效率，并監(jiān)測系統(tǒng)是否穩(wěn)定運(yùn)行。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中融入了傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、無線通信技術(shù)、分布式處理技術(shù)，系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)均可通過計(jì)算機(jī)與外部進(jìn)行通信。截至目前，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測手段包括：

（1）應(yīng)用無損檢測技術(shù)及監(jiān)控結(jié)構(gòu)聯(lián)合提出的紅外成像技術(shù)。

（2）基于監(jiān)控技術(shù)基礎(chǔ)模型，評估設(shè)備極端惡劣運(yùn)行環(huán)境下線路腐蝕與老化情況，并對其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

（3）比對多種電子系統(tǒng)變流器及發(fā)電機(jī)，應(yīng)用成像檢測技術(shù)，一旦檢測過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行異常便動(dòng)態(tài)優(yōu)化。為保證風(fēng)電系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的精準(zhǔn)性與有效性，應(yīng)充分考慮特殊環(huán)境下通信信號的高傳輸性，讓數(shù)據(jù)通信可適用于不同環(huán)境。

（4）對信息進(jìn)行合理的采集壓縮及整合，最大限度縮短采樣周期，研究數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及容錯(cuò)技術(shù)。

（5）大力開發(fā)可集成在風(fēng)電系統(tǒng)中的MAC協(xié)議與路由協(xié)議，進(jìn)一步加快數(shù)據(jù)傳輸效率，解決死鎖或活鎖問題。

1.5?風(fēng)力發(fā)電設(shè)備葉片檢測與分析

風(fēng)力發(fā)電設(shè)備葉片易受環(huán)境影響，在實(shí)際工作中受外力影響很容易在彎、拉作用下而損壞葉片自身結(jié)構(gòu)。常規(guī)條件下，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備葉片壽命約為20年，但并無法評估葉片實(shí)際工作中受損情況，即無法評定葉片的實(shí)際使用壽命。因此，應(yīng)開展葉片無損檢測工作，保證風(fēng)力發(fā)電設(shè)備時(shí)刻處于正常運(yùn)行狀態(tài)。目前，葉片無損檢測技術(shù)主要分為如下幾種：第一種是基于熱成像與超聲波的無損檢測技術(shù)，具有技術(shù)融合優(yōu)勢;第二種為分布式光纖傳感器，依托傳感器及智能材料創(chuàng)建健康葉片監(jiān)控系統(tǒng);第三種為主動(dòng)及被動(dòng)檢測，目的是實(shí)現(xiàn)電磁熱成像。8BEB94FD-1FB0-4516-85BD-601D2815082C

2?風(fēng)力發(fā)電設(shè)備無損檢測技術(shù)具體應(yīng)用——以風(fēng)力機(jī)葉片無損檢測為例

為深入了解風(fēng)力發(fā)電設(shè)備無損檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理及應(yīng)用場景，本文以紅外熱像無損檢測技術(shù)為例，分析風(fēng)力機(jī)葉片檢測流程。所謂紅外熱成像技術(shù)，就是利用被檢測物體表面受到熱激勵(lì)后，探求其表面熱輻射變化過程，判定物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。隨著紅外熱成像無損檢測技術(shù)的深入研究，主動(dòng)式紅外熱激勵(lì)無損檢測技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，該技術(shù)是近年最科學(xué)且最合理的無損檢測技術(shù)。

2.1?風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)解讀及主要缺陷分析

針對大型風(fēng)力機(jī)，葉片多采用玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，葉片分為前緣、主梁、后緣及主梁兩側(cè)的芯材結(jié)構(gòu)。風(fēng)力機(jī)葉片主梁部位多應(yīng)用單軸向纖維布鋪層，非主梁部分采用芯材填充，材質(zhì)為巴沙木或PVC泡沫，目的是減小葉片運(yùn)行質(zhì)量，風(fēng)力機(jī)葉片剖面圖見下圖。

風(fēng)電葉片剖面圖

2.2?風(fēng)力機(jī)葉片主要缺陷分析

風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)多為多層設(shè)計(jì)，厚度具有可變的特點(diǎn)，同時(shí)葉片表面為不規(guī)則曲面，制造過程中易產(chǎn)生不均勻性。常規(guī)條件下，風(fēng)力機(jī)葉片橫截面包含玻璃纖維環(huán)氧樹脂增強(qiáng)材料，由環(huán)氧膠相連，葉片真空注膠時(shí)，各結(jié)構(gòu)層內(nèi)部很容易出現(xiàn)不均勻性，即分層設(shè)計(jì)缺陷。

2.2.1?褶皺

風(fēng)力機(jī)葉片多應(yīng)用人工鋪設(shè)纖維布的形式制作，要求一次成型。由于人力操作的原因，葉片鋪層平整度較差，真空注膠期間易形成褶皺。常規(guī)來講，風(fēng)力機(jī)葉片褶皺分為凹與凸兩種，不論何種褶皺形式都會(huì)影響風(fēng)力機(jī)運(yùn)行。

2.2.2?裂紋

葉片作為風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的重要構(gòu)件，長期運(yùn)行易導(dǎo)致葉片內(nèi)部或淺表產(chǎn)生細(xì)小裂紋，此類裂紋很難在檢測中發(fā)現(xiàn)。當(dāng)葉片出現(xiàn)裂紋同時(shí)未及時(shí)處理時(shí)，裂縫將向四周擴(kuò)散，從毫米級逐步擴(kuò)散到分米級，最終造成大裂縫。因此，應(yīng)對裂紋缺陷重要點(diǎn)位進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測與分析。

