論海上風(fēng)電機(jī)組葉片和塔筒的在線監(jiān)測

摘要：目前我國的海上風(fēng)電場正處于大規(guī)模建設(shè)安裝時(shí)期，大部分業(yè)主對海上風(fēng)機(jī)的運(yùn)行維護(hù)還沒有提到議事日程，大家都把風(fēng)機(jī)的質(zhì)量保證寄托在風(fēng)機(jī)生產(chǎn)商5年質(zhì)保的承諾上。但是，海上風(fēng)電的運(yùn)行情況錯(cuò)綜復(fù)雜，特別是福建和廣東沿海臺風(fēng)頻繁，風(fēng)機(jī)如何應(yīng)對臺風(fēng)的影響？導(dǎo)致風(fēng)機(jī)故障的原因如何評價(jià)？本文將從運(yùn)行和維護(hù)方向分析，提出了風(fēng)機(jī)葉片和塔筒在線監(jiān)測方案。關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)葉片

風(fēng)機(jī)塔筒

在線監(jiān)測01海上風(fēng)風(fēng)電機(jī)組如何應(yīng)對臺風(fēng)海上風(fēng)機(jī)依據(jù)臺風(fēng)預(yù)報(bào)和風(fēng)機(jī)的測風(fēng)數(shù)據(jù)決定風(fēng)機(jī)的停機(jī)保護(hù)條件，臺風(fēng)到來時(shí)風(fēng)機(jī)應(yīng)處于停機(jī)保護(hù)狀態(tài)。臺風(fēng)過后在什么狀態(tài)下可以開機(jī)？按照風(fēng)機(jī)運(yùn)行管理規(guī)程要求此時(shí)需對風(fēng)機(jī)進(jìn)行巡檢。但海上風(fēng)機(jī)不僅巡檢難度大、巡檢成本高，而且較長的巡檢時(shí)間嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)的發(fā)電量，為此業(yè)主付出的代價(jià)巨大。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從發(fā)電機(jī)到齒輪箱以及變槳距機(jī)構(gòu)等傳動(dòng)鏈上的設(shè)備都安裝了遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)了解部件的運(yùn)行狀態(tài)。但風(fēng)機(jī)葉片和塔筒是最容易受到臺風(fēng)損傷的部件，如果沒有實(shí)時(shí)進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測，在不了解葉片和塔筒的損傷情況下就開機(jī)運(yùn)行，可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。所以，對海上風(fēng)機(jī)葉片和塔筒結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測是必須的。實(shí)際上，風(fēng)機(jī)設(shè)備制造商對風(fēng)機(jī)主要部件進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測主要是為了對風(fēng)機(jī)設(shè)備的優(yōu)化，特別是對風(fēng)機(jī)葉片載荷的在線監(jiān)測更是實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉片獨(dú)立變槳的必要手段。所以，風(fēng)機(jī)設(shè)備廠家鮮少會(huì)關(guān)注風(fēng)機(jī)塔筒的載荷監(jiān)測。但是，對風(fēng)電場業(yè)主來說，提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行小時(shí)數(shù)是提高風(fēng)電場發(fā)電量的保證，及時(shí)了解風(fēng)機(jī)主要部件的運(yùn)行狀態(tài)可以減少風(fēng)機(jī)的運(yùn)行維護(hù)時(shí)間，不僅降低運(yùn)維成本，關(guān)鍵是提高了風(fēng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，從而提高了風(fēng)電場的發(fā)電量。