風電葉片結構健康監測系統

2021-01-21 風電葉片
投稿熱線:13811799041      QQ:1339824490



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 】

相關焦點

  • 機器人在風電葉片打磨中的應用
    然而, 我國風電行業裝備製造業卻發展緩慢,像風電葉片的打磨清理工序,依然長期依靠工人用絞磨機進行打磨,不僅浪費大量的人力和時間,而且車間粉塵汙染嚴重,容易給工人造成肺病傷害。因此,將打磨機器人引入到風電葉片的清理環節,是切合實際生產需求和智能製造發展需要的。由於風力發電機葉片尺寸大、曲面複雜,打磨拋光十分不易,一直以來都是困擾行業發展的難題。
  • 康達新材:公司風電葉片結構膠產品需求度較高
    如果上述數據屬實,貴司的風電葉片用結構膠今後是否會出現供不應求的情況?貴司有擴產的計劃嗎?同業其它公司的結構膠產能是否有擴產計劃?謝謝公司回答表示,今年風電行業景氣度較高,公司風電葉片結構膠產品需求度較高。公司2019年底對募投項目進行了變更,新募投項目為「高性能環氧結構膠粘劑擴產項目」,該項目現已完成環評審批手續, 後續將逐步進入中試及規模化生產階段。感謝您對公司的關注!
  • 國際新研發:多過程系統的風電複合材料葉片創新
    復材網BladeFactory研究項目正在尋找具有多流程能力的系統和自動化的新創新。項目合作夥伴正在研究風電葉片的創新,目的是在時間,成本和質量方面優化轉子葉片的生產。在努力開發能夠並行化不同製造步驟的過程結構的同時,將對現有的製造過程進行調整或重新開發。
  • 圖像檢測技術在靜態風電葉片檢測中的應用綜述
    本文以靜態風電為研究對象著重介紹風電葉片製作過程、運輸及安裝等葉片正式運行之前常見的損傷形式。 2.1. 製作過程 風力葉片由葉根、外殼和主梁三部分組成,多數結構形式為複合材料蒙皮與主梁構成的中空薄壁狀。
  • 為什麼說葉片是風電產業鏈最好的環節?
    本報告會重點從需求端的結構變化以及供給端的演變兩個維度進行剖析:需求端:141大葉片逐漸成為主流我們首先來看過去幾年,風電葉片的技術迭代情況。目前陸上風電的主力機型仍是2.0MW和2.XMW。首先來看2.0MW,2009到2012年,大部分2.0MW機型都使用的是100米以下的葉片。
  • 中國風電葉片製造商名錄(2017年最新版)
    2017年,洛陽雙瑞自主研發的5MW超大型海上風電葉片下線,葉片長度達到83.6米,創全球5MW最長風電葉片記錄。公司已通過德國TUV認證公司ISO9001質量體系認證、中國船級社質量認證公司ISO14001環境管理體系認證、OHSAS18001職業健康安全管理體系認證,產品通過德國勞氏船級社(GL)、德國風能研究所(DEWI)、北京鑑衡(CGC)、通標(SGS)以及中國船級社(CCS)等權威機構檢測和認證。
  • 關於風電你想知道都在這:風電葉片專利技術情報第一期
    風電葉片作為風力發電機組中的重要元件,對其技術發展的監控能夠為相關國內企業發展提供借鑑。裝備智造IP前沿將為您提供風電葉片專利技術情報,推出《風電葉片專利技術情報》系列文章。文章以國外風電葉片巨頭在全球範圍內的專利監控為主線,檢索剖析每月最新公開的全球專利的技術分布以及重要專利等情報。本期為2020年1月全球公開的風電葉片的相關專利技術情報分析。
  • 國家海上風電裝備質量監督檢驗中心交付在即 大葉片測試能力將達...
    2020年9月2日上午,一支80多米長的巨型風電葉片運抵位於廣東陽江的國家海上風電裝備質量監督檢驗中心(籌)(以下簡稱「國檢中心」)。國檢中心首次測試開展在即。在全球風電機組大型化、海上風電開發規模化發展的背景下,產業對大容量機組及大葉片等關鍵部件的研發和測試提出了更高的要求。
  • 三一重能助力中國風電行業健康有序發展
    中國陸上風電距離「平價併網」只有一個月。2020年11月26日CCTV2《正點財經》欄目播出,重點關注中國風電行業。三一重能憑藉高品質的風電整機、葉片、吊裝設備助力客戶成功,助力中國風電行業健康有序發展,為實現「3060目標」貢獻力量。
  • 受疫情影響 風電葉片的原材料價格漲到這麼高!
