风力发电叶片实时监控故障预警系统研究

第8期2014年8月机械设计与制造MACHINERYDESIGNMANUFACTURE161风力发电叶片实时监控故障预警系统研究陈建平，李星，赵春晓，王亚丽天津科技大学机械工程学院，天津300222摘要目前风力发电叶片故障监测普遍使用叶片表面粘贴检测介质和振动监测方法，由于叶片工作环境恶劣且所受载荷不定，叶片粘贴检测介质难以实现，测振漏报误报问题严重。针对现有监测技术的缺点和不足，在研究分析风力发电叶片断裂原因的基础上，研发设计一种基于PLC新型非接触式风力发电叶片实时监测预警系统。该系统根据叶间时间差预测叶片即将断裂或过度变形状况，及时停机并报警，能有效地避免叶片故障的发生，具有良好的推广应用价值。关键词风力发电；叶片；实时监测；叶间时间差；叶片故障中图分类号TH16文献标识码A文章编号L00139972014080161一O3RESEARCHONWINDPOWERBLADESREALTIMEMONITORINGANDFAULTEARLYWARNINGSYSTEMCHENJIANPING，LIXING，ZHAOCHUNXIAO，WANGYALICOLLEGEOFMECHANICALENGINEERING，TIANJINUNIVERSITYOFSCIENCETECHNOLOGY，TIANJIN300222，CHINAABSTRACTATPRESENT，WINDPOWERBLADES，伽MONITORINGALWAYSUSESMETHODSOFPASTINGDETECTIONMEDIUMONBLADESUOFDTCEANDVIBRATIONMONITORINGGENERALLY，DUETOPOORWORKINGENVIRONMENTANDM，LCENLOAD，ANDDETECTIONMEDIUMISDIFFICULTTOPASTEONBLADESUOCACE，ANDVIBRATIONMONITORINGHASSERIOUSPROBLEMSOFOMISSIVEANDERRORWARNINGSAIMINGATTHESHORTCOMINGSANDDEFICIENCIESOFEXISTINGMONITORINGTECHNOLOGY，ITANALYZESTHEVALISEOFWINDTURBINEBLADESFRACTURE，ANONCONTACTTYPEWINDPOWERBLADESREALTIMEMONITORINGANDEARLYWARNINGSTEMBASEDONPLCMODELISDESIGNEDACCORDINGTOTHETIMEDERENCEBETWEENBLADES，WHICHSTEMCANPREDICTLEAFFRACTUREOREXCESSIVEDEFORMATIONCONDITION，STOPANDALARMTIMETHISSTEMCANEFFECTIVETYAVOIDTHEBLADEFAILURE，ANDHASWIDEAPPLICATIONVALUEKEYWORDSWINDTURBINE；BLADE；REALTIMEMONITORING；TIMEDIFFERENCEBETWEENBLADES；THEBLADEFAILURE1引言风力发电是新能源发电技术中较成熟、具有大规模开发和商业化发展前景的发电方式。由于在改善生态环境、优化能源结构、促进社会经济可持续发展等方面的突出作用，目前世界各国都在大力发展和研究风力发电及其相关技术FQ。我国风能资源丰富，全国风能储量约483XL03MW，可开发利用的风能资源总量达253亿KW目。叶片是风力发电机组吸收风能的关键部件，造价占整机的20以上。由于工作环境复杂多变，叶片所受载荷不定，长期运行的风电叶片，会出现不同程度的裂纹或过度变形，最终引起叶片断裂，给整个风电机组的安全运行带来严重威胁，甚至导致重大事故。据调查，因叶片问题引起的故障停机率约在30以上，多发于盛风发电期，这必将给风电场带来严重的经济损失T3SL。因此对风力发电叶片进行实时监测和故障预警尤为重要。目前监测技术普遍使用叶片表面粘贴检测介质和振动监测方法，由于工作环境恶劣，粘贴检测介质易受雨雪影响，无法进行正常工作，造成信号接收不良，出现漏报现象；振动监测由于风力发电叶片运行过程中载荷复杂多变，监测不稳定，存在误报问题，这两种方式均未达到减少事故和损失之目的。根据现有监测技术的不足，研发设计一套新型风力发电叶片实时监控故障预警系统。该系统通过监测叶间时间差，实现在叶片发生过度变形或断裂时监控系统控制风机停机并报警，其特点是对故障反应灵敏、无漏报误报现象。采用直接检测叶片运行状态的检测方法，明显提高了风力发电叶片运行状态监测的可靠性，有效的避免叶片事故的发生。