【技術(shù)領(lǐng)域】

新能源

【研究背景】

在碳達(dá)峰碳中和的“雙碳”背景之下，風(fēng)電作為綠色清潔能源之一正在全世界迅猛發(fā)展。葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)長期在高山、沙漠、海洋等氣候條件惡劣的地方工作，在重載荷，大扭矩以及鹽霧侵蝕下，導(dǎo)致葉片出現(xiàn)裂紋、砂眼、腐蝕孔、開裂等缺陷，如果不能及時發(fā)現(xiàn)和維修，隨著裂紋和腐蝕孔的擴(kuò)大將會導(dǎo)致葉片斷裂，給風(fēng)場帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和安全問題。如何保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組長年安全、正常運(yùn)行是風(fēng)電發(fā)展的一個極具挑戰(zhàn)性的問題。因此，為了能夠盡早地發(fā)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的故障，以便根據(jù)實際狀況有計劃的實施維修，避免由于突發(fā)事故導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失、安全威脅、社會影響，進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片遠(yuǎn)程在線實時智能健康監(jiān)測具有十分重要的現(xiàn)實意義和廣闊的應(yīng)用前景。 

【成果介紹】

本系統(tǒng)能對風(fēng)力發(fā)電場的風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行分布式遠(yuǎn)程在線智能健康監(jiān)測，系統(tǒng)組成如圖1所示，該系統(tǒng)包括戶外麥克風(fēng)、信號采集與通信單元、光網(wǎng)絡(luò)和風(fēng)場監(jiān)控中心服務(wù)器等。戶外麥克風(fēng)以非接觸的方式采集風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)行時產(chǎn)生的聲信號，并傳送給數(shù)據(jù)采集與通信單元，由通信單元將采集的信號通過網(wǎng)絡(luò)上傳至監(jiān)控中心服務(wù)器，服務(wù)器包括接收端通信單元、信號處理與特征提取模塊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和用戶交互應(yīng)用軟件，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對風(fēng)機(jī)葉片的健康狀態(tài)進(jìn)行判斷，對缺陷進(jìn)行分類，并發(fā)出報警。服務(wù)器交互應(yīng)用軟件能給用戶提供友好的交互界面，用戶可以通過PC機(jī)和手機(jī)遠(yuǎn)程登錄服務(wù)器，實時查看聲音監(jiān)測信息，如時域圖、頻域圖、時頻域圖等，也可以聽取原始聲信號，獲得授權(quán)的工作人員可以對給出的故障信號進(jìn)行再一次確認(rèn)，并給出標(biāo)注，還可以調(diào)取其歷史記錄，幫助用戶分析。該系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)程實時非接觸監(jiān)測各風(fēng)機(jī)葉片的健康狀態(tài)并及時反饋給用戶，有效解決了檢測設(shè)備不易安裝維護(hù)、無法遠(yuǎn)程在線監(jiān)測、實時性差等技術(shù)問題。

【技術(shù)優(yōu)勢】

最新裝機(jī)的風(fēng)電機(jī)組一般都在1兆瓦以上，葉片直徑可達(dá)七八十米甚至上百米。對于旋轉(zhuǎn)設(shè)備的缺陷檢測來說，傳統(tǒng)的方法多為接觸式檢測法，存在傳感器安裝困難，檢測范圍有限等技術(shù)障礙，本成果開發(fā)的基于聲學(xué)特征的風(fēng)機(jī)葉片遠(yuǎn)程在線智能健康監(jiān)測系統(tǒng)具有成本低、非接觸、測量范圍大、安裝方便等優(yōu)點。

無論對于陸地風(fēng)機(jī)或海洋風(fēng)機(jī)來說，要像對通常的設(shè)備那樣進(jìn)行日常的維護(hù)幾乎是不可能，每個風(fēng)場都由許多分散的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組組成，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)均工作在荒山、沙漠或海洋上，為了能夠有效地對所有機(jī)組進(jìn)行監(jiān)測，就需要有能夠?qū)Ψ稚⒌娘L(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行統(tǒng)一有效監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)及服務(wù)器系統(tǒng)，本系統(tǒng)可實現(xiàn)分布式遠(yuǎn)程實時智能監(jiān)測，提供了友好的人機(jī)交互功能，能夠?qū)⑷~片健康狀態(tài)直觀地呈現(xiàn)給用戶，從而在葉片出現(xiàn)故障時及時預(yù)警，便于用戶采取相應(yīng)的措施，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行。

【市場前景】

目前全球范圍內(nèi)發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的國家高達(dá)90多個，其中尤以中國、美國、印度、西班牙和瑞典為主，總計占全球７３％的份額。近年來，中國后來者居上已逐步取代美國成為具備世界最大規(guī)模的風(fēng)電市場，我國風(fēng)電累計裝機(jī)容量突飛猛進(jìn)，從無到有，現(xiàn)已占全球累計裝機(jī)容量的百分之三十多，實現(xiàn)了從追趕到引領(lǐng)的偉大歷史跨越。2022年1月26日，國家能源局發(fā)布2021年全國電力工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。 截至2021年12月底，風(fēng)電裝機(jī)容量約3.3億千瓦，同比增長16.6%。同時，2021年海上風(fēng)電異軍突起，全年新增裝機(jī)1690萬千瓦，是此前累計建成總規(guī)模的1.8倍，目前累計裝機(jī)規(guī)模達(dá)到2638萬千瓦，躍居世界第一。

安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片遠(yuǎn)程在線智能健康監(jiān)測系統(tǒng)后，能夠及時發(fā)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的故障，防止故障繼續(xù)擴(kuò)大，如任由故障發(fā)展，可能導(dǎo)致葉片報廢，甚至發(fā)生機(jī)組倒塌，單臺更換整套葉片成本約爲(wèi)210萬，葉片運(yùn)輸費(fèi)30萬，吊裝費(fèi)30萬，直接經(jīng)濟(jì)損失270萬，如果發(fā)生機(jī)組倒塌，直接經(jīng)濟(jì)損失500萬。如果某公司運(yùn)行風(fēng)機(jī)為5萬臺，估算每年有10%的機(jī)組進(jìn)行葉片更換，每年直接經(jīng)濟(jì)損失將減少40.5億元。

因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片遠(yuǎn)程在線智能健康監(jiān)測系統(tǒng)具有廣闊的市場前景。