    【能源人都在看,點擊右上角加'關注'】由於義大利、厄瓜多新冠疫情加劇、全國封鎖,風電葉片上遊的輕木、PVC(聚氯乙烯)泡沫供應緊張,其中巴沙輕木的單價已經升到10000到15000元。葉片是風機的重要組成部分,同時也是風機成本中佔比最大的零部件,約佔風機原材料成本的23%。
  • 風電機組葉片缺陷的無損檢測方法
    我國可開發的風能潛力巨大,資源豐富,總的風能可開發量約有1000——1500GW,可見,風電有潛力成為未來能源結構中重要的組成部分。因此,風力發電的發展也備受關注,而風機葉片是風電機組的重要組成部分,一般由玻璃纖維複合材料製成,因其製造工藝的複雜性,在成型過程中難免會出現缺陷;另外,由於工作環境的惡劣性與工況的複雜多變性,在運行過程中也會出現不同程度的損傷。
  • 葉片缺陷的無損檢測法:X射線、超聲波、聲發射等
    下面來對各種無損檢測方法的優缺點進行一個簡略的分析: 【一、X射線檢測技術】 實驗驗證X射線技術是檢測風電葉片中孔隙和夾雜等體積型缺陷的良好方法,可以檢測垂直於葉片表面的裂紋,對樹脂、纖維聚集有一定的檢測能力,也可以測量小厚度風電葉片鋪層中的纖維彎曲等缺陷,但對風電葉片中常見的分層缺陷和平行於葉片表面的裂紋不敏感
  • 飛機結構健康監測技術
    單位: 上海飛機設計研究院摘要:   飛機結構健康監測技術已經在實驗室實驗及飛行試驗中得到了成功驗證
  • 南通如東重通成飛打造風電葉片「巨無霸」
    走進重通成飛風電設備江蘇有限公司一期,9月的生產車間格外繁忙。這裡每天可以保證有兩支風機葉片產出。用公司質量總監康秀的話說,「公司目前生產的工藝節拍,不是24小時,而是48小時。」今年1到8月份,重通成飛一共出售77臺(套)風機葉片,主要客戶為遠景、山東國風、三一集團等,四季度公司還將迎來一批來自韓國、日本的海外訂單。  重通成飛風電設備江蘇有限公司是上市企業重慶機電股份公司的下屬企業,主要生產風力發電葉片。2006年以來,公司相繼在國內的西北、東北、華北、西南等地區設立了5家生產企業,江蘇基地是重通集團風電板塊在全國的第6個生產基地。
  • 2020年全球與中國風電葉片市場調查分析與發展趨勢研究報告
    《2020年全球與中國風電葉片市場調查分析與發展趨勢研究報告》是專門針對風電葉片產業的調研報告,採用客觀公正的方式對風電葉片產業的發展走勢進行深入分析闡述,為客戶進行競爭分析、發展規劃、投資決策提供支持和依據,本項目在運作過程中得到了眾多風電葉片產業鏈各環節技術人員及營銷人員的支持和幫助
  • 來2019中國海上風電工程技術大會 聽聽海上風電發展「最強音」
    但我國海上風電領域起步較晚,與國際上先進的海上風電發展水平相比還存在一定差距,如海上風電建設風險高、難度大、建設經驗不足,海上風電核心技術有待進一步創新,需要各方面積極配合、共同合作,以務實態度推進海上風電產業的進步。 海上風電建設發展要完善海上風電產業體系建設,著重打造高精度、高可靠性技術產業鏈,真正推動海上風電健康發展。
  • 艾郎風電跳躍式增長,全球最大風電葉片生產基地2021年投產!
    7月11日,全球最大的風電葉片生產基地——海門艾郎風電二期項目開工建設,該項目佔地548畝,總投資30億元,將新建3個生產車間,1個研發測試中心及倉貯、堆場、生產生活等配套設施。整體二期項目預計2021年5月竣工。
  • 海上風電葉片運維機器人
    【能源人都在看,點擊右上角加'關注'】北極星風力發電網訊:目前,風電葉片的檢查和維修任務通常由技術人員利用繩索(吊籃)開展工作,通常只能在受限制的天氣窗口中開展工作,使用這種方法風機停機時間長,電量損失嚴重。
  • 稜光實業2011年淨利潤打對摺 夢碎風電葉片前景堪憂
    在大股東上海建材集團的幫助下,稜光實業一度分享了多晶矽行業暴利帶來的甜美果實,但隨著多晶矽行業的暴跌,稜光實業只得逐漸退出,同時將目光轉向風電,逐漸停建多晶矽並把大筆資金投入風電行業。     2010年年報顯示,葉片業務當期曾為稜光實業帶來4.4億的營收且毛利率達22.76%,但僅一年之後,葉片業務便山河日下。
  • 360度迴轉平臺 風電葉片運輸車更專業
    【卡車之家 原創】隨著國家對新能源產業扶持力度的加大,越來越多的地方開始興建風力發電場,既然要建設就離不開設備的運輸,而風電設備一般又比較龐大,尤其是風電葉片動輒幾十米的長度更是給運輸造成了很大的難度,複雜場地的進場有時會花費大量的物力人力和時間才能到達。