風(fēng)力發(fā)電葉片運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)

代廣疆

【摘? 要】現(xiàn)如今，我國是科技發(fā)展的新時(shí)期，電設(shè)備正在朝著大型化的方向發(fā)展，其中風(fēng)力發(fā)電葉片尺寸也變得越來越大。葉片在工作過程中，需要適應(yīng)周圍變化的環(huán)境以及其承擔(dān)的負(fù)載，葉片在工作過程中可能會(huì)發(fā)生故障問題，比如分層、磨損等，這些問題的出現(xiàn)就會(huì)讓葉片在性能以及結(jié)構(gòu)方面出現(xiàn)一定的破壞。為此，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對葉片狀態(tài)監(jiān)測，做好故障診斷，保證葉片的正常運(yùn)行，減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行成本。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電;葉片狀態(tài);故障診斷

引言

近幾年，我國風(fēng)電裝機(jī)容量呈跳躍式增長，單機(jī)容量的不斷提高，槳葉尺寸也相應(yīng)增大.但與此同時(shí)，葉片的安全運(yùn)行也受到了人們的關(guān)注，尤其是在寒冷季節(jié)葉片結(jié)冰后風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行成為較為嚴(yán)重的問題.據(jù)資料介紹，葉片結(jié)霜、結(jié)冰事件，在全球不同地域的風(fēng)電場均有發(fā)生.我國新疆北疆地區(qū)的風(fēng)電場在11月至3月均不同時(shí)間存在葉片結(jié)霜現(xiàn)象.雖然發(fā)生此情況的時(shí)間占全年時(shí)間的比例很低，但葉片結(jié)霜對風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行造成了極大的負(fù)面影響.其中，葉片折斷便是最常見的一種由結(jié)冰嚴(yán)重而導(dǎo)致的惡劣后果.如北疆阿勒泰某地區(qū)風(fēng)電場，冬季地形氣候變化劇烈，2011年投運(yùn)33臺(tái)77/1500風(fēng)機(jī)，配套使用99支聚酯葉片.自2014年至今共發(fā)生6臺(tái)次該風(fēng)機(jī)7支LM葉片折斷、彎折事故。

1風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)技術(shù)

風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵控制技術(shù)之一。在超過額定風(fēng)速后，由于部件的機(jī)械強(qiáng)度、發(fā)電機(jī)的容量和電力電子設(shè)備的容量等性能的限制，必須減少風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能捕獲，使其功率保持在額定值附近，使整個(gè)風(fēng)力機(jī)不受到損害。目前運(yùn)行中的風(fēng)力機(jī)對功率的調(diào)節(jié)方式主要有定槳距失速調(diào)節(jié)、變槳距調(diào)節(jié)和主動(dòng)失速調(diào)節(jié)三種方式。1）定槳距失速控制通過固定螺距風(fēng)機(jī)葉片與輪轂固定連接，結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，但葉片頂角不能根據(jù)風(fēng)速變化進(jìn)行調(diào)整。這種風(fēng)力渦輪機(jī)完全依賴于葉片的空氣動(dòng)力學(xué)，使得風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出功率隨風(fēng)速而變化。難以確保在標(biāo)稱風(fēng)速下的風(fēng)能利用率高，特別是在低標(biāo)稱風(fēng)速下。2）變槳距調(diào)節(jié)為了盡可能提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，并保證風(fēng)力機(jī)輸出功率平穩(wěn)，需增加槳距角控制系統(tǒng)，這樣就構(gòu)成變槳距風(fēng)力機(jī)。變槳距風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)依靠葉片固有的氣動(dòng)特性，通過對葉片槳距角的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。3）主動(dòng)失速調(diào)節(jié)主動(dòng)失速調(diào)節(jié)是采用葉片主動(dòng)失速以保證功率調(diào)節(jié)的簡單可靠的。風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速分幾級控制，控制精度低于變槳距控制;當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速后，變槳系統(tǒng)通過增加葉片攻角，使葉片“失速”，限制風(fēng)輪吸收功率增加。這一點(diǎn)與定槳風(fēng)機(jī)的失速調(diào)節(jié)類似，稱為“主動(dòng)失速”。

