一種風(fēng)力發(fā)電機組葉片巡檢設(shè)備的創(chuàng)新與應(yīng)用

馬瑞陽，王 磊

（中鋁寧夏能源集團(tuán)銀星能源股份有限公司，銀川 750000）

風(fēng)力發(fā)電機組的葉片損壞多發(fā)生在盛風(fēng)發(fā)電期間，當(dāng)葉片發(fā)生失效事故特別是單片斷裂事故時，平衡旋轉(zhuǎn)狀態(tài)被破壞，發(fā)電機組瞬間劇烈振動，若機組保護(hù)失效或剎車裝置遲延動作，將對發(fā)電機組軸系及塔筒帶來嚴(yán)重危害，并可能導(dǎo)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(fā)生失效事故后，風(fēng)電場必須進(jìn)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(yè)費用巨大，且需等待天氣處于小風(fēng)、微風(fēng)或無風(fēng)的作業(yè)條件。既產(chǎn)生了高額維修費用，又因“棄風(fēng)”喪失了發(fā)電良機，一臺葉片損壞失效造成的直接及間接經(jīng)濟損失近百萬元。

1 風(fēng)機組葉片巡檢的意義

風(fēng)機葉片是風(fēng)力發(fā)電中的核心部件，大約占據(jù)風(fēng)機總成本的15%～20%，其設(shè)計的好壞將會直接關(guān)系到風(fēng)機的性能和效益。風(fēng)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(xiàn)下的風(fēng)機廠商都會要求采用較為廣泛的復(fù)合材料來制造風(fēng)機葉片。風(fēng)機葉片制造的材料也由原有的鋁合金發(fā)展成了現(xiàn)在的復(fù)合型材料。常見的風(fēng)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(gòu)成。

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

2 風(fēng)機組葉片巡檢的內(nèi)容

風(fēng)機組葉片巡檢的內(nèi)容包括如下幾點，第一，根據(jù)現(xiàn)場與葉片相關(guān)的實際數(shù)量來直接進(jìn)行調(diào)試；第二，直接借助各類數(shù)據(jù)來直接開始采集，以便標(biāo)出葉片中存在缺陷的主要位置，等到判斷好結(jié)果之后再出報告；第三，借助譜尼測試的方式進(jìn)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(diào)節(jié)自身的角度，并直接檢測到傳統(tǒng)UT檢測無法達(dá)到的檢測位置；第二，直接針對不同的晶片聲束進(jìn)行聚焦、偏轉(zhuǎn)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(nèi)部都可以保存1條新的數(shù)據(jù)，并配合專業(yè)的軟件來對比編碼器記錄的數(shù)據(jù)，這樣才能夠更好地提升檢測的效率。

3 常規(guī)的風(fēng)機組葉片巡檢中存在的問題和缺陷

在針對風(fēng)機葉片進(jìn)行巡檢和維護(hù)時會存在如下幾點問題：第一，很多檢修人員并不重視風(fēng)機葉片的巡檢和維護(hù)，即便風(fēng)機在使用一段時間之后葉片出現(xiàn)了新的問題也不會直接進(jìn)行巡檢，也正是因為沒有加大巡檢的力度所以很難發(fā)現(xiàn)新的問題；第二，沒有辦法及時跟蹤和統(tǒng)計風(fēng)機葉片專用的壽命，所以無法對葉片使用的過程直接進(jìn)行監(jiān)測；第三，不少生產(chǎn)風(fēng)機的廠家對于風(fēng)機葉片需要巡檢的內(nèi)容和巡檢的周期都沒有明確規(guī)定，針對有關(guān)內(nèi)容也沒有進(jìn)行深入研究；第四，有些風(fēng)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(xiàn)風(fēng)機葉片的巡檢，甚至也不知道如何去保養(yǎng)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(fēng)機的葉片出現(xiàn)了問題也無法掌握正確的維修方式。目前國內(nèi)外風(fēng)電行業(yè)主要采用傳統(tǒng)的方法來檢修葉片，其中，第一種是根據(jù)不同廠家內(nèi)部的機型來編寫與風(fēng)機狀態(tài)有關(guān)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(jìn)行拍攝檢查，然后再針對每一臺不同的風(fēng)機設(shè)立不同類型的風(fēng)機狀態(tài)監(jiān)測臺賬和監(jiān)測軟件，并通過掌握每一臺風(fēng)機的運行狀態(tài)來判斷風(fēng)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(zhǔn)確確定潛在內(nèi)部損傷，且巡檢存在“死角”，準(zhǔn)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(jù)廠家所提供的指導(dǎo)書來進(jìn)行維修，并確定指導(dǎo)書中的內(nèi)容是否符合當(dāng)前風(fēng)機葉片的標(biāo)準(zhǔn)，如果確實發(fā)現(xiàn)維修的內(nèi)容存在任何問題再直接增加；第四種是對維修風(fēng)機葉片的員工定期進(jìn)行培訓(xùn)，增加維修風(fēng)機葉片的員工的知識量，并從各大角度入手來保證其質(zhì)量。

