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        基于光纖傳感技術(shù)的風(fēng)電葉片運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

        2018-09-29 02:59:04邢曉坡
        天津科技 2018年9期
        關(guān)鍵詞:測量系統(tǒng)

        邢曉坡

        (中科國風(fēng)科技有限公司 天津300456)

        1 對風(fēng)力發(fā)電葉片進(jìn)行運行狀態(tài)監(jiān)測的意義

        1.1 獲取實際承受載荷情況

        在葉片設(shè)計階段,葉片載荷狀況可以由空氣動力學(xué)模型計算得到,可通過葉片試驗和載荷特性反映出葉片設(shè)計強(qiáng)度是否滿足設(shè)計要求的理論值。在實際運行過程中,葉片受各種不確定性外界環(huán)境影響所承受的載荷值,與模型計算得出的理論值都會存在偏差,理論載荷是否準(zhǔn)確會直接影響到對葉片運行安全性的評估。通過收集葉片運行載荷數(shù)據(jù),可用于理論模型的評估和修正,提高葉片設(shè)計質(zhì)量和可靠性;同時也可將葉片運行載荷數(shù)據(jù)作為風(fēng)電機(jī)組控制策略的輸入,實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制水平的最優(yōu)化。

        1.2 及時發(fā)現(xiàn)葉片運行狀態(tài)的異常

        ①風(fēng)輪運行動平衡監(jiān)測,可以實時顯示三支葉片的動平衡數(shù)據(jù),測量偏航角度的改變、風(fēng)剪切和葉片局部質(zhì)量的增加對風(fēng)輪出力的影響,及時發(fā)現(xiàn)機(jī)組運行當(dāng)中超過最大安全載荷的情況,防止風(fēng)輪受到第二次損壞。②覆冰監(jiān)測,能夠發(fā)現(xiàn)覆冰并及時告知,避免覆冰后引起葉片局部較高的應(yīng)力水平,防止冰層脫落對風(fēng)輪造成破壞,覆冰消除后及時開機(jī)運轉(zhuǎn)。③葉片結(jié)構(gòu)破壞監(jiān)測,實時顯示出葉片結(jié)構(gòu)的變化如葉片后緣開裂或葉片動力特性的變化,防止葉片損壞區(qū)域擴(kuò)大化。

        2 光纖傳感技術(shù)的優(yōu)點

        在國內(nèi)葉片監(jiān)測系統(tǒng)的布置中常用的是電阻應(yīng)變片測試技術(shù),在實踐中應(yīng)變式傳感器暴露出很多缺點,如:輸出電壓信號容易受到周圍其他電磁設(shè)備的干擾,其信號線需要采取屏蔽措施;測量線路布置較為復(fù)雜,每一測量通道只能連接一個測量單元;使用壽命較短,在風(fēng)場進(jìn)行載荷監(jiān)測的電阻應(yīng)變片使用壽命一般不超過6個月。

        目前快速發(fā)展的光纖傳感監(jiān)測技術(shù)與傳統(tǒng)應(yīng)變片方法相比,具有其無可比擬的優(yōu)點:①抗電磁干擾能力強(qiáng)。由于光纖光柵對被測信息用波長編碼,不受光源功率波動和光纖彎曲等因素引起的系統(tǒng)損耗的影響。②使用安全,傳感器不會遭雷擊破壞。其他以電磁測量作為基礎(chǔ)的傳感器無論布置在葉片內(nèi)部還是外表面,都會增加葉片引雷風(fēng)險,造成傳感器和葉片的雷擊損壞。光纖光柵傳感器的布置在葉片上無需電磁感應(yīng)器件,提高了監(jiān)測系統(tǒng)和葉片的安全性。③體積小,重量輕。傳感頭結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小。裸光柵的直徑僅為 0.125mm,帶涂敷層的光纖光柵直徑為 0.25mm。單路光纖上制作多個光柵的能力可以對大型葉片結(jié)構(gòu)實現(xiàn)分布式測量,其測量點多、測量范圍大,每通道可以接數(shù)十個傳感器。使用光纖傳感器可以大幅減輕傳輸導(dǎo)線的重量,使附加到被測葉片上的重量更輕。④壽命長,可靠性高,耐腐蝕。光纖和葉片的主要材料——玻璃纖維的機(jī)械性能非常接近,故非常適合植入玻璃鋼復(fù)合材料之中進(jìn)行健康狀態(tài)監(jiān)測,試驗表明,目前廣泛采用的光纖布拉格光柵(簡稱 FBG)對應(yīng)變表現(xiàn)出很好的線性和重復(fù)性,測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,具有優(yōu)良的應(yīng)變傳感性能[1]。⑤傳輸距離可達(dá)上千米。光纖信號遠(yuǎn)距離傳輸衰減率極低,相對于應(yīng)變片,不需要進(jìn)行導(dǎo)線長度的補(bǔ)償,靈敏度和準(zhǔn)確度不受導(dǎo)線電阻影響。

