超聲波風速風向儀在GE1.5MW風機上的應用

李紅

摘 要：國華輝騰梁風電場的GE1.5MW風機機械式風速風向儀存在有自身缺陷、精度誤差大、備品備件缺乏等問題，根據市場調查后，選擇3臺GE風機作為樣機，將原機械式風速風向儀更換為超聲波風速風向儀，文章詳細介紹了更換過程的具體操作措施，跟蹤觀察風機功率曲線變化情況后進行了經濟效益與社會效益的分析說明。

關鍵詞：風機；風速風向儀；超聲波；效益

1 背景

國華輝騰梁風電場GE風機單機容量1.5MW，總裝機容量為4.95萬kW，都采用NRG ITEM#3445機械式風速風向儀來完成風速、風向的測量工作。機械式風速風向儀結構簡單、價格低廉，風速、風向相互獨立，其中一個損壞后，只需更換一個即可，無需全部更換。然而機械式風速風向儀除了以上優點，其缺點卻更加引起我們的關注。

（1）自身缺陷，導致直接經濟損失。由于機械式風速風向儀依靠軸承的轉動采集數據，在風沙揚塵或者腐蝕性的沿海場合，軸承會由于異物及腐蝕引起卡轉，其使用壽命不會超過1年。即使在環境相對良好的環境，軸承旋轉引起的摩擦阻力變大，導致測量數據的累積誤差也會越來越大，無法保證數據的可靠性，在輝騰梁每年風速儀的損耗大概在10個左右，風速儀單價為5100元，合計一年風速儀采購費用約為5.1萬元，同時因故障停機時間、檢修時間而產生的電量損失也不可小覷。

（2）精度誤差大，累計成本損失或安全問題。風速風向儀是風機的眼睛和耳朵，在低風速時，如果風速不準，會引起發電效率低，累積發電量少；在高風速時，風速不準引起葉片變槳角度偏差，導致葉片表面承受的風壓超出設計范圍，影響葉片的壽命甚至損壞，同時高風速時，如果風速存在較大偏差，導致風機不能及時切出，將引起風機超速甚至倒機，嚴重威脅著風機的生產運營。機械式風向標由于分辨率低，導致風機的截風面積變小，影響著風機的風能吸收，并且其頻繁偏航，加劇偏航電機、編碼器、軸承等機械部件的磨損，增加了運營成本。

（3）公司使用的NRG ITEM#3445機械式風速風向儀已經停產，公司也逐步面臨備件更換的局面。然而，現市場上主流也是穩定性和可靠性優于機械式風速風向儀的產品便是超聲波風速風向儀，它依靠聲波在空氣中傳播，來測量風速風向，測量精度高；由于沒有機械旋轉部件，其壽命通常在3年、甚至5年以上且免維護，同時其測量精度和誤差是可信和穩定的。正是由于超聲波風速風向儀的以上優點，現在越來越多的整機廠都在使用超聲波風速風向儀。

2 具體改進措施

選擇分布在三個方向3臺GE風機作為樣機，將原機械式風速風向儀更換為超聲波風速風向儀，具體操作如下：

（1）機械安裝：為了減少安裝工作量，在原有的支架上加裝安裝附件來固定超聲波風速風向儀。

（2）電源問題：超聲波風速風向儀選用型號為DC 8-78V/AC 12-55V，連接方法采用的是接控制系統的AC24V300VA變壓器（原為NRG的加熱電源），轉換模塊電源為DC24V，連接方法亦采用的是接控制系統的DC24V。

（3）信號匹配問題：a.系統采集的風速信號類型為頻率（HZ）；b.系統采集的風向信號類型為4位數字碼。

（4）工作原理：超聲波測量信號通過RS-485通訊接口與轉換模塊連接，轉換模塊通過程序控制、電路邏輯運算最終將風速信號與風向信號傳送給風機的控制系統，如圖1所示。

（5）超聲波風速風向儀替換NRG示意圖如圖2所示。

3 效益分析說明

（1）安裝完成后，跟蹤觀察這三臺風機功率曲線變化情況，對比分析結果：a.風機的功率曲線與往年同期相比，會有明顯優化；b.超聲波壽命遠高于機械式，降低了備件的采購成本；c.超聲波風速風向儀的免維護特性，提高了風機的有效運營時間；d.超聲波風速風向儀的高精度、低誤差的特點，降低了機械部件的磨損，延長了葉片等設備的使用壽命。

（2）經費預算：本次改造3臺GE風機，超聲波風速風向儀15米電纜（含航空插頭）單個約20000元，共計60000元；轉換模塊（含安裝盒）單個約600元，共計1800元；支架安裝附件（加厚不銹鋼）單個約400元，共計1200元；安裝費用，單臺約3000元，共計9000元；綜上合計共72000元。

（3）經濟效益與社會效益。a.以輝騰梁風電場一期suzlon風機（已使用超聲波風速風向儀7年）作為參考，在7年時間里超聲波風速風向儀損壞2個（其中一個因遭雷擊損壞），以此計算，預計未來10年時間里，可節約備件采購成本50萬元，減少因風機故障時間引起的損失50萬元，合計節約成本100萬元。b.根據廠家提供的歷史數據，當風速在8m/s-12m/s間，使用超聲波風速風向儀的風機功率較機械式風速風向儀的風機高出20-40kW，依據以往二期風機可利用小時1333計算，單臺風機一年大約可提高發電收入1萬元。