風電機組葉片在線檢測裝置製造方法
2023-07-13 18:10:16 3
風電機組葉片在線檢測裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型涉及風電機組葉片檢測技術。本實用新型公開了一種風電機組葉片在線檢測方法及裝置。本實用新型的風電機組葉片在線檢測裝置，基於雷射雷達檢測技術，採用雷射照射風電機組葉片，利用葉片擺動對反射雷射的調製作用，就可以從反射光中解調出葉片擺幅數據。本實用新型的風電機組葉片在線檢測裝置，包括雷射發射單元、雷射接收單元、信號處理及控制單元。本實用新型將連續或準連續的雷射投射到風電機組葉片上，葉片的任何擺動都會對投射到葉片上的雷射產生調製作用，通過接收解調葉片反射的雷射就可以採集到葉片擺動的重要物理參數——擺幅。本實用新型不需要對葉片進行改造，不會影響風電機組葉片的結構安全，使用方便，應用廣泛。
【專利說明】風電機組葉片在線檢測裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及風電機組葉片檢測技術，特別涉及一種雷射雷達在線風電機組葉片擺幅監測方法及其報警系統。
【背景技術】
[0002]風能是一種清潔的永續能源。近年來，我國政府給予了風力發電有力的扶持。據統計，全球2007年新增裝機17489臺，其中我國新增裝機3155臺。至2010年全球及中國新增裝機分別達到3萬臺及I萬臺。到目前為止，我國已建成的風電場約59個，增長勢頭強勁。
[0003]風電機組一般有兩種形式，水平軸風電系統和垂直軸風電系統，風力發電機組是將風能轉換成電能的發電設備，風力作用於風電機組葉片帶動主軸旋轉，經過齒輪箱調速後通過發電機轉換成電能。在風力發電機組結構部件中，風電機組葉片是彈性體，在風載荷的作用下，作用在葉片結構上的空氣動力、彈性力、慣性力等具有交變性和隨機性，各種受力的耦合將會引起與某些振型共振的自激共振，即顫振，該振動是發散的，嚴重時會導致風力機結構破壞。葉片是風力發電機的核心部件，造價約佔整個設備的1/4到1/3。由於風場的氣候條件惡劣，風力對葉片的損傷和自身老化在所難免，而這種損傷和老化如果沒有監測和預警措施一旦發生將是致命性的，機組被毀造成嚴重經濟損失或塔架癱塌導致人員傷亡。如何在它們受損或老化疾像顯現之前採取更換部件或其它維護措施就顯得尤其重要和迫切。
[0004]風力發電機組是風電場的關鍵設備，長期以來一直採用計劃維修的方式，即一般風力機運行2500?5000h後進行例行維護。這種維修方式無法全面的、及時的了解設備的運行狀況；而事後維修則由於事先的準備不夠充分，造成維修工作的耗時太長、損失嚴重。
[0005]目前大多數風機上運用的通用監測程序為風場監測。這種方法主要監測輸出電量，同時也包含部分故障信息的存儲。通常控制系統的狀態信息、輸出電量以及風速情況將被存儲，並將這些信息發送給製造商和運營商。但該方式只有在具有詳細記錄的前提下才有可能觀察到故障。在大多數情況下，當控制系統發出警報時故障已經發生。
[0006]風電機組的監測應包含兩方面的內容，一般性的性能檢測和運行狀態的在線監測與診斷。就一般性的性能檢測而言，風電發達國家早在上世紀80年代就已經開展風電機組的檢測工作，已有二十多年的歷史，積累了豐富的經驗，形成了完整測試理論和測試方法。IEA (國際能源協會)在1988年頒布了 「Recommended Practices forWind Turbine Testing一6.Structure Safety (風電機組試驗推薦方法一6.結構安全性)，Review of(draft)standards/codes of practice, Preparatory Information, IEA, 1.Editionl988」，成為關於風電機組檢測的最早標準。上世紀90年代以來，國際電工委員會(IEC)陸續頒布了一系列風電機組測試標準，用來規範測試方法，保證測試結果的一致性和準確性，這些標準也成為目前國際上公認和通用的風電機組測試標準。這些標準主要包括風電機組的功率特性測試標準、電能質量測試標準、噪聲測試標準、載荷測試標準。隨著測試技術的不斷進步，這幾個標準自頒布後都已經過多次改版。