        3 光纖監(jiān)測系統(tǒng)原理和功能

        3.1 產(chǎn)品功能

        光纖風(fēng)機(jī)葉片運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要由光纖傳感器(應(yīng)變和溫度)、傳輸光纖、解調(diào)儀表、數(shù)據(jù)傳輸模塊和監(jiān)測軟件組成,如圖 1所示。將光纖傳感器布置在葉片根部、主梁帽以及其他需要重點監(jiān)測的部位,傳感器將信號通過光纖傳輸至解調(diào)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采集到的信號通過專業(yè)軟件進(jìn)行分析判斷,以便操作人員能夠及時、準(zhǔn)確地掌握葉片運行狀態(tài)。

        系統(tǒng)對風(fēng)電葉片主要通過應(yīng)變的監(jiān)測來判斷葉片的負(fù)載、結(jié)構(gòu)失效等情況,對結(jié)構(gòu)的健康狀況加以判斷,并進(jìn)行預(yù)警。通過葉片在缺損和掛冰等異常情況的頻率響應(yīng)特性時域分析可快速判別葉片的損傷狀態(tài)[2]。

        圖1 光纖傳感葉片安全監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用示意圖Fig.1 Application of optical fiber sensor blade safety monitoring system

        3.2 測量原理

        光纖光柵是一種應(yīng)變(應(yīng)力)、溫度傳感器,目前廣泛采用的光纖布拉格光柵(簡稱 FBG)結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

        圖2 光纖布拉格光柵Fig.2 Fiber Bragg grating

        光纖布拉格光柵(FBG)的測量原理:將被測量的變化轉(zhuǎn)化為光纖光柵的應(yīng)變或溫度變化,從而引起光纖光柵中心波長的變化,光纖光柵中心波長的變化與被測量之間具有確定的數(shù)學(xué)關(guān)系,只要準(zhǔn)確測定波長的偏移量,就可以計算出 FBG所受應(yīng)變、溫度以及它們的變化量。這種測量方法思路簡單,操作方便,可靠性高。測量原理如圖3所示。

        圖3 光纖布拉格光柵測量原理Fig.3 Measuring principle of fiber Bragg grating

        系統(tǒng)中多個 FBG傳感器采用波分復(fù)用(WDM)網(wǎng)絡(luò)連接,所謂 WDM 是指數(shù)根不同中心波長的FBG串接成一根光纖,它們共用一個解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行解調(diào)[3]。波分復(fù)用的 FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)如圖4所示。

        圖4 波分復(fù)用的FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)Fig.4 FBG sensor network measurement system based on wavelength division multiplexing

        FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)由寬帶光源、信號傳輸線(光纖或光纜)、FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)、光纖耦合器及波長解調(diào)測量系統(tǒng)組成,寬帶光源將有一定帶寬的光通過光纖耦合器入射到光纖光柵中,由于光纖光柵的波長選擇性作用,符合條件的光被反射回來,再經(jīng)光纖耦合器送入解調(diào)裝置測出光纖光柵的反射波長變化。當(dāng)被測試件受振動作用或溫度發(fā)生改變時,光纖光柵自身的折射率或柵距發(fā)生變化,從而引起反射波長的變化。因此,通過檢測波長變化即可推導(dǎo)出被測試件溫度、應(yīng)變發(fā)生的變化。

        4 系統(tǒng)布置方案

        4.1 傳感器粘貼

        將光纖光柵應(yīng)變傳感器刻制在一根光纖上,最多可以刻制 20個,傳感器個數(shù)可以根據(jù)葉片長度及實際測試需求確定,傳感器的安裝方式有 3種方案:①光纜方式。光纖采用光纜保護(hù),光纖光柵傳感器處采用環(huán)氧樹脂膠粘貼于風(fēng)電葉片的表面,此種方式主要適用于合模成型后的葉片,且在試驗室內(nèi)部進(jìn)行的全尺寸葉片測試項目。②表埋方式。光纖的直徑與葉片材料中的纖維直徑相當(dāng),可以將光纖內(nèi)埋于復(fù)合材料表層,使風(fēng)電葉片成為智能結(jié)構(gòu)。但此種方式需要占用較長的葉片生產(chǎn)周期,且在葉片層鋪和灌注過程中需特別注意對光纖露出接頭的防護(hù)。③表貼方式。為使光纖對復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)性能影響達(dá)到最小,可以采用表埋方案,傳感器在葉片內(nèi)腔粘貼完畢后,使用一到兩層玻璃布手糊于葉片內(nèi)表面。目前監(jiān)測方案的實施一般采用這種固定方式。

