人類在過去的幾十年間一直是以化石燃料作為能源利用的主要方式,自從以風能、太陽能為代表的清潔能源技術大力發展結合當前世界低碳減排的趨勢,風電以其綠色環保、能源獲取方式可持續、減少二氧化碳排放等特點勢必繼續蓬勃發展。風機葉片是風力發電機組的核心部件之一,其造價昂貴且維修成本巨大。
隨著風力發電機單臺功率的不斷提高,風機葉片的外觀尺寸也越來越大。在已經上機運行的風電葉片中出現葉片表面撕裂、扭轉、螺絲鬆動等現象。上述現象集中在葉片根部、空心材料與實心材料交接處,結合風機葉片的加工製造工藝、風電場所處的自然環境,產生這種情況的原因主要是震動量及應變力對葉片影響的結果。葉片表面出現的裂紋、扭轉、螺絲鬆動會大大影響風力發電機組的運行效率,造成風機停轉,嚴重地甚至造成葉片折斷因此對葉片損傷的早期預警顯得十分重要。
中國作為世界第二大經濟體,其飛速發展的經濟是以巨大的能源消耗作為支撐,其中最大的能源來源於以煤炭為主的化石資源;這不僅帶來巨大的環境汙染問題,還使得經濟建設對於能源的依賴程度越來越大。以風能、太陽能行業作為引領的新能源發展在我國的能源消耗中一直處於補充地位,不能撼動化石能源的絕對地位。隨著新能源技術的發展、對於環境保護的重視,以風能為代表的新能源將在未來有更多的應用。
受風資源環境的限制,風力發電機組大多位於遠離市區的高山荒漠之中由於風力發電技術的特點和風電場環境的複雜性決定了其運營和管理的特點與要求,風機運行的維護成本在已經投入運行的風機中佔成本的10%以上,推算到海上風力發電機組的比例更高。因此風機葉片作為風力發電機組的核心部件之一,研究風機葉片在運行過程中是否處於正常狀態、儘可能早地發現故障及其產生的原因,做到故障信號的提前預警是風電葉片結構健康監測系統研究的關鍵技術,通過諮詢風力發電領域相關專家學者,結合風機葉片的結構,研究發現,震動量及應變力是造成風機葉片表面出現裂紋、扭轉、螺絲鬆動的兩種主要原因。換一句話說,對風機葉片的運行狀態的實時監測,即安裝於葉片根部的應變片、安裝於葉片空心部位與實心部分交接處的震動信號傳感器的在線數據測量和實時數據採集(如圖I所示)。
利用安裝於風機葉片上的加速度傳感器和應變片進行實時的數據採集,通過網絡通信方式實現與上位機的連接,通過上述方式建立風電葉片結構健康監測系統實時了解風機葉片的受力情況、工作狀態,可有效提高風力發電機組的運行可靠性形成這樣一套風機葉片遠程狀態監測既達到了葉片故障診斷的提前預警,也有利於降低風電場的運維成本。
風力發電機的葉片位於高空,且地理位置上分布廣泛,採用傳感器網絡進行數據的採集和傳輸能夠很好地解決風電場設備空間上分布廣泛和事件時間上並行的難題。
2.1加速度傳感器選型
為了有效採集風機葉片的震動信號,選擇LC1001型號的加速度傳感器作為測量工具,通過研究LC系列加速度傳感器的設備選型手冊可以發現1001加速度傳感器其頻率範圍、測點數量、平衡方式、精度範圍均在可控範圍內,綜合考慮採購價格作為最終的選擇方案。加速度傳感器安裝在風機葉片實心與空心材料交界處。
LC10001具有精度高、漂移小、噪聲低,可接1/4橋、1/2橋、全橋應變片,或應變加速度、壓力、拉力、扭矩、位移、溫度傳感器,對結構或材料的應變、加速度、拉壓力、扭矩、位移、溫度等進行測量。