特別是對海上風(fēng)電場業(yè)主，風(fēng)機(jī)現(xiàn)場維護(hù)的成本太高（出海成本和海況條件都給維護(hù)人員上風(fēng)機(jī)帶來了困難），風(fēng)機(jī)的巡檢時(shí)間長，對風(fēng)機(jī)葉片和塔筒運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測是剛需。02對風(fēng)機(jī)葉片損傷情況的監(jiān)測海上風(fēng)機(jī)的單機(jī)容量大，葉片體積巨大，海風(fēng)的空氣密度大，對葉片的損傷更嚴(yán)重。長期以來，人們一直在努力實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測，因?yàn)?，葉片早期發(fā)現(xiàn)故障的修復(fù)成本很低，若葉片故障嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)異常，而更換葉片的成本巨大。早期葉片監(jiān)測的技術(shù)路線一直是采用電傳感器，由于葉片體積大，又是運(yùn)動(dòng)部件，布置電傳感器有兩個(gè)難題：一是傳感器的供電難度大，電源的可靠性很難保證；二是葉片上的輸電線容易引雷，產(chǎn)生很大的電磁干擾，導(dǎo)致傳感器的有效壽命很短。之前的技術(shù)方案是在葉片根部安裝加速度傳感器，通過測葉片的振動(dòng)和噪音發(fā)現(xiàn)葉片的損傷。但在葉片根部安裝加速度傳感器很難早期發(fā)現(xiàn)葉片主要部位的損傷，必須在葉片中部乃至葉尖安裝加速度傳感器才可以確定葉片損傷的位置和大小。而電傳感器無法在葉片中部布置（風(fēng)機(jī)葉片上是不允許有金屬導(dǎo)線的，否則會(huì)存在引雷隱患），這也是風(fēng)機(jī)葉片的振動(dòng)監(jiān)測一直做不好的原因?，F(xiàn)在，光纖傳感器很好的解決了這個(gè)問題。光纖傳感器屬于無源傳感器，它不需要外接電源，可以很方便在葉片上布置；而且，光纖是非金屬產(chǎn)品，雷擊等電磁干擾對光纖傳輸沒有任何影響，不僅系統(tǒng)可靠性高，而且壽命長。光傳感器為實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉片的運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測提供了最佳技術(shù)手段。采用光纖傳感器可以實(shí)現(xiàn)對葉片載荷的監(jiān)測，采用MEMS芯片光纖傳感器可以實(shí)現(xiàn)葉片振動(dòng)監(jiān)測、葉片應(yīng)力監(jiān)測和葉片氣動(dòng)噪聲監(jiān)測，通過這些傳感器對風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)行的實(shí)時(shí)載荷狀態(tài)、結(jié)構(gòu)形態(tài)、損傷情況以及故障風(fēng)險(xiǎn)等監(jiān)測，為海上風(fēng)機(jī)的智慧運(yùn)維提供了保障。每次臺風(fēng)過后可以實(shí)時(shí)判斷葉片是否存在損傷，是否具備風(fēng)機(jī)開機(jī)運(yùn)行的條件，為海上風(fēng)機(jī)及時(shí)開機(jī)運(yùn)行贏得時(shí)間。臺風(fēng)過后是風(fēng)資源較好的時(shí)期，這段時(shí)間若可以利用起來發(fā)電對提高風(fēng)電場的發(fā)電量有非常積極的意義。03風(fēng)機(jī)塔筒結(jié)構(gòu)監(jiān)測海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)對塔筒的要求更高，臺風(fēng)強(qiáng)度大，海風(fēng)的腐蝕性強(qiáng)，導(dǎo)致塔筒損傷的因素多，而且海上風(fēng)機(jī)塔筒一旦損壞造成的損失巨大。故對海上風(fēng)機(jī)進(jìn)行塔筒運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測也是剛需。目前，風(fēng)機(jī)塔筒監(jiān)測采用的技術(shù)路線主要是電傳感器監(jiān)測為主，包括利用高精度位移計(jì)對法蘭盤的對接縫進(jìn)行位移監(jiān)測來判斷法蘭螺栓的松動(dòng)、塔筒結(jié)構(gòu)安全，或安裝激光測距儀測塔筒的傾角來判斷塔基安全。