風電(diàn)
一(yī)、風電(diàn)設備無損檢測技(jì)術(shù)研究現狀
風力發電(diàn)作為(wèi)可再生(shēng)清潔能(néng)源的重要部分，近年(nián)來一(yī)直呈高(gāo)速發展趨勢。我國(guó)已成為(wèi)全球風電(diàn)裝備最大的生(shēng)産國(guó)和消費(fèi)國(guó)，全國(guó)各地都加快了風力發電(diàn)設施的建設步伐，但在風力發電(diàn)設備的運行過程中,很容易出現各種各樣的設備故障問題，既影響風力發電(diàn)系統的正常運行，還(hái)可能(néng)形成嚴重安全隐患。因此，大力發展我國(guó)風電(diàn)設施無損檢測技(jì)術(shù)，加快研發具有自(zì)主知識産權核心技(jì)術(shù)，對于促進我國(guó)風力發電(diàn)事(shì)業(yè)的可持續發展具有重要意義。
二、風力發電(diàn)機(jī)構各環節失效原因及研究成果
· 風力葉片的失效分析和檢測
濕度、疲勞、突然的強風和雷擊都可能(néng)造成風力渦輪葉片的損壞，風電(diàn)葉片要承受拉、壓、彎、扭等載荷作用，引起風電(diàn)葉片結構的損傷累積和失穩破壞。在風力發電(diàn)場，不同渦輪機(jī)間的氣動幹擾可能(néng)會(huì)給葉片帶來過度的負荷，使得懸臂葉片上(shàng)的撓度和應變過大而造成失效。因此，對葉片健康監控的關鍵在于實時地對葉片的運行狀況進行檢測。
英國(guó)紐卡斯爾大學和南(nán)京航空航天大學的團隊(以下(xià)簡稱紐大和南(nán)航聯合團隊)在研究中曾将新型傳感器(qì)嵌入風力渦輪葉片中，以便在葉片失效之前對葉片機(jī)構中的性能(néng)變化和損壞情況進行實時檢測。并且采用脈沖渦流激勵，針對複合材料進行紅(hóng)外熱成像技(jì)術(shù)研究，成功識别出缺陷的類型特征。
· 齒輪箱的失效原因分析和檢測
風力渦輪的齒輪箱主要由高(gāo)強度的鍛鋼件(jiàn)和球墨鑄鐵件(jiàn)原材料等制成。齒輪箱主要由承受循環載荷的回轉部件(jiàn)組成，易受到(dào)循環載荷導緻的疲勞和磨損損傷。此外，腐蝕性的海洋環境及風力變化導緻的應力也會(huì)造成與之相(xiàng)關的腐蝕開(kāi)裂。這些損傷和開(kāi)裂都會(huì)導緻整個(gè)傳動系統的失效。
齒輪箱的無損檢測是在不影響其性能(néng)的基礎上(shàng)檢測材料狀态和性能(néng)評估的可行方法。紐大和南(nán)航聯合研究團隊針對齒輪箱的缺陷測技(jì)術(shù)進行了大量研究，采用的手段包括渦流檢測、脈沖渦流和電(diàn)磁巴克豪森噪聲、磁粉探傷、漏磁檢測等多(duō)種電(diàn)磁檢測手段。聯合團隊采用電(diàn)磁巴克豪森噪聲技(jì)術(shù)，在齒輪的應力分布和微觀結構檢測方面進行了大量的研究工(gōng)作，并在英國(guó)國(guó)家齒輪測量試驗室(NGML)得到(dào)了工(gōng)程應用。
· 發電(diàn)機(jī)和電(diàn)力電(diàn)子設備的監測
發電(diàn)機(jī)包含電(diàn)磁部分和諸多(duō)電(diàn)力電(diàn)子部分。這些部件(jiàn)的可靠性檢測也是風電(diàn)設備監測的重要部分。機(jī)械振動、濕度、溫度和封裝形式都會(huì)引起這些部件(jiàn)的失效。此外，風力發電(diàn)機(jī)組在運行時由于多(duō)種原因會(huì)使電(diàn)機(jī)和機(jī)艙在各個(gè)方向産生(shēng)較大的振動，振動的頻率、幅度等參數超過風機(jī)設計要求時會(huì)對風機(jī)的正常運行産生(shēng)危害。
除了機(jī)械部分之外，在風力、溫差、潮濕條件(jiàn)下(xià)也将造成線路(lù)絕緣耐壓、腐蝕和接觸電(diàn)阻的失效。目前國(guó)内仍然使用阻抗測試來檢測電(diàn)機(jī)故障，然而阻抗測試适用于生(shēng)産階段的測試，它無法在電(diàn)機(jī)運行過程中對故障進行監測。在電(diàn)力電(diàn)子方面，當電(diàn)流通(tōng)過半導體器(qì)件(jiàn)時功率損失引起的發熱也是造成失效的主要因素。
因此，針對電(diàn)機(jī)的在線有效監測的方法和技(jì)術(shù)研究依舊(jiù)面臨著(zhe)嚴峻的挑戰，有必要采用無損檢測和健康監控對電(diàn)力電(diàn)子系統進行狀态監控。
