风电场建设与运维——北京国际风能大会展中报道

主持人：谢谢曾总的报告。下面有请博世力士中国，风能服务业务高级经理王宏智先生做报告，报告的题目是“转子叶片的状态监测——损伤、结冰、过载”。

王宏智：大家下午好!我是来自博世力士的王宏智。今天报告的题目是““转子叶片的状态监测——损伤、结冰、过载”，从四个方面讲：

一、损伤探测基本知识;二、叶片监测系统产品介绍;三、结冰产品功能介绍;四、结论和展望。

一、风机叶片状态监测系统。叶片在风机里是一个受载荷最大，也是最复杂的最容易出问题的，一旦叶片出问题以后它的更换非常昂贵，一般来说叶片更换它的问题出现是从一个很细小的问题逐渐扩展到非常严重的问题。我们如何能在它刚出现问题的时候，出现微小问题的时候，能够发现这个问题?这时候我们所要采取的维修维护措施也是最简单成本最低的，这就是为什么要进行风机叶片监测的原因之一。

另外风机状态监测里面，一般来讲现在很多风电场监测方式很普通，就是用肉眼监测。我去过国内很多风电场，国内监测方式现在是比较普通的，就是用肉眼，好一点可能用一些高倍放片看有没有出问题。现在的这种方式有一个最致命的缺点，它是一个间断性的监测，这个监测不是持续的，间断性监测里面，问题有可能发生很严重了以后才能发现，而不是说问题刚一出现就发现了。

另外，对于海上风机，可能最普通的方式都无法应用。因为海上风机远离海岸，这时候不能做到人工监测，这时候必须要有一套很好的监测手段，监测风机叶片。

还有就是在风机叶片监测利用还有几个需要持续性的反应。比如当风机结冰，或者说发生雷击以后，或者风机风非常强的情况下，要及时发现叶片是不是过载?这都需要持续性的监测手段。所以综上所述，我们对于风机叶片监测非常有必要，而且必须是要有持续性的监测手段。

叶片损伤的风险：叶片损伤扩大会造成维修费用的增长，叶片结构损伤会造成对塔筒的冲击，叶片损伤严重情况下，叶片断裂或者是它有严重的叶片剥离现象会造成对塔筒的冲击，二次损伤，对整个风机都是非常大的风险。另外雷击会造成叶片部分脱落，对周边环境造成影响。

雷击损伤：一般来说对叶尖损伤最严重，它刚开始是很细小损伤，无法很清楚，这种损伤不影响到风机正常运转，但是损伤已经发生了，这时候如果没有很好的手段监测的话，会发生以下的结果：运转长时间以后，叶片会剥离这样一个很严重的后果。

风机叶片在运转过程当中，它的状态会发生一个变化，这种变化我们分了几类，这个变化是相对于它正常运转时候的变化。

第一个就是叶片发生损伤了，它的运转状态会发生变化。第二就是叶片结冰，它的状态也会发生变化，第三个就是超高的动态荷载，第四个是雷击以后的突然损伤。这四类都会影响到叶片正常的运行状态。在叶片损伤里，可以分成两类，第一类是轻度损伤，只是有细微的裂缝，发生在叶片的外壳表面，还有一种是严重损伤，发生在内部结构。发生结构性损伤以后，对叶片的损失会非常大，如果再维修是非常大的成本。

对于叶片监测的方法：有两类。第一类是人工的方法。比如地面和机舱内的肉眼检查或者望远镜检查。第二个是停机检修的时候，可以对叶片从上往下绕行检查，这些都是人工的监测方法。人工的检查最致命的弱点就是它的间断性。

另外一种监测是自动监测，它相对于人工监测最大的优点就是可持续性，不间断性的监测。自动监测里又分三类：第一类是通过监测叶片的弯曲度的变化来监测到叶片的状态的转变;另外就是监测叶片受力和应力变化;第三个是转子叶片固有振动和固有频率的分析和监测。固有频率和固有振动方面，对于任何一个物体振动的时候都有固有频率的，叶片作为一个弯曲共振体，它是有自己的振动频率的，我们只要监测到它的振动频率，肯定会发现变化，通过这种变化会发现叶片状态的变化。