安裝:以單軸為例,傳感器與被測試件接觸的表面要清潔、平滑、不平度應小於0. 01 mm,安裝螺孔軸線與測試方向一致。如安裝表面較粗糙時,可在接觸面上塗清潔矽脂以改善藕合。測量衝擊時,由於衝擊脈衝具有較大的瞬態能力,故傳感器與結構的連接必須十分可靠,最好用鋼螺釘。現場環境需單點接地,以避免地電迴路噪聲對測量的影響,採取使加速度傳感器與構件絕緣的安裝措施。
2.2狀態監測模件
狀態監測模件有四個測量通道可同時測量4組加速度傳感器信號,每個通道可組態的用於測量震動、偏心、相對/絕對蓋振、軸位移。通過選用的兩個LC10001型加速度傳感器相對安裝於距離風電葉片根部1 880 mm處為一組,通過硬接線的方式連接至狀態監測模塊,信號輸入至狀態監測模塊為4mA一20 mA模擬量信號。該狀態監測模件可接受任意前置式探頭,通過乙太網連接到診斷伺服器進行數據分析,做出震動分析圖譜。震動分析輸出包括:時基波形、綜合振動、振動間隙,lx, 2x & 3x倍頻幅值和相位、非一倍頻Notlx、同步和異步採樣、所有傳感器和鍵相的緩衝輸出。
狀態監測模件通過網絡方式與診斷伺服器連接,IP位址範圍192.168.001.001 -192.168.255.255
子網掩碼255.255.000.000
3.1應變片選型
目前,風力風電機組的主流型號為2 MW風力發電機組,其葉片根部直徑達到1.8m,通過大量現場試驗驗證,普通大小的應變片對於風電葉片應變力的數據測量起不到任何作用,基本不能採集到應變信號,因此,應變片的選型為BX120一100AA型應變片。其敏感柵的尺寸達到100mm,是目前市面上在售的最大尺寸,應用在風電葉片的應變測量上具有比較好的效果。具體參數如表1所示。
使用4片高精度應變片組成全橋進行測量當葉片發生形變時,應變片阻值發生變化導致橋路不平衡從而輸出微電壓信號。應變片受應力變化時,應變片的電阻值發生變化,輸出的信號是電阻值變化信號。但測量應力時,都要將應變片連成電橋,然後在電橋上加上電,這樣,就把應變片的電阻變化信號轉換成了電信號輸出。
電橋用十5V電源激勵,滿度輸出電壓0 - 2 mV,帶2.5 V共模電壓,故需要經放大器抑制共模信號,將電壓放大至滿足晶片ADC需要的範圍內。
該單元主要由濾波電路,放大電路和參考電壓生成電路組成,濾波電路對傳感器(電橋)輸入的信號進行低通濾波,經濾波後的信號送入儀表放大器AD623進行放大。採用集成式單電源儀表放大器AD623對輸入信號進行放大,5V單電源供電,外接電阻對增益進行編程,將輸入信號放大500倍送入主控晶片處理。在5V電壓供電時,放大器的精度為0.1%。
AD623具有優異的交流共模抑制比(CMRR),並且隨著增益提高而增大,因此可確保誤差極小。由於CMRR在最高200 Hz時仍然保持穩定,因此線路噪聲和線路諧波均得到抑制。AD623具有寬輸入共模範圍,可以放大共模電壓低於地電壓150 mN的信號。當AD623在5V電壓工作時,軌到軌輸出級可以使動態範圍達到最大。
由於AD623的增益是通過改變編程電阻來實現的,為了使AD623輸出電壓增益精確,採用優質的(0.1一1)%精度1/8 W的增益電阻提高增益精度,降低DC失調和增益誤差。同時為了保持增益的高穩定性,避免高的增益漂移,選擇低溫度係數的電阻。