· 風電(diàn)系統運行監控、狀态評估
由于風力發電(diàn)場通(tōng)常位于丘陵山區、偏遠(yuǎn)的西(xī)部地區、沿海海岸或者海上(shàng)，且發電(diàn)設備監控需要對包括風力葉片等旋轉部件(jiàn)在内的大量元器(qì)件(jiàn)和系統進行檢測、監控和信息處理。可更新能(néng)源的特征決定了風力發電(diàn)系統在與電(diàn)網接口方面具有複雜(zá)性，在線監控和信息收集和集成技(jì)術(shù)能(néng)夠為(wèi)系統的高(gāo)效性和可靠性提供有利的技(jì)術(shù)支撐。
無線傳感網絡綜合了傳感器(qì)技(jì)術(shù)、嵌入式計算(suàn)技(jì)術(shù)、現代網絡與無線通(tōng)信技(jì)術(shù)、分布式信息處理技(jì)術(shù)等多(duō)領域技(jì)術(shù)，其網絡由随機(jī)分布的集成微型電(diàn)源、敏感元件(jiàn)、嵌入式處理器(qì)、存貯器(qì)、通(tōng)信部件(jiàn)和軟件(jiàn)(包括嵌入式操作系統、嵌入式數據庫系統等)構成的一(yī)簇同類或異類傳感器(qì)節點與網關節點。每個(gè)傳感器(qì)節點都可以對周圍環境數據進行采集、簡單計算(suàn)并可與其他節點及外界進行通(tōng)信。由大量智能(néng)節點組成的傳感器(qì)網絡具有很強的自(zì)組織能(néng)力，其多(duō)節點特性使衆多(duō)的不同類型傳感器(qì)可以通(tōng)過協同工(gōng)作進行高(gāo)質量的測量，并構成一(yī)個(gè)容錯(cuò)性優良的無線數據采集系統。
三、風機(jī)系統的狀态監測領域主要研究方向
在世界範圍内，針對風力發電(diàn)系統的無損檢測和健康監控技(jì)術(shù)仍處于探索階段，缺乏對于整個(gè)風電(diàn)設備的完整的檢測和智能(néng)化的狀态評估系統。目前，作為(wèi)風電(diàn)技(jì)術(shù)的重要組成部分，風機(jī)系統的狀态監測領域主要有以下(xià)幾方面的研究工(gōng)作:
1.研究對于風力渦輪葉片材料(複合材料)的無損檢測和狀态監測的方法和技(jì)術(shù)，與負荷分析和破壞模式分析相(xiàng)結合，發展渦輪葉片進行健康監測的無線傳感器(qì)網絡。
2.研究針對變速箱的電(diàn)磁無損檢測和變速箱故障監控狀态監測以及生(shēng)命周期評估技(jì)術(shù)。
3.研究針對塔基的無損檢測技(jì)術(shù)，結合系統穩定性分析，以及系統結構故障監控狀态監測以及生(shēng)命周期評估技(jì)術(shù)。
4.研究針對風力發電(diàn)設備的電(diàn)力電(diàn)子部分的故障檢測技(jì)術(shù)，創建故障預測模型，實現用于電(diàn)力電(diàn)子、控制系統的監控和傳感器(qì)檢測網絡原型系統。
5.研究用于風力發電(diàn)系統在線實時狀态檢測的混合傳感器(qì)網絡系統并搭建用于數據采集的系統，以及信息融合和實時判斷方法。
四、風電(diàn)設備無損檢測技(jì)術(shù)總結
在科技(jì)進步和經濟發展的背景下(xià)，風力發電(diàn)事(shì)業(yè)快速提升，但風力發電(diàn)系統具有複雜(zá)性、非線性等特點，緻使其運行過程中可能(néng)受到(dào)某些因素的影響而出現異常，導緻供電(diàn)質量不佳。所以，利用無損檢測技(jì)術(shù)來檢測及監控風力發電(diàn)系統運行情況，檢測電(diàn)力電(diàn)子設備、發電(diàn)機(jī)、齒輪箱、風電(diàn)系統等重要設備的運行狀态，以便及時發現異常、排除故障，保障整個(gè)系統運行安全。
“十四五”期間，我國(guó)以風電(diàn)為(wèi)代表的的新能(néng)源和可再生(shēng)能(néng)源将迎來高(gāo)質量發展階段，無損檢測技(jì)術(shù)能(néng)夠保障風力發電(diàn)設備安全運行和整體設備運作環節的有序穩定，對于促進能(néng)源轉型提速、推動風電(diàn)領域高(gāo)質量發展，發揮著(zhe)至關重要的作用。
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