[0007]對於風電機組運行狀態的在線監測與診斷，國外相關報導較少，2011年3月31日，國華能源投資有限公司報導從紐西蘭況得實儀器有限公司引進了兩套Turningpoint風電機組健康監測系統安裝在國華公司下屬的黃驊風場、齊齊哈爾風場。經過4個多月的試運行，系統運行穩定可靠、收效明顯。該系統主要通過對風電機組轉子的各種振動進行在線數據採集和分析，提供全面完整的診斷服務報告，預知性地發現風電機組潛在風險和早期故障，合理安排運行維護和檢修，大大提高了風場運營管理效率和水平。但該系統並未涉及對風電機組葉片振動(擺動)的在線監測。
[0008]現有的風電機組葉片檢測技術，通常採用在葉片上嵌入各種傳感器，如加速度傳感器、光纖傳感器等進行檢測，這些檢測技術需要對葉片進行改造，在葉片上安裝傳感器，屬於接觸式檢測技術。由於葉片工作時處於高速運動狀態，這些接觸式檢測技術應用受到極大的限制。
[0009]國內對風電機組監測技術研究剛剛開始，尚不成熟，已成為國內風電發展的一個「瓶頸」。就一般性的性能檢測而言，各風電企業自備了一些檢測設備，但還沒有形成風電機組測試標準。對於風電機組運行狀態和葉片的在線監測與診斷還是空白，因此建立和完善國內風電監測具有自主智慧財產權的監測與診斷裝備體系和標準勢在必行，迫在眉睫。
實用新型內容
[0010]本實用新型所要解決的技術問題，就是提供一種風電機組葉片在線檢測裝置，對風電機組葉片擺幅進行長期實時動態監測，為風電機組葉片安全評估提供基礎數據和依據。
[0011]本實用新型解決所述技術問題，採用的技術方案是，風電機組葉片在線檢測裝置，包括雷射發射單元、雷射接收單元和信號處理及控制單元；
[0012]所述雷射發射單元與信號處理及控制單元連接，所述雷射發射單元向風電機組葉片發射雷射；
[0013]所述雷射接收單元與信號處理及控制單元連接，所述雷射接收單元接收風電機組葉片反射的雷射，並將雷射信號轉換為電信號傳輸到信號處理及控制單元；
[0014]所述信號處理及控制單元對雷射接收單元傳輸的電信號信號進行解調處理，獲取風電機組葉片擺幅數據。
[0015]具體的，所述雷射發射單元發射的雷射為連續雷射或雷射脈衝。
[0016]優選的，所述雷射脈衝重複頻率遠遠大於葉片旋轉頻率。
[0017]具體的，所述雷射接收單元包括光學接收器、探測器和數據機，所述光學接收器接收風電機組葉片反射的雷射，所述探測器與光學接收器連接，將光學接收器輸出的雷射信號轉換為電信號輸入數據機，所述數據機向信號處理及控制單元輸出解調後的含有風電機組葉片擺幅信息的電信號。
[0018]進一步的，所述檢測裝置為一體化結構，其中，雷射發射單元、雷射接收單元和信號處理及控制單元置於同一機櫃中，並就近固定在風電機組的剛性塔架上。
[0019]進一步的，還包括通信單元，所述通信單元與信號處理及控制單元和位於監控中心的上位機相連,傳輸檢測數據和指令。[0020]更進一步的，還包括閾值判決器和報警器，所述閾值判決器與報警器和通信單元相連，所述閾值判決器根據檢測數據與設定閾值的比較結果進行判斷，當檢測數據超過設定閾值時觸發報警器發出報警信號。
