風力發電葉片運行狀態監測與故障診斷技術近況

邢曉坡

（中科國風科技有限公司，天津 300000）

1 大型風力發電機組簡介

在進行風力發電的過程中，發電機組由風輪、風力發電機、機械傳動系統、塔架和電控系統組成。其中葉片是主要的零件，而且在能量轉化的時候也起到重要的作用，成本占機組總成本的15%～20%。通過風力使葉片進行轉動，從而讓轉子旋轉，把風能變為機械能，保證風力發電的正常進行。建設風電場一般選在偏遠地區，在其運營過程中會出現故障，需要人工維護、進行實時的監控等。由于葉片處在高空，而且體積大，不容易進行及時的監控，所以針對其可能會出現的問題不易在第一時間發現并解決。假如沒有在第一時間發現出現的問題，就會在很大程度上使其發生故障，從而造成經濟損失。

2 造成葉片機械損傷的原因

2.1 因操作疏忽

運輸、吊裝的時候發生故障。在進行運輸時，葉片尖端可能會受到風沙和植物的影響從而出現破壞，在進行吊裝時，葉片一些薄弱的位置可能會受到吊繩夾具的影響出現故障。

2.2 自然因素

一些風能豐富的區域，比較容易出現雷電、風沙、高寒等情況，這些氣候因素都會對葉片造成一定程度的影響。因為機組一般會在高山、沿海等環境下進行工作，在其工作過程中會出現風蝕、沙蝕等問題。由于這些問題的經常發生，就會讓風電設備出現結構上的故障，特別是葉片。

2.3 運行過程中維護不當

出現風載荷改變、機組在工作時超出額定功率等情況時會有激振力的出現，假如其頻率和固有頻率接近的時候，葉片就會出現變形，進而出現裂紋等方面的問題。這些由于人為或自然因素影響而出現的故障，在后期因為時間的推移可能變為比較嚴重的故障。

3 葉片狀態監測與故障診斷方法

3.1 直接觀察法

直接觀察法就是使用高倍望遠鏡、無人機、蜘蛛人等進行觀察。相關工作人員通過高倍鏡對葉片的外表面實時的監測，會在第一時間發現葉片的故障問題，比如是否開裂、鼓包、油漆破損等問題。

無人機巡檢就是通過無人機上的視頻傳感器對其實時監控；蜘蛛人巡檢又叫做高空繞行下降目測檢查，都是人工作業。這兩者的不同之處是：無人機巡檢就是專業人員控制無人機，進行一次充電能夠對一臺風機的葉片進行檢測。采取無人機巡檢其成本低、效率高，不過會出現無人機故障等方面的問題；采取蜘蛛人巡檢能夠讓專業人員對葉片內部進行檢測，其準確性更高，得到的數據信息更豐富，不過其效率較低。

3.2 光纖傳感器監測

現在一些風電葉片已經使用了光線檢測系統，實現葉片的實時監控，光纖傳感器和應變片在工作過程中存在很大的差異，光纖傳感器是利用光為載體，使用光線進行信息的傳遞。所以，使用光纖傳感器會有光纖的一些優點：電絕緣性好、抗電磁干擾、靈敏性好等等。

通過使用葉片里的光纖光柵傳感器，把應力應變信息傳遞下去，對葉片的故障進行監控。光纖風機葉片監控系統包括光纖傳感器、傳輸光線、解調儀表、數據傳輸模塊。在葉片的合理位置安裝光纖傳感器，專業人員對傳感器傳遞給解調儀的信息進行合理的分析研究，從而對葉片的情況進行實時的監控。如圖1所示。

圖1 光纖傳感葉片安全監測系統應用示意圖

3.3 振動監測法

葉片在進行工作的過程中會由于大氣邊界層的剪切風、變槳、偏航、葉片自身的屬性等方面影響而出現故障，出現激振源，因為這些方面的影響就會讓其出現故障。在風輪葉片和發電機出現共振之后，就會讓葉片和機組出現故障，這樣不但會讓發電量出現問題，還可能發生安全問題，因此針對這些方面就要進行及時的監控，出現問題時在第一時間進行解決。

在這套裝置中進行無線傳感器的安裝時，要通過參考葉片的型號對實際情況進行合理的調整，在安裝時比較方便，得到的數據信息比較豐富，可以通過分析得到的信息對葉片的運行情況進行合理的分析并對其故障進行有效的解決。

3.4 噪音監測法

由于會受到工作環境的影響，一些葉片在其工作幾年之后就會發生侵蝕的情況，假如這種情況沒有在第一時間進行有效的解決，之后碰到雷擊或者結冰就會出現開裂等問題，讓葉片的結構出現故障，容易發生安全問題。葉片的結構是薄后緣，對其進行運輸和安裝時，比較容易出現分層和開裂這些方面的問題。這些方面的問題范圍較小，如果沒有在第一時間進行解決，就會出現葉片更為嚴重的損傷，嚴重時會讓大梁出現故障。在對風機進行安裝調試的時候，葉片如果裝角有問題，就會讓其出現風輪不平衡、軸承過載等方面的問題，還有可能會發生倒塔。如果葉片工作在高冷的環境，如果出現結冰就會讓其發生變形，在前緣出現湍流邊界層，讓葉片的升力出現變化，對風機的功率產生影響。

噪音檢測法是通過智能葉片傳感器，來對葉片進行實時的非接觸監控，專業的定向耳蝸可以監控葉片由于發生問題而出現的音頻信號，使用嵌入式軟件對其進行分析，通過專業人員的分析研究，進行報警等工作，對葉片可能出現的問題進行實時的監控。這種職能葉片傳感器會讓工作人員在工作過程中出現的問題減少，更加適應一些工作環境比較復雜的區域。噪音檢測法在進行故障的監控以及分析研究的過程中起到很大的作用，不過其靈敏度不是很高，在進行一些微觀判斷的時候準確度較低。

3.5 其他靜態無損檢測方法

現在，對葉片進行靜態的檢測一般是采用超聲波檢測法、聲發射檢測法等等，不過采用這種檢測方法的時候沒有嚴格的標準。在進行超聲波檢測時，是因為葉片出現結構上的故障就會讓超聲波的傳播路徑出現問題。這種方式能夠對材料內部或者外部的問題進行監控，一般進行離線檢測，其使用的范圍比較大，得到的結果更加準確。要針對不同的問題使用不同的探頭，這就讓這種方法有了一定的局限性。

聲發射檢測方法就是通過分析葉片在出現故障的時候產生的應變波，對葉片的情況進行實時的監控。這種方式是非接觸的，能夠進行遠程的監控，不過這種方式的準確度比超聲波檢測法低，適合在精確度不高的時候使用。

紅外熱成像檢測法，是通過葉片的熱輻射成像對葉片的情況進行判斷，現在使用比較普遍的方法是主動式加熱方法，這種方法在葉片出現表面裂紋等問題時比較實用，如果是針對較厚的結構，在使用的時候就要進行進一步的分析研究。

4 結語

綜上所述，隨著社會的發展，對于風電機組的可靠性要求越來越高，要求能夠對其故障問題進行更加準確的監控。為了保證風電行業的不斷進步，有關部門要大力支持新能源機構，通過使用相關的云數據技術，對發電葉片的監控手段進行不斷的研究和創新，開發更加實用的在線監測系統。