論海上風電機組葉片和塔筒的在線監測

　　摘要：目前我國的海上風電場正處于大規模建設安裝時期，大部分業主對海上風機的運行維護還沒有提到議事日程，大家都把風機的質量保證寄托在風機生產商5年質保的承諾上。但是，海上風電的運行情況錯綜復雜，特別是福建和廣東沿海臺風頻繁，風機如何應對臺風的影響？導致風機故障的原因如何評價？本文將從運行和維護方向分析，提出了風機葉片和塔筒在線監測方案。

 

　　關鍵詞：風機葉片  風機塔筒   在線監測

 

 

　　海上風機依據臺風預報和風機的測風數據決定風機的停機保護條件，臺風到來時風機應處于停機保護狀態。臺風過后在什么狀態下可以開機？按照風機運行管理規程要求此時需對風機進行巡檢。但海上風機不僅巡檢難度大、巡檢成本高，而且較長的巡檢時間嚴重影響風機的發電量，為此業主付出的代價巨大。目前風力發電機組從發電機到齒輪箱以及變槳距機構等傳動鏈上的設備都安裝了遠程在線監測系統，可以實時了解部件的運行狀態。但風機葉片和塔筒是最容易受到臺風損傷的部件，如果沒有實時進行設備狀態的遠程在線監測，在不了解葉片和塔筒的損傷情況下就開機運行，可能會導致災難性的后果。所以，對海上風機葉片和塔筒結構狀態監測是必須的。

 

　　實際上，風機設備制造商對風機主要部件進行運行狀態的在線監測主要是為了對風機設備的優化，特別是對風機葉片載荷的在線監測更是實現風機葉片獨立變槳的必要手段。所以，風機設備廠家鮮少會關注風機塔筒的載荷監測。但是，對風電場業主來說，提高風機的運行小時數是提高風電場發電量的保證，及時了解風機主要部件的運行狀態可以減少風機的運行維護時間，不僅降低運維成本，關鍵是提高了風機的運行時間，從而提高了風電場的發電量。特別是對海上風電場業主，風機現場維護的成本太高（出海成本和海況條件都給維護人員上風機帶來了困難），風機的巡檢時間長，對風機葉片和塔筒運行狀態的遠程監測是剛需。

 

 

　　海上風機的單機容量大，葉片體積巨大，海風的空氣密度大，對葉片的損傷更嚴重。長期以來，人們一直在努力實現對風機葉片運行狀態的在線監測，因為，葉片早期發現故障的修復成本很低，若葉片故障嚴重會導致風機整機振動異常，而更換葉片的成本巨大。早期葉片監測的技術路線一直是采用電傳感器，由于葉片體積大，又是運動部件，布置電傳感器有兩個難題：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，產生很大的電磁干擾，導致傳感器的有效壽命很短。之前的技術方案是在葉片根部安裝加速度傳感器，通過測葉片的振動和噪音發現葉片的損傷。但在葉片根部安裝加速度傳感器很難早期發現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（風機葉片上是不允許有金屬導線的，否則會存在引雷隱患），這也是風機葉片的振動監測一直做不好的原因。

 

　　現在，光纖傳感器很好的解決了這個問題。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，光纖是非金屬產品，雷擊等電磁干擾對光纖傳輸沒有任何影響，不僅系統可靠性高，而且壽命長。光傳感器為實現風機葉片的運行狀態在線監測提供了最佳技術手段。

 

　　采用光纖傳感器可以實現對葉片載荷的監測，采用MEMS芯片光纖傳感器可以實現葉片振動監測、葉片應力監測和葉片氣動噪聲監測，通過這些傳感器對風機葉片運行的實時載荷狀態、結構形態、損傷情況以及故障風險等監測，為海上風機的智慧運維提供了保障。每次臺風過后可以實時判斷葉片是否存在損傷，是否具備風機開機運行的條件，為海上風機及時開機運行贏得時間。臺風過后是風資源較好的時期，這段時間若可以利用起來發電對提高風電場的發電量有非常積極的意義。

 

　　03　風機塔筒結構監測

 

　　海上風力發電機對塔筒的要求更高，臺風強度大，海風的腐蝕性強，導致塔筒損傷的因素多，而且海上風機塔筒一旦損壞造成的損失巨大。故對海上風機進行塔筒運行狀態的實時監測也是剛需。

 

　　目前，風機塔筒監測采用的技術路線主要是電傳感器監測為主，包括利用高精度位移計對法蘭盤的對接縫進行位移監測來判斷法蘭螺栓的松動、塔筒結構安全，或安裝激光測距儀測塔筒的傾角來判斷塔基安全。實際上，在風機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現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力沒有消除導致的，通過上述手段監測出現位移變化說明塔筒已經產生明顯裂痕了，這對風機來說是很危險的。

 

　　我們的設計方案是在塔筒內布置光纖傳感器監測塔筒的載荷和振動變化，對塔筒從底部到頂部的所有斷面的載荷和振動變化進行實時監測并在主控平臺上顯示，使每臺風機運行時的塔筒載荷及振動變化狀態都處于實時監控的狀態，及時發現塔筒可能存在的故障風險。每次臺風過后可以實時顯示塔筒的載荷和振動變化狀態，為海上風機的及時開機運行贏得了時間。