2造成葉片機(jī)械損傷的原因

2.1因操作疏忽

運(yùn)輸、吊裝的時(shí)候發(fā)生故障。在進(jìn)行運(yùn)輸時(shí)，葉片尖端可能會(huì)受到風(fēng)沙和植物的影響從而出現(xiàn)破壞，在進(jìn)行吊裝時(shí)，葉片一些薄弱的位置可能會(huì)受到吊繩夾具的影響出現(xiàn)故障。

2.2吸收風(fēng)能能力降低、開槳角度增大

葉片的外形和重量發(fā)生了變化后，葉片的氣動(dòng)性能隨之改變，在相同的風(fēng)速下，葉片在最大迎風(fēng)角度不能吸收同等出力對應(yīng)的風(fēng)能，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)輸出功率下降，而變槳系統(tǒng)只是根據(jù)風(fēng)機(jī)的輸出功率信號進(jìn)行控制的，功率的降低會(huì)使開槳角度增大.可能出現(xiàn)風(fēng)速大于額定風(fēng)速后風(fēng)機(jī)葉片仍在開槳角度最大的0度.但開槳角度的增大，會(huì)加重葉片的結(jié)霜.這樣就造成了一個(gè)惡性循環(huán).

2.3運(yùn)行過程中維護(hù)不當(dāng)

出現(xiàn)風(fēng)載荷改變、機(jī)組在工作時(shí)超出額定功率等情況時(shí)會(huì)有激振力的出現(xiàn)，假如其頻率和固有頻率接近的時(shí)候，葉片就會(huì)出現(xiàn)變形，進(jìn)而出現(xiàn)裂紋等方面的問題。這些由于人為或自然因素影響而出現(xiàn)的故障，在后期因?yàn)闀r(shí)間的推移可能變?yōu)楸容^嚴(yán)重的故障。

3葉片狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷方法

3.1直接觀察法

直接觀察法就是使用高倍望遠(yuǎn)鏡、無人機(jī)、蜘蛛人等進(jìn)行觀察。相關(guān)工作人員通過高倍鏡對葉片的外表面實(shí)時(shí)的監(jiān)測，會(huì)在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)葉片的故障問題，比如是否開裂、鼓包、油漆破損等問題。無人機(jī)巡檢就是通過無人機(jī)上的視頻傳感器對其實(shí)時(shí)監(jiān)控;蜘蛛人巡檢又叫做高空繞行下降目測檢查，都是人工作業(yè)。這兩者的不同之處是：無人機(jī)巡檢就是專業(yè)人員控制無人機(jī)，進(jìn)行一次充電能夠?qū)σ慌_(tái)風(fēng)機(jī)的葉片進(jìn)行檢測。采取無人機(jī)巡檢其成本低、效率高，不過會(huì)出現(xiàn)無人機(jī)故障等方面的問題;采取蜘蛛人巡檢能夠讓專業(yè)人員對葉片內(nèi)部進(jìn)行檢測，其準(zhǔn)確性更高，得到的數(shù)據(jù)信息更豐富，不過其效率較低。