[0021]本實用新型的有益效果是，採用雷射檢測技術，非接觸檢測方式，不會影響風電機組葉片的結構安全，使用方便，應用廣泛；測量精度高，可達釐米量級；檢測頻率高，實時性好，每秒鐘可以發送上千個擺幅數據；可靠性高，適合對風電機組葉片擺幅的實時動態監測；裝置具有自動調零和斷電自恢復功能，最少化了人為的幹預；裝置安裝調試方便，適合大範圍推廣使用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是本實用新型結構示意圖；[0023]圖2是實施例的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖及實施例，詳細描述本實用新型的技術方案。
[0025]本實用新型的技術方案，將雷射調製解調技術用於風電機組擺幅數據檢測，是一種非接觸的檢測技術，非常適合用於風電機組葉片擺幅檢測，不需要對葉片進行改造，也不需要在葉片上安裝傳感器。本實用新型基於雷射雷達檢測技術，採用雷射照射風電機組葉片，利用葉片擺動對反射雷射的調製作用，就可以從反射光中解調出葉片擺幅數據。具體步驟包括:
[0026]第一步:向風電機組葉片發射連續雷射或雷射脈衝。
[0027]本步驟中，通常採用固體或半導體雷射器，雷射波長為近紅外，這種雷射對葉片振動調製比較敏感，而且發射系統成本較低，非常適合本實用新型用於檢測風電機組葉片擺幅。實際應用中通常採用持續時間≥ 0.25s的連續雷射或雷射脈衝重複頻率遠遠大於風電機組葉片旋轉頻率的準連續雷射，就可以滿足風電機組葉片擺幅檢測的要求。
[0028]第二步:接收風電機組葉片反射的雷射。
[0029]本步驟中，可以採用與雷射波長匹配的探測器與光學接收器進行反射光的接收。
[0030]第三步:將接收的雷射信號轉換為電信號進行解調處理得到風電機組葉片擺幅數據。
[0031]本步驟中，對雷射探測器輸出的包含葉片擺幅信息的電信號進行解調，通過各種解調算法可以得到葉片擺幅數據。
[0032]本實用新型風電機組葉片在線檢測裝置，將連續或準連續的雷射投射到風電機組葉片上，葉片的任何擺動都會對投射到葉片上的雷射產生調製作用，從而葉片反射的雷射便攜帶了葉片擺動的信息，通過接收解調葉片反射的雷射就可以採集到葉片擺動的重要物理參數一擺幅。實際應用可以採用持續時間≥0.25s的連續雷射或雷射脈衝重複頻率遠遠大於葉片旋轉頻率的準連續雷射，就可以從被調製雷射中解調出葉片擺幅數據。
[0033]如圖1所示，本實用新型風電機組葉片在線檢測裝置，包括雷射發射單元、雷射接收單元、信號處理及控制單元。圖1中，雷射發射單元與信號處理及控制單元電連接，根據信號處理及控制單元的指令向葉片發射連續或準連續雷射，該雷射被葉片擺動調製並被葉片反射出去，雷射接收單元接收該葉片反射的雷射，將其轉換為電信號並進行調製解調處理後得到包含葉片擺幅信息的數據信號，該數據信號被送入信號處理及控制單元。信號處理及控制單元接收所述數據信號後進行處理，計算出葉片擺幅數據。該擺幅數據可以為風電機組運行安全預警提供依據，也可以作為歷史數據進行收集和存儲，為葉片故障分析提供基礎數據和依據。
[0034]實施例
[0035]本例風電機組葉片在線檢測裝置結構，如圖2所示。包括雷射發射單元、雷射接收單元、信號處理及控制單元、通信單元、閾值判決器和報警器，以及置於監控中心，用於發送各種控制指令、接收葉片擺幅數據的上位機。上位機通常由計算機系統構成，可以對接收的葉片擺幅數據進行處理，用於存儲、顯示和分析計算，繪製圖表和葉片擺幅變化曲線等。本例的雷射接收單元由光學接收器、探測器和數據機構成。本例雷射發射單元可以採用技術成熟的固體或半導體雷射發射單元。雷射發射單元、雷射接收單元和信號處理及控制單元可以配置在同一個機櫃中，並就近固定在風電機組的剛性塔架上，信號處理及控制單元通過電纜與通信單元進行電連接。