實(shí)際上，在風(fēng)機(jī)塔筒里采用電傳感器同樣面臨傳感器供電可靠性問題和電磁干擾問題，且通過測位移量來發(fā)現(xiàn)塔筒的損傷是間接的，很多塔筒的損傷是由于連接法蘭處殘余應(yīng)力沒有消除導(dǎo)致的，通過上述手段監(jiān)測出現(xiàn)位移變化說明塔筒已經(jīng)產(chǎn)生明顯裂痕了，這對風(fēng)機(jī)來說是很危險(xiǎn)的。我們的設(shè)計(jì)方案是在塔筒內(nèi)布置光纖傳感器監(jiān)測塔筒的載荷和振動(dòng)變化，對塔筒從底部到頂部的所有斷面的載荷和振動(dòng)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并在主控平臺上顯示，使每臺風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的塔筒載荷及振動(dòng)變化狀態(tài)都處于實(shí)時(shí)監(jiān)控的狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)塔筒可能存在的故障風(fēng)險(xiǎn)。每次臺風(fēng)過后可以實(shí)時(shí)顯示塔筒的載荷和振動(dòng)變化狀態(tài)，為海上風(fēng)機(jī)的及時(shí)開機(jī)運(yùn)行贏得了時(shí)間。今后幾年，海上風(fēng)電場將進(jìn)入大規(guī)模運(yùn)行保障期，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)整個(gè)傳動(dòng)鏈的主要部件進(jìn)行遠(yuǎn)程在線監(jiān)測是風(fēng)電場智慧運(yùn)維的基本條件，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片和塔筒進(jìn)行可靠的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測是智慧運(yùn)維的必要保障，這不僅可以大幅度降低風(fēng)電場的運(yùn)行維護(hù)成本，而且對提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電量、贏得更多的有效發(fā)電時(shí)間具有積極的意義。附：基于光纖FBG和光纖MEMS傳感技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片和塔筒的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)1、系統(tǒng)概述風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測是風(fēng)電場智慧運(yùn)維的基礎(chǔ)，目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從發(fā)電機(jī)到齒輪箱以及變槳距機(jī)構(gòu)整個(gè)傳動(dòng)鏈都安裝了運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)，但承載著風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)力來源的葉片和支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)全部載荷的塔筒卻沒有進(jìn)行有效的監(jiān)測，主要原因是葉片和塔筒的體積大，布置傳感器的范圍大，傳統(tǒng)的電傳感器面臨兩個(gè)難題，一是電傳感器的供電保障難度大，電源可靠性差；二是輸電導(dǎo)線無法規(guī)避雷擊及電磁波干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性差，壽命短。針對以上問題，上海拜安傳感技術(shù)有限公司（以下簡稱：拜安科技）采用光纖FBG與光纖MEMS傳感技術(shù)有效解決了葉片與塔筒的傳感器長期監(jiān)測問題。光纖傳感器是無源傳感器，不需要供電，且傳感器的信號采用光纖傳輸，不受雷擊及電磁波干擾的影響，系統(tǒng)可靠性高，壽命長（可以保持和葉片及塔筒同壽命周期）。采用光纖FBG與光纖MEMS傳感技術(shù)開發(fā)的葉片和塔筒運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測葉片和塔筒的健康狀態(tài)。