        4.2 系統(tǒng)硬件布置

        光纖監(jiān)測系統(tǒng)在機(jī)組中的布置如圖5所示。葉根傳感器、主梁帽傳感器及其他位置傳感器由光纖連接至光纖光柵解調(diào)儀,解調(diào)儀固定在輪轂中適當(dāng)?shù)奈恢?,隨輪轂一起旋轉(zhuǎn)。解調(diào)儀要特別注意安裝牢固且避免與機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件碰撞和摩擦。解調(diào)儀的電源供應(yīng)通過輪轂中附帶的專用滑環(huán)來實現(xiàn)。從解調(diào)儀輸出應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)存貯傳輸單元目前采用兩種形式:一種為構(gòu)建無線局域網(wǎng)形式,在解調(diào)儀和數(shù)據(jù)存儲傳輸單元分別安裝無線傳輸和接收模塊,組建成點對點的通信網(wǎng)絡(luò)。到達(dá)數(shù)據(jù)存儲和傳輸單元的數(shù)據(jù)可通過其附帶的移動 SIM 物聯(lián)網(wǎng)卡,借助移動通信網(wǎng)絡(luò)實時傳輸?shù)浇壎ǖ氖謾C(jī) APP上。此種方式受限于安裝風(fēng)場的移動基站信號的質(zhì)量。另外一種方式通過滑環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)據(jù)跟隨機(jī)組控制和反饋信號直接傳輸?shù)斤L(fēng)場監(jiān)控系統(tǒng),但此種方式的實現(xiàn)基于滑環(huán)及其他傳輸節(jié)點在初裝時留有足夠的傳輸帶寬。

        圖5 系統(tǒng)硬件布置圖Fig.5 System hardware layout

        4.3 控制和分析軟件

        利用配套軟件,管理員除了通過此系統(tǒng)配置傳感器各類系數(shù)、系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)以及報警閾值,還可以查看歷史和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)了解風(fēng)機(jī)健康狀況,對整個系統(tǒng)進(jìn)行功能調(diào)整、用戶管理。

        本監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)對多風(fēng)場下多風(fēng)機(jī)的多性能指標(biāo)的實時數(shù)據(jù)測控,針對單個風(fēng)機(jī),可實時監(jiān)測并存儲3個葉片上多個傳感器的波長信號,通過相應(yīng)的計算公式換算成葉片應(yīng)變及載荷信號用以顯示。當(dāng)監(jiān)測信號發(fā)生異常時,本系統(tǒng)可以通過醒目的顏色以及警告框的形式提醒工作人員對問題風(fēng)機(jī)的相應(yīng)葉片進(jìn)行進(jìn)一步的檢查診斷。

        歷史數(shù)據(jù)用以輔助工作人員對風(fēng)機(jī)運行情況的故障分析、壽命預(yù)測等維護(hù)保修工作。歷史數(shù)據(jù)可以通過報表打印的形式導(dǎo)出,服務(wù)器保存的數(shù)據(jù)可以定期進(jìn)行備份導(dǎo)出,輔助調(diào)度工作人員制作流量等日常工作報表以及歷史分析報表。

        5 結(jié) 語

        綜上所述,光纖傳感器相對于應(yīng)變片來說,具有良好的電絕緣性、抗電磁干擾、高靈敏度、遠(yuǎn)距離監(jiān)控、高集成度等優(yōu)勢,因此光纖傳感器特別適用于高壓大電流、強(qiáng)磁場噪聲、強(qiáng)輻射等惡劣環(huán)境,能解決許多傳統(tǒng)傳感器無法解決的問題。國外對光纖傳感監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛,國內(nèi)雖有一些科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行過此方面的研究,但是監(jiān)測系統(tǒng)分析模型的準(zhǔn)確度和經(jīng)濟(jì)性尚存在較大提升空間。光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)可以滿足風(fēng)電運營安全對智能化葉片的要求,后續(xù)系統(tǒng)的深入開發(fā)具有很大的必要性和良好的市場應(yīng)用前景。

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