4 創(chuàng)新發(fā)明風(fēng)力發(fā)電機組葉片巡檢設(shè)備的目的

風(fēng)力發(fā)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(chǎn)、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(dāng)重要的一個部件，葉片巡視與檢查是必須直面的問題，數(shù)據(jù)顯示，葉片失效導(dǎo)致的發(fā)電量損失占比達(dá)40%以上，且處理難度極高。風(fēng)力發(fā)電機組葉片是世界上最大的單件式復(fù)合結(jié)構(gòu)，其長達(dá)20年的服務(wù)期限，在其一生要經(jīng)歷數(shù)十億次負(fù)載循環(huán)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(tǒng)一樣磨損并可能導(dǎo)致災(zāi)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(wěn)定運行至關(guān)重要，但目前的檢查方法僅靠人力外部觀察或委托專業(yè)人士進(jìn)入葉片內(nèi)巡檢，無法快速準(zhǔn)確確定潛在內(nèi)部損傷。創(chuàng)新發(fā)明并應(yīng)用“葉片內(nèi)部巡檢設(shè)備”技術(shù)使用無創(chuàng)傷的手段檢測風(fēng)電機組葉片內(nèi)部是否存在危及機組正常健康運轉(zhuǎn)的損傷。其目的是針對風(fēng)力發(fā)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(yè)，開發(fā)基于智能技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機組巡檢設(shè)備成為了發(fā)展的必然趨勢，為解決現(xiàn)有巡檢技術(shù)難點、痛點，對于葉片裂紋和損傷的檢測并結(jié)合實際工況及需求實現(xiàn)智能檢測技術(shù)，與新能源發(fā)電行業(yè)融合提出了《風(fēng)電機組葉片內(nèi)部巡檢設(shè)備》的解決方案。

5 風(fēng)力發(fā)電機組葉片巡檢設(shè)備技術(shù)方案及創(chuàng)新要點

風(fēng)力發(fā)電機組葉片巡檢設(shè)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(shè)備創(chuàng)新應(yīng)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(shù)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(diào)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(chuàng)傷的手段檢測風(fēng)電葉片外部巡檢不能發(fā)現(xiàn)的損傷，同時可通過遠(yuǎn)程視頻方式獲取專家指導(dǎo)提升檢測的速度及精確性，針對風(fēng)力發(fā)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(yè)。該設(shè)備的使用方法和工作原理是：通過自主設(shè)計、國內(nèi)首創(chuàng)技術(shù)應(yīng)用，使用“葉片內(nèi)部巡檢設(shè)備”藍(lán)牙（WIFI遙控進(jìn)入風(fēng)機葉片內(nèi)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(jìn)行拍照錄像，保留原始資料進(jìn)行多方研討，同時對可能存在裂紋的區(qū)域進(jìn)一步采用超聲波檢測技術(shù)檢測該區(qū)域內(nèi)部構(gòu)造損傷狀況，在探傷過程中利用TOF（Time Of Flight）深度建模技術(shù)對裂紋區(qū)域進(jìn)行建模留檔分析（可規(guī)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(jié)約檢測費用投入，該設(shè)備可對葉片內(nèi)部70%～80%空間區(qū)域進(jìn)行巡視檢查，同時采用遠(yuǎn)程視頻指導(dǎo)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(fēng)機葉片安全運行的可靠性。

圖1 一種風(fēng)力發(fā)電機組葉片巡檢設(shè)備

6 風(fēng)力發(fā)電機組葉片巡檢設(shè)備技術(shù)應(yīng)用

為克服現(xiàn)有技術(shù)無法精準(zhǔn)地檢測風(fēng)電葉片的內(nèi)部損傷的問題，該設(shè)備設(shè)計采用麥輪小車為平臺，包括損傷探測系統(tǒng)，包括自主研發(fā)視頻攝像模塊，紅外監(jiān)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(nèi)部損傷。運動控制系統(tǒng)，包括運動及控制組件，使設(shè)備能夠無障礙穿越葉片內(nèi)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(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，設(shè)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(nèi)部建模提供了技術(shù)支持同時也為葉片的全壽命管理提供了可靠的技術(shù)支持及依據(jù)，通過損傷探測系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)能夠使得檢測設(shè)備能夠更加精確地檢測風(fēng)電機組葉片內(nèi)部的損傷，提高檢測效率，保證安全，降低成本。

6.1 巡檢設(shè)備技術(shù)的應(yīng)用

葉片巡檢設(shè)備目前已完成相關(guān)技術(shù)儲備及技術(shù)的再創(chuàng)新：①圖像采集方面，葉片內(nèi)部巡檢設(shè)備采用先進(jìn)的圖像采集設(shè)備，集成普通、紅外雙功能攝像頭達(dá)到集成化目的，提高了設(shè)備空間利用率；②數(shù)據(jù)傳輸方面，葉片內(nèi)部巡檢設(shè)備試驗機采用3種無線傳輸方式（藍(lán)牙4.0、WiFi2.4 G、SX遠(yuǎn)程射頻傳輸）；③運動控制方面，創(chuàng)新性地使用麥克納姆輪作為葉片巡檢設(shè)備支撐及傳動牽引力的組件，實現(xiàn)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(shè)備解決常規(guī)方案的缺陷

