摘要：目前我國(guó)的海上風(fēng)電場(chǎng)正處于大規(guī)模建設(shè)安裝時(shí)期，大部分業(yè)主對(duì)海上風(fēng)機(jī)的運(yùn)行維護(hù)還沒(méi)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(tái)風(fēng)頻繁，風(fēng)機(jī)如何應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)的影響？導(dǎo)致風(fēng)機(jī)故障的原因如何評(píng)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(cè)方案。

 

　　關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)葉片  風(fēng)機(jī)塔筒   在線監(jiān)測(cè)

 

 

　　海上風(fēng)機(jī)依據(jù)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)和風(fēng)機(jī)的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)決定風(fēng)機(jī)的停機(jī)保護(hù)條件，臺(tái)風(fēng)到來(lái)時(shí)風(fēng)機(jī)應(yīng)處于停機(jī)保護(hù)狀態(tài)。臺(tái)風(fēng)過(guò)后在什么狀態(tài)下可以開(kāi)機(jī)？按照風(fēng)機(jī)運(yùn)行管理規(guī)程要求此時(shí)需對(duì)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(zhǎng)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(cè)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(tái)風(fēng)損傷的部件，如果沒(méi)有實(shí)時(shí)進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)，在不了解葉片和塔筒的損傷情況下就開(kāi)機(jī)運(yùn)行，可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。所以，對(duì)海上風(fēng)機(jī)葉片和塔筒結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)是必須的。

 

　　實(shí)際上，風(fēng)機(jī)設(shè)備制造商對(duì)風(fēng)機(jī)主要部件進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)主要是為了對(duì)風(fēng)機(jī)設(shè)備的優(yōu)化，特別是對(duì)風(fēng)機(jī)葉片載荷的在線監(jiān)測(cè)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(cè)。但是，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主來(lái)說(shuō)，提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行小時(shí)數(shù)是提高風(fēng)電場(chǎng)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(chǎng)的發(fā)電量。特別是對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主，風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)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(lái)了困難），風(fēng)機(jī)的巡檢時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)風(fēng)機(jī)葉片和塔筒運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)是剛需。

 

 

　　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(duì)葉片的損傷更嚴(yán)重。長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直在努力實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)，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(cè)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(guò)測(cè)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(wú)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(cè)一直做不好的原因。

 

　　現(xiàn)在，光纖傳感器很好的解決了這個(gè)問(wèn)題。光纖傳感器屬于無(wú)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(duì)光纖傳輸沒(méi)有任何影響，不僅系統(tǒng)可靠性高，而且壽命長(zhǎng)。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(cè)提供了最佳技術(shù)手段。

 

　　采用光纖傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片載荷的監(jiān)測(cè)，采用MEMS芯片光纖傳感器可以實(shí)現(xiàn)葉片振動(dòng)監(jiān)測(cè)、葉片應(yīng)力監(jiān)測(cè)和葉片氣動(dòng)噪聲監(jiān)測(cè)，通過(guò)這些傳感器對(duì)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(cè)，為海上風(fēng)機(jī)的智慧運(yùn)維提供了保障。每次臺(tái)風(fēng)過(guò)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(kāi)機(jī)運(yùn)行的條件，為海上風(fēng)機(jī)及時(shí)開(kāi)機(jī)運(yùn)行贏得時(shí)間。臺(tái)風(fēng)過(guò)后是風(fēng)資源較好的時(shí)期，這段時(shí)間若可以利用起來(lái)發(fā)電對(duì)提高風(fēng)電場(chǎng)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(cè)

 

　　海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)塔筒的要求更高，臺(tái)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(duì)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(cè)也是剛需。

 

　　目前，風(fēng)機(jī)塔筒監(jiān)測(cè)采用的技術(shù)路線主要是電傳感器監(jiān)測(cè)為主，包括利用高精度位移計(jì)對(duì)法蘭盤的對(duì)接縫進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)來(lái)判斷法蘭螺栓的松動(dòng)、塔筒結(jié)構(gòu)安全，或安裝激光測(cè)距儀測(cè)塔筒的傾角來(lái)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(wèn)題和電磁干擾問(wèn)題，且通過(guò)測(cè)位移量來(lái)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(méi)有消除導(dǎo)致的，通過(guò)上述手段監(jiān)測(cè)出現(xiàn)位移變化說(shuō)明塔筒已經(jīng)產(chǎn)生明顯裂痕了，這對(duì)風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)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(cè)塔筒的載荷和振動(dòng)變化，對(duì)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(cè)并在主控平臺(tái)上顯示，使每臺(tái)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(tái)風(fēng)過(guò)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(kāi)機(jī)運(yùn)行贏得了時(shí)間。