雷射發射單元的發射頭和雷射接收單元的光學接收器應安裝在正對風電機組葉片的方向，機櫃應牢固固定並不受風電機組振動的影響。安裝時應使雷射發射單元發射的雷射經過葉片反射後，有效地被雷射接收單元所接收。如圖2所示的安裝結構中，雷射發射單元的發射頭及光學接收器都與葉片正對安裝，入射雷射和反射雷射都與葉片反射面垂直，這種配置方式就可以有效地接收反射光。也可以針對不同的葉片位置，按照光的反射定律配置發射頭和光學接收器，這時雷射發射單元和雷射接收單元採用分離配置的方式，並通過電纜與信號處理及控制單元相連。
[0036]圖2中，雷射發射單元與信號處理及控制單元電連接，根據信號處理及控制單元的指令向葉片發射連續雷射，該雷射投射到葉片上被葉片擺動調製後被葉片反射出去。光學接收器接收葉片反射的雷射並輸入探測器，探測器接收到雷射信號後將其轉換為電信號輸入數據機。數據機接收到探測器輸出的電信號，進行解調處理後得到包含葉片擺幅信息的數據信號，該數據信號被送入信號處理及控制單元。信號處理及控制單元接收數據信號後進行處理，計算出葉片擺幅數據。該擺幅數據通過通信單元一路輸入閾值判決器，與設定的振幅閾值進行比較判決，當計算出的擺幅數據超過設定閾值時，閾值判決器輸出觸發信號到報警器，報警器發出聲光報警，提醒相關人員進行及時處理。本例通信單元還通過電纜與監控中心的上位機連接，可以進行相關數據的進一步處理，比如生成葉片擺幅變化的動態(有風力載荷)和靜態(無風力載荷)趨勢曲線，為葉片安全評估提供依據。
【權利要求】
1.風電機組葉片在線檢測裝置，其特徵在於，包括雷射發射單元、雷射接收單元和信號處理及控制單元； 所述雷射發射單元與信號處理及控制單元連接，所述雷射發射單元向風電機組葉片發射雷射； 所述雷射接收單元與信號處理及控制單元連接，所述雷射接收單元接收風電機組葉片反射的雷射，並將雷射信號轉換為電信號傳輸到信號處理及控制單元； 所述信號處理及控制單元對雷射接收單元傳輸的電信號信號進行解調處理，獲取風電機組葉片擺幅數據。
2.根據權利要求1所述的風電機組葉片在線檢測裝置，其特徵在於，所述雷射發射單元發射的雷射為連續雷射或雷射脈衝。
3.根據權利要求2所述的風電機組葉片在線檢測裝置，其特徵在於，所述雷射脈衝重複頻率遠遠大於葉片旋轉頻率。
4.根據權利要求1所述的風電機組葉片在線檢測裝置，其特徵在於，所述雷射接收單元包括光學接收器、探測器和數據機，所述光學接收器接收風電機組葉片反射的雷射，所述探測器與光學接收器連接，將光學接收器輸出的雷射信號轉換為電信號輸入數據機，所述數據機向信號處理及控制單元輸出解調後的含有風電機組葉片擺幅信息的電信號。
5.根據權利要求1所述的風電機組葉片在線檢測裝置，其特徵在於，所述檢測裝置為一體化結構，其中，雷射發射單元、雷射接收單元和信號處理及控制單元置於同一機櫃中，並就近固定在風電機組的剛性塔架上。
6.根據權利要求1所述的風電機組葉片在線檢測裝置，其特徵在於，還包括通信單元，所述通信單元與信號處理及控制單元和位於監控中心的上位機相連，傳輸檢測數據和指令。
7.根據權利要求6所述的風電機組葉片在線檢測裝置，其特徵在於，還包括閾值判決器和報警器，所述閾值判決器與報警器和通信單元相連，所述閾值判決器根據檢測數據與設定閾值的比較結果進行判斷，當檢測數據超過設定閾值時觸發報警器發出報警信號。
【文檔編號】G01H9/00GK203396477SQ201320474141
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年8月5日 優先權日:2013年8月5日
【發明者】卿光弼, 高劍波, 冷傑, 張華 , 陳德章 申請人:成都謙恆安泰智能科技有限公司