2、系統(tǒng)優(yōu)勢本項(xiàng)目中采用基于光纖FBG與光纖MEMS傳感技術(shù)開發(fā)的光纖載荷傳感器、光纖溫度傳感器及MEMS光纖加速度傳感器具有以下特點(diǎn)：光纖傳感器技術(shù)作為無源傳感器，無需配置額外的電源供電，組網(wǎng)簡單，因而更容易植入結(jié)構(gòu)，配合客戶需求；基于光纖光柵及光纖MEMS技術(shù)開發(fā)的光纖傳感器，靈敏度高，可靠性好；抗電磁干擾能力極強(qiáng)，且抗雷擊，電絕緣，耐腐蝕，因而使用壽命更長，能更好地配合監(jiān)測需求作業(yè)。3、系統(tǒng)監(jiān)測方案3.1風(fēng)機(jī)葉片光纖FBG載荷在線監(jiān)測系統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組葉片承受無規(guī)律、變速變載荷的風(fēng)力作用，通過拜安科技的風(fēng)機(jī)葉片光纖載荷在線監(jiān)測系統(tǒng)可對葉片運(yùn)行狀態(tài)的載荷實(shí)時(shí)監(jiān)測，防止葉片過載，同時(shí)載荷數(shù)據(jù)可支撐獨(dú)立變槳算法，提升風(fēng)機(jī)發(fā)電效率。本系統(tǒng)通過在葉片內(nèi)部安裝光纖載荷傳感器和光纖溫度傳感器，監(jiān)測風(fēng)電機(jī)組葉片擺陣和揮舞方向的載荷，在輪轂內(nèi)安裝有光纖傳感器數(shù)據(jù)采集分析儀，對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、分析。系統(tǒng)示意如下圖1所示。光纖載荷傳感器內(nèi)部采用鍍金光柵焊接工藝制作，保證傳感器零點(diǎn)無漂移和長期鹽霧腐蝕環(huán)境的可靠性。圖1系統(tǒng)示意圖3.2風(fēng)機(jī)葉片光纖MEMS振動(dòng)在線監(jiān)測系統(tǒng)風(fēng)機(jī)葉片長期承受日曬/冷凝、無規(guī)律風(fēng)載、鹽霧等的影響，海上風(fēng)機(jī)每年更是要經(jīng)受幾次臺風(fēng)影響，每次臺風(fēng)過后葉片結(jié)構(gòu)是否有損傷，是否具備風(fēng)機(jī)開機(jī)運(yùn)行的條件，目前只能通過定期巡檢方法、人員經(jīng)驗(yàn)判斷。通過拜安科技的風(fēng)機(jī)葉片光纖振動(dòng)在線監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)時(shí)獲取分析葉片動(dòng)載效應(yīng)，及早發(fā)現(xiàn)葉片損傷情況，為檢修爭取寶貴時(shí)間，減少損失。本系統(tǒng)通過在葉片內(nèi)安裝雙軸MEMS光纖加速度傳感器，監(jiān)測風(fēng)電機(jī)組葉片擺陣和揮舞方向的振動(dòng)和變形，在輪轂內(nèi)安裝有光纖傳感器數(shù)據(jù)采集分析儀，對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、分析，見圖1。本系統(tǒng)所用的加速度傳感器采用光纖MEMS原理制作，頻響范圍0.1Hz~400Hz，2%（0.5dB），抗沖擊1000g，是光纖光柵加速度傳感器無法比擬的。3.3風(fēng)機(jī)塔筒光纖傳感在線監(jiān)測系統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組塔筒受自重、風(fēng)壓、葉片作用力等多種復(fù)雜載荷作用，會(huì)出現(xiàn)一定程度的搖擺與扭曲，此外還受地基沉降等因素的影響而發(fā)生傾斜。通過拜安科技的風(fēng)機(jī)塔筒光纖傳感在線監(jiān)測系統(tǒng)可對塔筒載荷、振動(dòng)、傾斜等物理量進(jìn)行監(jiān)測，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)塔筒傾斜、過載、早期表面損傷等故障并發(fā)出警報(bào)，從而避免塔筒深度損傷、失效等一系列風(fēng)險(xiǎn)。本系統(tǒng)通過在塔筒上分別布置傾角傳感器、光纖MEMS加速度傳感器、焊接式光纖應(yīng)變傳感器和光纖溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)塔筒傾斜、振動(dòng)、載荷、變形的實(shí)施時(shí)間來判斷塔筒安全狀態(tài)。塔筒測點(diǎn)的布置一般包括三個(gè)部分：塔筒的頂端和底端安裝傾角傳感器，用于監(jiān)測塔筒的傾斜狀態(tài)，以及沉降情況；塔筒的頂端和中部位置安裝光纖MEMS加速度傳感器，監(jiān)測塔筒的振動(dòng)狀態(tài)；塔筒法蘭盤附近安裝焊接式光纖