3.2振動(dòng)監(jiān)測法

葉片在進(jìn)行工作的過程中會(huì)由于大氣邊界層的剪切風(fēng)、變槳、偏航、葉片自身的屬性等方面影響而出現(xiàn)故障，出現(xiàn)激振源，因?yàn)檫@些方面的影響就會(huì)讓其出現(xiàn)故障。在風(fēng)輪葉片和發(fā)電機(jī)出現(xiàn)共振之后，就會(huì)讓葉片和機(jī)組出現(xiàn)故障，這樣不但會(huì)讓發(fā)電量出現(xiàn)問題，還可能發(fā)生安全問題，因此針對這些方面就要進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)控，出現(xiàn)問題時(shí)在第一時(shí)間進(jìn)行解決。在這套裝置中進(jìn)行無線傳感器的安裝時(shí)，要通過參考葉片的型號對實(shí)際情況進(jìn)行合理的調(diào)整，在安裝時(shí)比較方便，得到的數(shù)據(jù)信息比較豐富，可以通過分析得到的信息對葉片的運(yùn)行情況進(jìn)行合理的分析并對其故障進(jìn)行有效的解決。

3.3噪音監(jiān)測法

由于會(huì)受到工作環(huán)境的影響，一些葉片在其工作幾年之后就會(huì)發(fā)生侵蝕的情況，假如這種情況沒有在第一時(shí)間進(jìn)行有效的解決，之后碰到雷擊或者結(jié)冰就會(huì)出現(xiàn)開裂等問題，讓葉片的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)故障，容易發(fā)生安全問題。葉片的結(jié)構(gòu)是薄后緣，對其進(jìn)行運(yùn)輸和安裝時(shí)，比較容易出現(xiàn)分層和開裂這些方面的問題。這些方面的問題范圍較小，如果沒有在第一時(shí)間進(jìn)行解決，就會(huì)出現(xiàn)葉片更為嚴(yán)重的損傷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)讓大梁出現(xiàn)故障。在對風(fēng)機(jī)進(jìn)行安裝調(diào)試的時(shí)候，葉片如果裝角有問題，就會(huì)讓其出現(xiàn)風(fēng)輪不平衡、軸承過載等方面的問題，還有可能會(huì)發(fā)生倒塔。如果葉片工作在高冷的環(huán)境，如果出現(xiàn)結(jié)冰就會(huì)讓其發(fā)生變形，在前緣出現(xiàn)湍流邊界層，讓葉片的升力出現(xiàn)變化，對風(fēng)機(jī)的功率產(chǎn)生影響。噪音檢測法是通過智能葉片傳感器，來對葉片進(jìn)行實(shí)時(shí)的非接觸監(jiān)控，專業(yè)的定向耳蝸可以監(jiān)控葉片由于發(fā)生問題而出現(xiàn)的音頻信號，使用嵌入式軟件對其進(jìn)行分析，通過專業(yè)人員的分析研究，進(jìn)行報(bào)警等工作，對葉片可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。這種職能葉片傳感器會(huì)讓工作人員在工作過程中出現(xiàn)的問題減少，更加適應(yīng)一些工作環(huán)境比較復(fù)雜的區(qū)域。噪音檢測法在進(jìn)行故障的監(jiān)控以及分析研究的過程中起到很大的作用，不過其靈敏度不是很高，在進(jìn)行一些微觀判斷的時(shí)候準(zhǔn)確度較低。

結(jié)語

風(fēng)機(jī)葉片事故是風(fēng)電機(jī)組惡性事故之一.除了在設(shè)備選型、安裝上采取措施外，完善變槳控制系統(tǒng)、減少控制盲區(qū)，也是解決問題的渠道之一.通過及時(shí)地順槳操作，減小葉片的受力，適當(dāng)犧牲發(fā)電量而換取設(shè)備的安全是值得的.根據(jù)結(jié)冰所具備的氣候條件，結(jié)合葉片結(jié)冰后改變現(xiàn)有設(shè)備狀態(tài)的信息，應(yīng)用自動(dòng)控制設(shè)備，分析計(jì)算葉片結(jié)冰狀態(tài)，通過簡單、安全、靈活實(shí)用的控制策略，達(dá)到良好的控制效果，保證發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行，是目前研究風(fēng)電系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行的發(fā)展趨勢。

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（作者單位：新疆吉木乃中廣核風(fēng)力發(fā)電有限公司）