輸入端加10 kΩ限流電阻,對放大器進行保護。由於傳感器輸入的信號帶2.5 V共模電壓,故在信號輸入放大器前需要先對信號進行處理,用BAV99結合阻容濾波技木來抑制共模信號,抑制傳導幹擾。兩信號線間加1nF的電容抑制低頻共模信號。由於共模幹擾耦合進來後,會在信號線上產生雙向高電壓,可能對放大器造成損壞。有BAV99後電壓幅度在接口處被鉗位。從而保護了放大器。
設計RFI濾波器對輸入信號進行調理(如圖2所示)
使用一個差分低通濾波器在儀表放大器前提供RF衰減濾波器。該濾波器需要完成三項工作:儘可能多地從輸入端去除RF能量,保持每個輸入端和地之間的AC信號平衡,以及在測量帶寬內保持足夠高的輸入阻抗以避免降低對輸入信號源的帶載能力。設計RFI濾波增加了電路的信號帶寬並且降低了電阻器的噪聲作用。此外,10kΩ電阻器仍提供非常有效的輸入保護。該濾波器的帶寬大約為400 Hz。在增益為100的條件下,1Vpp輸入信號的RTI最大DC失調電壓小於1uv。在相同增益條件下,該電路的RF信號抑制能力優於74dB。
軟體濾波:考慮採用中位值平均濾波法來提高採樣精度,消除由於偶然出現的脈衝幹擾引起的採樣值偏差。
3.2應變片安裝工具及過程解析
(1)小功率手槍鑽(自帶蓄電池):打磨安裝在葉片根部的表面,使應變片能可靠粘結。先使用60目打磨柱打磨,再使用120目打磨柱打磨,打磨表面應儘可能平整,若無法打磨平整,則需更換位置;若有空穴,則應用膠補平。
(2)記號筆:標記安裝位置。
(3)清洗劑:打磨完成後,對於表面進行清潔,一般採用高濃度酒精。
(4)應變片及應變片粘接劑:採用應變片專用粘結劑進行安裝,使用膠泥密封應變片,膠泥類似與真空灌注用密封膠泥,膠泥之後,使用鋁箔密封(注意排除內部空氣,在鋁箔四周使用鈍器壓出密封槽,並在四周塗抹密封膠)
(5)焊接:連接應變片與電纜並將其固定
(6)編號存檔:對於安裝有應變片、加速度傳感器的葉片進
3.3應變片數據採集
通過應變片與模擬電路信號調整電路組成全橋測量方法記錄應變量,再通過網絡通訊方式與上位機連接。
使用4片高精度應變片組成全橋進行測量,當葉片發生形變時,應變片阻值發生變化導致橋路不平衡從而輸出微電壓信號應變片在受到應力變化時,應變片的電阻值發生變化,輸出的信號是電阻值變化信號。但測量應力時,都要將應變片連成電橋,然後在電橋上加上電,這樣,就把應變片的電阻變化信號轉換成了電信號輸出。圖3所示為應變片數據採集系統收集到的2015年II月26日風機葉片應變片的數據變化。
從圖3中我們可以看出,在數據採集時間內,應變片的數扼變化範圍在8—12之內且出現了一定的數據重複,說明了風機時片在正常狀態下受到應變力基本在這一區間範圍內,不會有朋顯的數據跳變。若風機葉片受到較大的應力作用則會在數據土出現明顯的跳變,在排除數據幹擾的情況下通過捕捉數據跳變,對風機葉片的結構做出預測,避免更大程度的應力破壞,做到振前預警,真正發揮該套系統的作用。
通過安裝在風機葉片實心材料與空心材料交接處的加速度傳感器測量震動信號,安裝在葉片根部的應變片測量應變信號,採集這兩種對於風機葉片表面出現裂紋、扭轉、螺絲鬆動等原因影響最大的信號因素,實行數據採集和監測達到實時動態監測風機葉片健康狀態的目的。
【來源:電氣自動化 】