一種風力發電機組葉片巡檢設備的創新與應用

馬瑞陽，王 磊

（中鋁寧夏能源集團銀星能源股份有限公司，銀川 750000）

風力發電機組的葉片損壞多發生在盛風發電期間，當葉片發生失效事故特別是單片斷裂事故時，平衡旋轉狀態被破壞，發電機組瞬間劇烈振動，若機組保護失效或剎車裝置遲延動作，將對發電機組軸系及塔筒帶來嚴重危害，并可能導致整臺機組倒塌毀損。且斷裂葉片在機組制動之前，極有可能撞擊相鄰葉片或塔筒，造成事故損失擴大。葉片發生失效事故后，風電場必須進行停機檢修，這需要使用大型起重吊車，而吊車的出場及作業費用巨大，且需等待天氣處于小風、微風或無風的作業條件。既產生了高額維修費用，又因“棄風”喪失了發電良機，一臺葉片損壞失效造成的直接及間接經濟損失近百萬元。

1 風機組葉片巡檢的意義

風機葉片是風力發電中的核心部件，大約占據風機總成本的15%～20%，其設計的好壞將會直接關系到風機的性能和效益。風機葉片的制造對于材料提出了較高的要求，不僅需要要求其有較輕的重量，更需要讓其具備較高的抗壓強度和抗腐蝕性。因此現下的風機廠商都會要求采用較為廣泛的復合材料來制造風機葉片。風機葉片制造的材料也由原有的鋁合金發展成了現在的復合型材料。常見的風機葉片會由增強性的纖維樹脂、鋁合金和鋼材等不同類型的材料構成。

常規風機葉片巡檢的意義包括如下幾點要求：第一，我國多數風機發電機的機型非常復雜，很多廠家并沒有采用規范的方式進行生產，導致風機的葉片從開始使用時就出現了不合規矩的現象，因此對風機葉片的巡檢和維護顯得尤為重要；第二，雖然我國的風力資源非常豐富，但是我國很多地區的氣候條件也非常落后，所以也就對風機的質量提出了更高的要求，如果沒有對風機葉片的質量進行巡檢自然就會影響風機的運轉；第三，雖然我國使用風機已經有了一段的時間，但是我國風機發電的發展非常緩慢，與風機有關的技術還不夠健全，所以需要定期對風機葉片進行巡檢和維護；第四，風機的葉片很容易在使用的過程中出現內部缺膠、內部脫膠和其他不同類型的問題，會嚴重影響使用壽命和設備的運行。因此基于以上幾點檢查要求只有對風機檢測的部位進行檢查和跟蹤才能夠保證風機更好地運行。

2 風機組葉片巡檢的內容

風機組葉片巡檢的內容包括如下幾點，第一，根據現場與葉片相關的實際數量來直接進行調試；第二，直接借助各類數據來直接開始采集，以便標出葉片中存在缺陷的主要位置，等到判斷好結果之后再出報告；第三，借助譜尼測試的方式進行檢測。這樣一種檢測可以解決如下幾點問題，第一，可以在檢測中調節自身的角度，并直接檢測到傳統UT檢測無法達到的檢測位置；第二，直接針對不同的晶片聲束進行聚焦、偏轉和掃描；第三，可以選擇真正合適的角度來生成被檢測的角度和映射的圖像；第四，讓被檢測的葉片內部都可以保存1條新的數據，并配合專業的軟件來對比編碼器記錄的數據，這樣才能夠更好地提升檢測的效率。

3 常規的風機組葉片巡檢中存在的問題和缺陷

在針對風機葉片進行巡檢和維護時會存在如下幾點問題：第一，很多檢修人員并不重視風機葉片的巡檢和維護，即便風機在使用一段時間之后葉片出現了新的問題也不會直接進行巡檢，也正是因為沒有加大巡檢的力度所以很難發現新的問題；第二，沒有辦法及時跟蹤和統計風機葉片專用的壽命，所以無法對葉片使用的過程直接進行監測；第三，不少生產風機的廠家對于風機葉片需要巡檢的內容和巡檢的周期都沒有明確規定，針對有關內容也沒有進行深入研究；第四，有些風機的型號非常新穎，所以葉片的型號也非常新穎，如果沒有掌握合適的資料自然無法更好地實現風機葉片的巡檢，甚至也不知道如何去保養和維修那些較為新穎的葉片；第五，不少維修人員自身的水平較低，即便風機的葉片出現了問題也無法掌握正確的維修方式。目前國內外風電行業主要采用傳統的方法來檢修葉片，其中，第一種是根據不同廠家內部的機型來編寫與風機狀態有關的檢查方案，并明確檢查周期，通常會采用長焦鏡頭無人機進行拍攝檢查，然后再針對每一臺不同的風機設立不同類型的風機狀態監測臺賬和監測軟件，并通過掌握每一臺風機的運行狀態來判斷風機的故障，并采用合適的檢修方式；第二種是使用“蜘蛛人”由檢修人員空中目視、敲擊檢查，無法快速準確確定潛在內部損傷，且巡檢存在“死角”，準確性也有待提高，人員工作危險性較大；第三種是有效地根據廠家所提供的指導書來進行維修，并確定指導書中的內容是否符合當前風機葉片的標準，如果確實發現維修的內容存在任何問題再直接增加；第四種是對維修風機葉片的員工定期進行培訓，增加維修風機葉片的員工的知識量，并從各大角度入手來保證其質量。