使用巡檢設(shè)備技術(shù)對風(fēng)電機組葉片進(jìn)行巡檢，有效解決了依靠人力外部觀察或委托專業(yè)人士進(jìn)入葉片內(nèi)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(nèi)部損傷；同時巡檢人員進(jìn)入葉片內(nèi)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(wěn)定性、可靠性差，和望遠(yuǎn)鏡一樣，只能檢查表面而無法判斷內(nèi)部缺陷情況，現(xiàn)有方法均無法快速準(zhǔn)確確定葉片潛在內(nèi)部損傷，這對風(fēng)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(shè)備技術(shù)之后，這些問題都得以解決。

7 巡檢設(shè)備技術(shù)市場分析

葉片內(nèi)部巡檢設(shè)備開創(chuàng)了風(fēng)電機組葉片內(nèi)部智能設(shè)備巡檢的先河，為即將在2023年突破300億元的風(fēng)力發(fā)電行業(yè)貢獻(xiàn)了相當(dāng)重要的安全力量，同時也為葉片智能運維開辟了新的技術(shù)路線，為新能源風(fēng)電產(chǎn)業(yè)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(shù)樣機下線，并通過實際現(xiàn)場工況測試，各項技術(shù)指標(biāo)已完成驗證完全達(dá)到技術(shù)預(yù)期。生產(chǎn)資料及各項參數(shù)優(yōu)化已完成，完成全產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)化的同時優(yōu)化實體框架加工工藝，具備完全自主設(shè)計、完整資料的優(yōu)勢。

7.2 需求預(yù)測及分析

7.2.1 市場定位及分析

葉片內(nèi)部巡檢設(shè)備針對新能源風(fēng)力發(fā)電行業(yè)葉片巡檢需求設(shè)計，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，截至2020年國內(nèi)有11萬臺風(fēng)機出質(zhì)保，出質(zhì)保業(yè)主運維，葉片保養(yǎng)檢查都會是相當(dāng)大的技術(shù)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(guī)模非常大。該項目同時也為葉片智能運維開辟了新的技術(shù)路線，為新能源風(fēng)電產(chǎn)業(yè)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(chǎn)生的專業(yè)技術(shù)方案。

7.2.2 市場前景

預(yù)計2023年新能源風(fēng)力發(fā)電相關(guān)產(chǎn)業(yè)會突破300億元的規(guī)模，葉片檢查維護(hù)存量市場是一個規(guī)模很大的藍(lán)海市場，風(fēng)電機組葉片巡檢是必經(jīng)之路也是必由之路。

7.3 直接收益

風(fēng)機葉片內(nèi)部巡檢業(yè)務(wù)一般委托外部專業(yè)機構(gòu)進(jìn)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(fēng)電場為例，100臺風(fēng)機，300支葉片，全部巡檢1次需要投入約30萬元，故如投入設(shè)備巡檢100臺風(fēng)機可節(jié)約費用20～30萬元；提前發(fā)現(xiàn)葉片存在的損傷減少葉片缺陷帶來的繼發(fā)性危害及其帶來的資產(chǎn)損失，其中發(fā)現(xiàn)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(guān)問題帶來的停機電量損失（以1座裝機20萬kW風(fēng)電場為例，葉片巡檢為每季度至少巡檢1次，葉片內(nèi)部巡檢設(shè)備巡檢方式替換人工可單次節(jié)省25～60萬元（視風(fēng)資源情況），其中不包含因葉片故障造成的電量損失）；設(shè)備巡檢替換人工巡檢利用智能化手段減少人員數(shù)量，保證本質(zhì)安全。

8 結(jié)束語

綜上所述，風(fēng)機葉片是風(fēng)力發(fā)電機組的主要部件，在運行過程中，要經(jīng)常對其進(jìn)行巡檢，傳統(tǒng)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(tuán)銀星能源股份有限公司對其創(chuàng)新發(fā)明了風(fēng)力發(fā)電機組葉片巡檢設(shè)備，屬行業(yè)內(nèi)首創(chuàng)實際運用的“風(fēng)電機組葉片內(nèi)部巡檢設(shè)備”與傳統(tǒng)巡檢方式結(jié)合的方式提供針對風(fēng)電機組葉片全方位外觀、結(jié)構(gòu)探傷檢測的技術(shù)支持，能夠為行業(yè)內(nèi)葉片巡檢的難點、痛點提供更有效的解決方案，同時，對風(fēng)電機組葉片能夠提供高精準(zhǔn)、全方位的葉片健康情況評估，能夠提前預(yù)警在保障安全可控的要求下降低葉片故障率，保障發(fā)電量，避免葉片服役周期內(nèi)出現(xiàn)重大事故。