2.2.3?分層設(shè)計(jì)缺陷

風(fēng)力機(jī)葉片分層設(shè)計(jì)缺陷具體指葉片生產(chǎn)時(shí)易發(fā)生樹脂用量不足或真空泄壓的情況，同時(shí)葉片運(yùn)輸中內(nèi)部褶皺將形成開裂現(xiàn)象，以此形成層面空隙，將各結(jié)構(gòu)層分離開來。分層問題將導(dǎo)致葉片黏結(jié)部位的粘接度，易導(dǎo)致葉片強(qiáng)度下降，嚴(yán)重者導(dǎo)致葉片鋪層和結(jié)構(gòu)層剝離。因此，葉片生產(chǎn)時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注分層缺陷形成原因，以此確保葉片使用壽命。

2.3?風(fēng)力機(jī)葉片紅外熱成像無損檢測

針對風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)缺陷，將其作為無損檢測重要參量。本研究對某地風(fēng)電機(jī)葉片進(jìn)行紅外熱成像無損檢測。該區(qū)電場共包含10支1.5MW風(fēng)力機(jī)葉片，本研究從葉尖到主梁與芯材進(jìn)行全方位掃描，重點(diǎn)關(guān)注主梁裂紋、褶皺、分層、發(fā)白等問題。

葉片主梁由玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料構(gòu)成，芯材主要為聚氯乙烯?，F(xiàn)場風(fēng)機(jī)大小1.5MW，風(fēng)力機(jī)葉片型號為HT34，總長為34米，弦長3米。檢測設(shè)備具有較大激勵(lì)效率且熱激勵(lì)均勻，同時(shí)自由度及激勵(lì)模式豐富，可滿足現(xiàn)場勘驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。為有效錄入數(shù)據(jù)，結(jié)合最新的熱圖像采集系統(tǒng)。檢測前，從葉根位置開始逐步巡檢到葉尖位置，找尋葉表缺陷部位，標(biāo)注處理。受外部環(huán)境影響及長期激勵(lì)導(dǎo)致加熱不均勻的影響，獲取的圖像信息十分模糊，幾乎無法辨別葉片是否存在故障，更無法找到缺陷。因此，結(jié)合紅外圖像非均勻校正及紅外圖像增強(qiáng)算法對獲取的圖像進(jìn)行處理，消除背景噪聲。

考慮到MATLAB軟件程序計(jì)算紅外圖像數(shù)據(jù)流程較為復(fù)雜，因此在紅外檢測軟件直接對紅外圖像非均勻性校正進(jìn)行預(yù)處理。由于軟件界面具有增強(qiáng)按鈕，可對紅外圖像隨時(shí)進(jìn)行增強(qiáng)算法處理。同時(shí)，軟件設(shè)置截屏按鈕，可獲取加熱及降溫時(shí)的紅外圖像。

2.4?風(fēng)力機(jī)葉片紅外缺陷圖像分析

由于風(fēng)力機(jī)葉片由多種材料構(gòu)成，屬于多相體系，并且材料和結(jié)構(gòu)為一體化成形。風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)成型時(shí)，受外界因素影響，葉片缺陷不可避免。與此同時(shí)，葉片結(jié)構(gòu)運(yùn)行時(shí)易發(fā)生多類損傷，缺陷與損傷對風(fēng)電葉片的安全性造成極大威脅，對葉片結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷與損傷進(jìn)行無損檢測，可提高葉片使用的安全性。

本次檢測結(jié)果顯示，風(fēng)力機(jī)葉片表面缺陷均可被有效識別。與此同時(shí)，結(jié)合紅外圖像可直觀判斷檢測結(jié)果，可觀察到微小的溫度變化，同時(shí)可對熱像進(jìn)行有效處理，獲得風(fēng)電機(jī)葉片內(nèi)部鋪層清晰紋路及缺陷圖像，圖像非均勻性低于10%，與現(xiàn)場打磨結(jié)果幾乎相同。根據(jù)目前掌握的風(fēng)電機(jī)葉片無損檢測技術(shù)，可收集葉片缺損數(shù)據(jù)，對老齡葉片進(jìn)行修復(fù)與可靠性定量評價(jià)，預(yù)估其使用壽命。為最大限度提升葉片使用安全性，需對其定期檢查，觀測葉片狀態(tài)，排除缺陷隱患并采用有效手段，將葉片失效問題扼殺在萌芽期，以此避免事故，保證風(fēng)電設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行?？偟膩碚f，評估葉片損傷狀態(tài)、合理運(yùn)用無損檢測技術(shù)可降低葉片過度維護(hù)及事后維護(hù)帶來的高昂運(yùn)維成本，應(yīng)用紅外熱成像處理技術(shù)可對大型風(fēng)電機(jī)葉片進(jìn)行無損檢測，有效評估葉片健康狀態(tài)。

結(jié)語

風(fēng)力發(fā)電設(shè)備無損檢測易受環(huán)境影響，同時(shí)傳感器靈敏度對信息數(shù)據(jù)量有一定影響，因此風(fēng)力發(fā)電設(shè)備無損檢測應(yīng)重點(diǎn)提升系統(tǒng)穩(wěn)定性及安全性，對多類方法進(jìn)行綜合分析，集成多類傳感器數(shù)據(jù)，保證整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)健康運(yùn)行。

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作者簡介：谷群遠(yuǎn)（1972—?），男，江蘇鹽城人，本科，高級工程師，研究方向：產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測。8BEB94FD-1FB0-4516-85BD-601D2815082C