2叶片断裂原因与检测原理分析21叶片断裂原因分析叶片运输到风场，道路多为林区、山区，叶片的叶尖与树木刮碰时有发生，叶尖与树枝刮磨所造成的细小伤痕，待叶片运转后就会逐渐演变成叶片事故隐患；叶片吊装时，无论是用绳具还是夹具，只要吊起叶片的中心点与主梁角度有偏差，在叶片偏离地面时都会产生角度复位移动和摩擦复位现象，会对叶片造成损伤，受损部位主要为前缘叶片的切风部位；叶片长时间运行，起来稿日期20140125基金项目天津市2010年应用基础及前沿技术研究计划重点基金资助项目10JCZDJC23300作者简介陈建平，1961一，男，天津人，硕士，教授，研究生导师，主要研究方向机械设计制造及自动化162陈建平等风力发电叶片实时监控故障预警系统研究第8期到叶片外固合作用的粘合树脂胶被风沙打磨至最低固合力，造成叶片开裂，尤其是叶片的切风面和叶尖开裂率最高；叶片经常受到暴雨、冰雪的侵袭，即使有很小的裂缝和砂眼，水也会渗入复合材料，严冬时水结冰导致内芯快速损坏；许多风机会在超高风速下运转。虽然短时间产生的功率大幅增加，但结果是机组超功率运行，叶片容易出现早期失效的问题刚。以上原因使叶片寿命离散性变大，小的损伤如未及时修补将会蔓延生长，最终将引发叶片变形断裂失效。未完全断开的叶片在继续旋转中击打损毁其他完好叶片和相关设施，造成严重经济损失。22检测原理分析由于风力发电叶片是均匀分布的，所以叶片尖端之间的弧长均为S，当叶片断裂前发生较大变形时，叶片会因变形而产生位移，且叶片尖端位移变化最大，两叶片尖端之间的弧长将变为SAS，如图1所示。基于上述思想，考虑到相邻叶片之间的弧长变化不容易直接被监测，转换为测量两叶片之间的时间差F。设叶轮转速为N，根据速度位移公式拉1N理论上，由于叶片尖端之间的弧长均为S，当叶片不发生变形时，叶片尖端之间的时间差T是一个常量。当叶片发生变形时，两叶片尖端之间时间差将变为T。考虑到风力发电叶片运行过程中载荷复杂，使叶片产生一定的圆周向弹性摆振，造成监测误报。为了消除误报，保证监控系统的可靠性，在编制程序时设定的报警阈值需在时间差的基础上增加100的裕量，其大小可由下式计算110HT2S图1叶片形变示意图FIG1BLADEDEFORMATION3叶片实时监测与故障预警系统31叶片故障检测装置风电机组偏航控制系统在整个风电控制系统中是重要的组成部分。偏航的功用是当机舱的正方向与自然风风向发生一定的角度偏移时，机舱会自动偏航至与自然风风向一致的位置，以确保风机能得到最大的迎风面从而提高风机的发电效率，做到风能的最大可利用率。为了适应偏航控制状态下的叶轮频繁转向，实时监测系统的检测装置非接触式光电传感器阵列均匀圆周分布于塔筒外侧，如图2所示。检测装置安装位置为塔筒外侧沿叶片径向靠近叶尖位置。当风电机组的正方向与自然风风向发生的角度偏移值即风机风向超出预设定的参数时，风机上的主控制系统便发出指令，以使偏航驱动器开始工作。偏航轴承齿轮与偏航驱动器的齿轮相啮合转动，整个风机在偏航驱动器的带动下进行左偏航或右偏航，直至风机风向为O。后停止嘲。偏航动作完毕，检测装置根据风向仪所测的风向角来开启对应角度内传感器，实现传感器的交替工作。S图2叶片故障检测装置结构FIG2THESTRUCTUREOFBLADEFAULTDETECTIONDEVICE风向在高空用角度表示，把圆周分成360。，北风N是0。即360，东风E是90，南风S是180，西风W是270，其余的风向都可以由此计算出来。风电机组的顶部安装有测风向仪，以随时检测自然风的风向，其测量范围为0360。检测装置由非接触式光电传感器圆周均匀分布，把圆周分成360，安装时1号传感器对应为正北方向N是0O即360，3号传感器为正东方向E是90，5号传感器为正东方向S是180，7号传感器为正西方向W是270。，如图2所示。32实时检测叶轮转速装置风场中风力的大小和方向经常变化着，这使叶轮转速不稳定，而叶轮转速是计算时间差的重要因素。设计一种实时监测叶轮转速装置，该装置由电磁传感器及强力磁铁构成，考虑到实时检测叶轮转速不易实现，转换为检测主轴转速。在增速器端联轴器的法兰外圆周面上设置一块随联轴器一起旋转的强力磁铁，在联轴器的法兰外圆周面靠近磁铁处固定霍尔电磁传感器静止不动，霍尔电磁传感器对应于磁铁，如图3所示。当叶轮运行时，传动轴每旋转一周，霍尔电磁传感器接收一次磁脉冲信号。通过信号屏蔽线将实时信号传送给机舱控制柜，机舱控制柜与塔基控制柜中监控器相连，最终监控器接收到反映叶轮转速的实时信号，监控系统及时对应调整报警时间阈值T，避免漏报误报。图3叶轮转速检测装置FIG3BLADESPEEDDETECTIONDEVICE33监控系统设计利用安装于塔基控制柜内的可编程控制器PLC控制实现在叶片将要断裂而产生非正常较大变形时发出报警信号并根据预设自动停机从而预防叶片事故发生。NO8AUG2014机械设计与制造L63风电机组工作时，叶轮每旋转一圈，非接触式光电传感器将接收到与叶片数量相同的开关控制信号，同时检测叶轮转速装置接收到转速信号，通过信号屏蔽线，将实时信号传送到塔基控制柜的PLC中，如图4所示。将叶片故障节点串联到包含紧急停机按钮塔底主控制柜、发电机过速模块、扭缆开关、来自变桨系统安全链的信号、紧急停机按钮机舱控制柜、振动开关、PLC过速信号、到变桨系统的安全链信号、总线OK信号的安全链回路。