 

　　今后幾年，海上風(fēng)電場(chǎng)將進(jìn)入大規(guī)模運(yùn)行保障期，對(duì)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(cè)是風(fēng)電場(chǎng)智慧運(yùn)維的基本條件，對(duì)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(cè)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(chǎng)的運(yùn)行維護(hù)成本，而且對(duì)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：

 

 

 

　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)是風(fēng)電場(chǎng)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(cè)系統(tǒng)，但承載著風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)力來(lái)源的葉片和支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)全部載荷的塔筒卻沒(méi)有進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，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(wú)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(duì)以上問(wèn)題，上海拜安傳感技術(shù)有限公司（以下簡(jiǎn)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(zhǎng)期監(jiān)測(cè)問(wèn)題。光纖傳感器是無(wú)源傳感器，不需要供電，且傳感器的信號(hào)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(zhǎng)（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(kāi)發(fā)的葉片和塔筒運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)葉片和塔筒的健康狀態(tài)。

 

　　2、系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

 

　　本項(xiàng)目中采用基于光纖FBG與光纖MEMS傳感技術(shù)開(kāi)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(wú)源傳感器，無(wú)需配置額外的電源供電，組網(wǎng)簡(jiǎn)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(kāi)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(zhǎng)，能更好地配合監(jiān)測(cè)需求作業(yè)。

 

　　3、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方案

 

　　風(fēng)電機(jī)組葉片承受無(wú)規(guī)律、變速變載荷的風(fēng)力作用，通過(guò)拜安科技的風(fēng)機(jī)葉片光纖載荷在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)葉片運(yùn)行狀態(tài)的載荷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防止葉片過(guò)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(guò)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(cè)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(duì)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(wú)漂移和長(zhǎng)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(cè)系統(tǒng)

 

　　風(fēng)機(jī)葉片長(zhǎng)期承受日曬/冷凝、無(wú)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(tái)風(fēng)影響，每次臺(tái)風(fēng)過(guò)后葉片結(jié)構(gòu)是否有損傷，是否具備風(fēng)機(jī)開(kāi)機(jī)運(yùn)行的條件，目前只能通過(guò)定期巡檢方法、人員經(jīng)驗(yàn)判斷。通過(guò)拜安科技的風(fēng)機(jī)葉片光纖振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)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(zhēng)取寶貴時(shí)間，減少損失。

 

　　本系統(tǒng)通過(guò)在葉片內(nèi)安裝雙軸MEMS光纖加速度傳感器，監(jiān)測(cè)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、分析，見(jiàn)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(wú)法比擬的。

 

　　3.3 風(fēng)機(jī)塔筒光纖傳感在線監(jiān)測(cè)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(guò)拜安科技的風(fēng)機(jī)塔筒光纖傳感在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)塔筒載荷、振動(dòng)、傾斜等物理量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)塔筒傾斜、過(guò)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(guò)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(duì)風(fēng)機(jī)塔筒傾斜、振動(dòng)、載荷、變形的實(shí)施時(shí)間來(lái)判斷塔筒安全狀態(tài)。

 

 

　　塔筒測(cè)點(diǎn)的布置一般包括三個(gè)部分：

 

 

 

 

　　本系統(tǒng)所用的焊接式光纖應(yīng)變傳感器采用我司自主專利的菱形基底結(jié)構(gòu)、鍍金光柵焊接工藝制作、無(wú)膠封裝，保證傳感器長(zhǎng)期零點(diǎn)穩(wěn)定，同時(shí)傳感器安裝采用儲(chǔ)能式焊接，安裝簡(jiǎn)單、可靠性高，保證傳感器在惡劣環(huán)境尤其海上環(huán)境下的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。