对于监测固有频率的方法，我们一般是在叶片当中要贴加速度传感器，一般传感器会监测两个方向，一个是摆振，一个是挥舞。

主频的提取就是当叶片在正常状态下的时候，它的固有频率肯定是一定的，这个一定是必须在一定的风速、一定的温度固有频率一定，相当于人的指纹一样，通过指纹就能识别出来这个叶片它自己的特性。主频的提取就是正常状态下我们把频率频谱提取出来，一般来说一个叶片它的主频高点大约有30个左右，提取出来就知道正常状态下，叶片振动的特性。 提取主频的时候，因为主频是随着温度、载荷、速度进行变化，我们开始对叶片测量之前，要有一到三个月的数据积累，这个积累是指要在不同的温度、载荷、速度以及边浆角角度条件下，积累叶片主频的数据然后和接下了数据进行对比。

接下来介绍一下我们这套叶片监测系统基本的特点：这个系统我们叫BLADEcontrl，第一块是传感器，第二个是轮毂盒，第三块是诊断单元。诊断单元是通过轮毂盒里面无线传输出过程来的数据进行诊断，诊断单元要和后面的英特网进行连接，后台有一个数据库进行数据分析，分析之后呈现在页面上，用户可以直接登录到我们的页面，看到风机运行状况如何。这套系统最大的特点是它可以实现转子叶片损伤的早期发现。早期发现以后就可以在相对成本低的情况下进行维修。

另外就是在严重损伤的时候，是可以自动停机的，还有就是发现结冰和冰消融以后可以实现风机自动停机和自动重启。

系统架构：三个叶片传感器传到轮毂单元，通过无线和ECU诊断单元进行连接，通过有线和后台数据库连接，可以通过页面登陆访问数据库。

页面视觉系统：登录到页面以后三个诱骗呈绿色的，说明这个叶片是正常的，如果说呈黄色说明这个叶片有轻微绕动，红色是有严重的问题。BLADEcontrol这个商标之前我们用IGUS这个商标，现在已经完全Blade这个商标完全替代了。

损伤扩大的预防也是这套系统最大的功能。风机叶片发生雷击以后，我们看到有小的损伤，通过我们这套系统的监测可以看到红色、绿色、蓝色三个频率曲线呈现出来。因为它的曲线是两两对比的结果，可以看到红色和蓝色发生了比较大的振动变化，这个时候就知道发生的叶片是叶片2，因为红色是叶片2到3的对比，这时候就可以知道2发生变化了，因为中间绿色的没有发生变化。发生雷击以后，业主发现了发生雷击了，通过我们这个系统发现损伤，进行修改，但是过了两三个月之后，损伤没有修复好，没有很好的修复完整，这时候又发生了很大的一个变化，造成了风机局部断裂的情况，这是我们监测的一个实例。

这是叶片发生结构性损伤的实例：叶片已经断掉了，可以发现频率谱线发生了位移。一般来说结构性损伤会向低频去移动，这时候就知道了这个叶片发生了结构性损伤。

在频率提取中，三个叶片都要提取，三个叶片要进行对比。可以看到红、蓝、绿，三次代表三个叶片，它的正常状态下是呈现波形基本重合。如果一旦一个叶片发生问题，它的波形会脱离其他两个波形，这时候我们就知道叶片发生其他的问题了。结构性损伤一般发生在低频，轻微损伤一般在高频区。

现在这套系统我们已经在欧洲和美洲大约销售出去700套，截止到今年5月底，另外有500多套现在正在进行监测，还有200多套在进行调试，这个产品在欧洲已经用的非常成熟了。

结冰探测：结冰分成三类，一类是叶片无冰、冰壳和严重结冰的状况。结冰的严重程度对发电影响是非常大的。第二个后果就是冰的甩落，结冰严重冰会甩出来，冰的甩落对居民和车辆造成危险比较大。第三个就是转子的平衡。

结冰里面制动频率，因为结冰以后叶片它的质量发生变化，质量增长以后频率会发生变化，我们就监测它的固有频率。精度在探测冰层贪色到转子叶片质量是0.04%的冰层。这说明我们这套还是比较精确的。这套系统我们已经通过了GL认证，整个系统功能10月25号的时候GL已经通过了认证，10月25号会颁发我们证书。

06年3至4月我们通过和其他品牌对比，产生的结果是发电量增加，事故率减少。

展望：对于风机来说是非常重要飞机昂贵的，我们要用可持续的方法实时的监测它。我们对它的状态监测，一个是损伤的监测，另外构造结冰，包括雷击过载监测。通过我们做了叶片监测这套很成熟的系统以后，我们又扩展到整个传动链，在传动链上，我们对传动链的主轴、齿轮箱、发动机、塔筒都是通过固有的方式和其他的方式扩展了我们这套监测系统。ASOS是我们今年年底准备给欧洲的厂家装载在他们的样机上进行实验。