当叶片将要断裂而产生过度变形时，传感器接收到的开关控制信号的时间差将产生明显变化，超过设定报警阈值时输出停机信号，叶片故障节点动作，将整条回路断电，机组进人紧急停机过程，实现故障的预警。按钮转换开关传感器信号1传感器信号2传感器信号3传感器信号4传感器信号5传感器信号6传感器信号7传感器信号8电源角信号叶轮转速信号4结束语图4PLC控制系统FIG4PLCCONTROLSYSTEM报示源针对现有风电叶片监测技术存在缺点和不足，通过对叶片断裂原因分析，提出一种新型非接触式风力发电叶片实时监控方法，并研发设计一套新型风电叶片实时监控故障预警系统。该系统通过风田现场试验证明，可靠的叶片实时监测和故障预警系统，可有效预防叶片断裂故障的发生，避免不必要的经济损失。此外，系统成本低、便于使用及维护，具有良好的社会效益以及推广应用价值。参考文献1李军军，吴政球，谭勋琼风力发电及其技术发展综述JJ电力建设，201186472LIJUNJUN，WUZHENGQIU，TANXUNQIONGREVIEWOFWINDPOWERGENERATIONANDRELATIVETECHNOLOGYDEVELOPMENTJELECTRICPOWERCONSTRUCTION，2011864722蒋宏春风力发电技术综述J机械设计与制造，20109250251JIANGHONGCHUNWINDPOWERGENERATIONTECHNOLOGYOVERVIEWJMACHINERYDESIGNMANUFACTURE，201092502513陈雪峰，李继猛，程航风力发电机状态监测和故障诊断技术的研究与进展J机械工程学报，201194552CHENXUEFANG，LIJIMENG，CHENGHANGRESEARCHANDAPPLICATIONOFCONDITIONMONITORINGANDFAULTDIAGNOSISTECHNOLOGYINWINDTURBINESJJOURNALOFMECHANICALENGINEERING，2011945524JJOSELINHERBERTGM，INIYANS，SREEVALSANEAREVIEWOFWINDENERGYTECHNOLOGIESJRENEWABLEANDSUSTAINABLEENERGYREVIEWS，2007，116111711455杨志军风力发电机组的结构简介J风机技术，2OO933536YANGZHIJUNTHEBRIEFINTRODUETIONOFTHESTRUCTUREOFWINDTURBINEGENERATORJBLOWERFANTECHNOLOGY2009335366张尤君，杨涛风力发电叶片运行和维护过程中常见损伤分析及处理措施J广东电力，201244952ZHANGYOUJUNYANGTAOANALYSISONCOMMONDAMAGEINOPERATIONMAINTENANCEOFVANEOFWINDPOWERGENERATORANDTREATMENTMEASURES【JJGUANGDONGELECTRICPOWER，2012449527王迩全具有涂粘膜保护的风力发电机叶片切风面及叶尖中国，ZL2008202197442P，200982628WANGERQUANTHEWINDTURBINEBLADEISCOATEDWITHMUCOSALPROTECTIONBLADELEADINGEDGEANDBLADETIPCHINA，ZL2008202197442P，2009826288胡国强浅谈风力发电机组偏航系统J_电器工业，2012106569HUGUOQIANG，THEWINDTURBINEYAWSYSTEMJCHINAELECTRICALEQUIPMENTINDUSTRY。20121065699陈建平，施晓宽，陈军霞冷却塔风机传动轴故障监测方法研究J天津工业大学学报，201266567CHENJIANPING，SHIXIAOKUAN，CHENJUNXIARESEARCHOFMONITORINGMETHODSOFFAILUREOFCOOLINGTOWERFANDRIVESHAFTLJJJOURNALOFTIANJINPOLYTECHNICUNIVERSITY，201266567上接第160页参考文献1张莉彦，阎华机械设计综合课程设计M北京化学工业出版社，2012ZHANGLIYAN，YANHUAMACHINEDESIGNCLASSICCOURSELMJBEIJINGCHEMICALINDUSTRYPRESS，20122王兴洲，徐超，何永森增压器全液压自动换向装置及其计算N中南工业大学学报，2001，3218991WANGXINGZHOU，XUCHAO，HEYONGSENTHEFULLHYDRAULICAUTOMATICREVERSINGDEVICEFORBOOSTERANDITSCALCULATIONMETHODSLJJJOURNALOFCENTRALSOUTHUNIVERSITYOFTECHNOLOGY200L，32189913闻邦椿机械设计手册M北京机械工业出版社，2007WENBANGCHUNHANDBOOK