4 創新發明風力發電機組葉片巡檢設備的目的

風力發電已成為我國僅次水電的第二大清潔可再生能源，葉片本身生產、采購成本在整機的占比中超過20%，所以說其是機組里面相當重要的一個部件，葉片巡視與檢查是必須直面的問題，數據顯示，葉片失效導致的發電量損失占比達40%以上，且處理難度極高。風力發電機組葉片是世界上最大的單件式復合結構，其長達20年的服務期限，在其一生要經歷數十億次負載循環時會遭受閃電、冰雹及雨水等極端天氣和其他力的作用，葉片會像其他系統一樣磨損并可能導致災難性后果，因此葉片例行檢查和維修對于保持機組葉片健康穩定運行至關重要，但目前的檢查方法僅靠人力外部觀察或委托專業人士進入葉片內巡檢，無法快速準確確定潛在內部損傷。創新發明并應用“葉片內部巡檢設備”技術使用無創傷的手段檢測風電機組葉片內部是否存在危及機組正常健康運轉的損傷。其目的是針對風力發電機組葉片巡視檢查的必要性及其他外觀檢查方式的劣勢，為避免工人高危險作業，開發基于智能技術的風力發電機組巡檢設備成為了發展的必然趨勢，為解決現有巡檢技術難點、痛點，對于葉片裂紋和損傷的檢測并結合實際工況及需求實現智能檢測技術，與新能源發電行業融合提出了《風電機組葉片內部巡檢設備》的解決方案。

5 風力發電機組葉片巡檢設備技術方案及創新要點

風力發電機組葉片巡檢設備，如圖1所示，其長20 cm，寬15 cm，高15 cm，動力部分使用了直徑10 cm的麥克納姆輪，輪面弧度18～20°，固定支架角度130°，主要支撐及運動部件；采用雙自由度云臺，其尺寸為長8 cm，寬8 cm，高10 cm，設備創新應用白光、紅外攝像普查，焦段3.1 mm、120°雙場景組合式取景攝像頭，紅外波段940 mm，視距5 m，超聲波檢測，TOF（Time Of Flight，其參數供電電壓為5 V；傳感器類型為TOFC MOS+RGBsensor；TOE分辨率為240×180，幀率為30 FPS，視場角為72°；RGB分辨率為640×480，幀率為30 FPS，視場角為89°；波長為940 nm；調制頻率為75 MHz；測量距離最小值為0.3 m，最大值為2 m；精確度為1～1 000 mm）深度建模分析等無創傷的手段檢測風電葉片外部巡檢不能發現的損傷，同時可通過遠程視頻方式獲取專家指導提升檢測的速度及精確性，針對風力發電機組葉片巡視檢查的必要性及其他外觀檢查方式的劣勢，避免工人高危險作業。該設備的使用方法和工作原理是：通過自主設計、國內首創技術應用，使用“葉片內部巡檢設備”藍牙（WIFI遙控進入風機葉片內部檢測葉片有無損傷，通過白光、紅外攝像普查無線視頻傳輸進行拍照錄像，保留原始資料進行多方研討，同時對可能存在裂紋的區域進一步采用超聲波檢測技術檢測該區域內部構造損傷狀況，在探傷過程中利用TOF（Time Of Flight）深度建模技術對裂紋區域進行建模留檔分析（可規避光線漫反射造成的干擾），建立葉片全壽命管理資料庫，可節約檢測費用投入，該設備可對葉片內部70%～80%空間區域進行巡視檢查，同時采用遠程視頻指導方式獲取專家分析提升檢測的速度及精確性，從而有效保障風機葉片安全運行的可靠性。

圖1 一種風力發電機組葉片巡檢設備

6 風力發電機組葉片巡檢設備技術應用

為克服現有技術無法精準地檢測風電葉片的內部損傷的問題，該設備設計采用麥輪小車為平臺，包括損傷探測系統，包括自主研發視頻攝像模塊，紅外監測模塊，無線圖傳模塊，拍攝葉片表面同時使其具備紅外檢測及圖傳功能;超聲波檢測模塊，檢測葉片內部損傷。運動控制系統，包括運動及控制組件，使設備能夠無障礙穿越葉片內部;云臺組件控制攝像頭組件與超聲探頭360°全向運動;無線點對點數據傳輸系統，設備的圖像信息通過無線與終端機實時通訊；TOF深度攝像頭為葉片內部建模提供了技術支持同時也為葉片的全壽命管理提供了可靠的技術支持及依據，通過損傷探測系統和運動控制系統能夠使得檢測設備能夠更加精確地檢測風電機組葉片內部的損傷，提高檢測效率，保證安全，降低成本。