 

　　今后幾年，海上風電場將進入大規模運行保障期，對風力發電機整個傳動鏈的主要部件進行遠程在線監測是風電場智慧運維的基本條件，對風力發電機的葉片和塔筒進行可靠的遠程在線監測是智慧運維的必要保障，這不僅可以大幅度降低風電場的運行維護成本，而且對提高風力發電機的發電量、贏得更多的有效發電時間具有積極的意義。

 

　　附：

 

 

 

　　風力發電機組的遠程在線監測是風電場智慧運維的基礎，目前，風力發電機組從發電機到齒輪箱以及變槳距機構整個傳動鏈都安裝了運行狀態的遠程在線監測系統，但承載著風力發電機動力來源的葉片和支撐風力發電機全部載荷的塔筒卻沒有進行有效的監測，主要原因是葉片和塔筒的體積大，布置傳感器的范圍大，傳統的電傳感器面臨兩個難題，一是電傳感器的供電保障難度大，電源可靠性差；二是輸電導線無法規避雷擊及電磁波干擾，導致系統可靠性差，壽命短。

 

　　針對以上問題，上海拜安傳感技術有限公司（以下簡稱：拜安科技）采用光纖FBG與光纖MEMS傳感技術有效解決了葉片與塔筒的傳感器長期監測問題。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傳感技術開發的葉片和塔筒運行狀態監測系統能夠實時監測葉片和塔筒的健康狀態。

 

　　2、系統優勢

 

　　本項目中采用基于光纖FBG與光纖MEMS傳感技術開發的光纖載荷傳感器、光纖溫度傳感器及MEMS光纖加速度傳感器具有以下特點：

 

　　光纖傳感器技術作為無源傳感器，無需配置額外的電源供電，組網簡單，因而更容易植入結構，配合客戶需求；

 

　　基于光纖光柵及光纖MEMS技術開發的光纖傳感器，靈敏度高，可靠性好；

 

　　抗電磁干擾能力極強，且抗雷擊，電絕緣，耐腐蝕，因而使用壽命更長，能更好地配合監測需求作業。

 

　　3、系統監測方案

 

　　風電機組葉片承受無規律、變速變載荷的風力作用，通過拜安科技的風機葉片光纖載荷在線監測系統可對葉片運行狀態的載荷實時監測，防止葉片過載，同時載荷數據可支撐獨立變槳算法，提升風機發電效率。

 

　　本系統通過在葉片內部安裝光纖載荷傳感器和光纖溫度傳感器，監測風電機組葉片擺陣和揮舞方向的載荷，在輪轂內安裝有光纖傳感器數據采集分析儀，對數據進行實時處理、分析。系統示意如下圖1所示。

 

　　光纖載荷傳感器內部采用鍍金光柵焊接工藝制作，保證傳感器零點無漂移和長期鹽霧腐蝕環境的可靠性。

 

 

圖1系統示意圖

 

　　3.2 風機葉片光纖MEMS振動在線監測系統

 

　　風機葉片長期承受日曬/冷凝、無規律風載、鹽霧等的影響，海上風機每年更是要經受幾次臺風影響，每次臺風過后葉片結構是否有損傷，是否具備風機開機運行的條件，目前只能通過定期巡檢方法、人員經驗判斷。通過拜安科技的風機葉片光纖振動在線監測系統可實時獲取分析葉片動載效應，及早發現葉片損傷情況，為檢修爭取寶貴時間，減少損失。

 

　　本系統通過在葉片內安裝雙軸MEMS光纖加速度傳感器，監測風電機組葉片擺陣和揮舞方向的振動和變形，在輪轂內安裝有光纖傳感器數據采集分析儀，對數據進行實時處理、分析，見圖1。

 

　　本系統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 風機塔筒光纖傳感在線監測系統

 

　　風電機組塔筒受自重、風壓、葉片作用力等多種復雜載荷作用，會出現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生傾斜。通過拜安科技的風機塔筒光纖傳感在線監測系統可對塔筒載荷、振動、傾斜等物理量進行監測，能夠及時發現塔筒傾斜、過載、早期表面損傷等故障并發出警報，從而避免塔筒深度損傷、失效等一系列風險。

 

　　本系統通過在塔筒上分別布置傾角傳感器、光纖MEMS加速度傳感器、焊接式光纖應變傳感器和光纖溫度傳感器，實現對風機塔筒傾斜、振動、載荷、變形的實施時間來判斷塔筒安全狀態。

 

 

　　塔筒測點的布置一般包括三個部分：

 

 

 

 

　　本系統所用的焊接式光纖應變傳感器采用我司自主專利的菱形基底結構、鍍金光柵焊接工藝制作、無膠封裝，保證傳感器長期零點穩定，同時傳感器安裝采用儲能式焊接，安裝簡單、可靠性高，保證傳感器在惡劣環境尤其海上環境下的數據穩定性和準確性。