6.1 巡檢設備技術的應用

葉片巡檢設備目前已完成相關技術儲備及技術的再創新：①圖像采集方面，葉片內部巡檢設備采用先進的圖像采集設備，集成普通、紅外雙功能攝像頭達到集成化目的，提高了設備空間利用率；②數據傳輸方面，葉片內部巡檢設備試驗機采用3種無線傳輸方式（藍牙4.0、WiFi2.4 G、SX遠程射頻傳輸）；③運動控制方面，創新性地使用麥克納姆輪作為葉片巡檢設備支撐及傳動牽引力的組件，實現小車全向行駛的功能；④控制模塊方面，由于專利、功耗，以及成本的原因采用開源的Arduino控制板作為小車控制的核心替換了樹莓派作為控制核心的模塊。

6.2 巡檢設備解決常規方案的缺陷

使用巡檢設備技術對風電機組葉片進行巡檢，有效解決了依靠人力外部觀察或委托專業人士進入葉片內巡檢存生的安全問題：人工登機造成無效停機時間增長且檢查范圍有限；運維要求每季度葉片巡檢至少1次，工作量龐大；并且原始方式無法很快確定潛在內部損傷；同時巡檢人員進入葉片內部檢查，人員工作危險性較大。另外，無人機及其他外爬式巡檢易受天氣條件影響且穩定性、可靠性差，和望遠鏡一樣，只能檢查表面而無法判斷內部缺陷情況，現有方法均無法快速準確確定葉片潛在內部損傷，這對風電機組可靠運行和爭取最大有效利用時間造成了非常大的影響，采用巡檢設備技術之后，這些問題都得以解決。

7 巡檢設備技術市場分析

葉片內部巡檢設備開創了風電機組葉片內部智能設備巡檢的先河，為即將在2023年突破300億元的風力發電行業貢獻了相當重要的安全力量，同時也為葉片智能運維開辟了新的技術路線，為新能源風電產業智慧運維提供了新的解決方案。

7.1 項目可行性分析

目前該項目已完成技術樣機下線，并通過實際現場工況測試，各項技術指標已完成驗證完全達到技術預期。生產資料及各項參數優化已完成，完成全產業鏈優化的同時優化實體框架加工工藝，具備完全自主設計、完整資料的優勢。

7.2 需求預測及分析

7.2.1 市場定位及分析

葉片內部巡檢設備針對新能源風力發電行業葉片巡檢需求設計，據相關數據，截至2020年國內有11萬臺風機出質保，出質保業主運維，葉片保養檢查都會是相當大的技術難點、痛點，如何讓葉片完成20年的服役期，甚至更長時間，是很重要的一個問題，且市場規模非常大。該項目同時也為葉片智能運維開辟了新的技術路線，為新能源風電產業智慧運維提供了新的解決方案，是完全為了解決特定問題而產生的專業技術方案。

7.2.2 市場前景

預計2023年新能源風力發電相關產業會突破300億元的規模，葉片檢查維護存量市場是一個規模很大的藍海市場，風電機組葉片巡檢是必經之路也是必由之路。

7.3 直接收益

風機葉片內部巡檢業務一般委托外部專業機構進行，市場價格單支葉片巡檢1次1 000元。以1座裝機20萬kW風電場為例，100臺風機，300支葉片，全部巡檢1次需要投入約30萬元，故如投入設備巡檢100臺風機可節約費用20～30萬元；提前發現葉片存在的損傷減少葉片缺陷帶來的繼發性危害及其帶來的資產損失，其中發現1只葉片便可減少損失約50萬元以上。

7.4 間接收益

減少因葉片相關問題帶來的停機電量損失（以1座裝機20萬kW風電場為例，葉片巡檢為每季度至少巡檢1次，葉片內部巡檢設備巡檢方式替換人工可單次節省25～60萬元（視風資源情況），其中不包含因葉片故障造成的電量損失）；設備巡檢替換人工巡檢利用智能化手段減少人員數量，保證本質安全。

8 結束語

綜上所述，風機葉片是風力發電機組的主要部件，在運行過程中，要經常對其進行巡檢，傳統的方法存在巡檢安全及費用大的問題，就其問題，中鋁寧夏能源集團銀星能源股份有限公司對其創新發明了風力發電機組葉片巡檢設備，屬行業內首創實際運用的“風電機組葉片內部巡檢設備”與傳統巡檢方式結合的方式提供針對風電機組葉片全方位外觀、結構探傷檢測的技術支持，能夠為行業內葉片巡檢的難點、痛點提供更有效的解決方案，同時，對風電機組葉片能夠提供高精準、全方位的葉片健康情況評估，能夠提前預警在保障安全可控的要求下降低葉片故障率，保障發電量，避免葉片服役周期內出現重大事故。