發(fā)電設備無損檢測技術研究

導語：發(fā)電設備無損檢測技術研究一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:風力發(fā)電作為我國可再生能源的核心組成部分，在國家大力倡導下取得迅速發(fā)展及應用。風力發(fā)電涉及材料學、空氣動力學、計算機技術、結構力學等學科，屬于集成化的新能源開發(fā)技術。由于風力發(fā)電設備運行環(huán)境惡劣且體量較大，需定期對設備進行無損檢測，評估設備運行狀態(tài)。本文以風力發(fā)電設備無損檢測技術為切入點，研討塔筒、電機設備、電力電子構件、齒輪箱、風電系統(tǒng)等的無損檢測技術及技術應用方式。結合風電機葉片缺陷評估，引入紅外熱像無損檢測，分析葉片無損檢測方式，降低葉片過度維護，以及事后維護帶來的高昂運維成本，確保風電系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

關鍵詞:發(fā)電設備;風力發(fā)電;無損檢測技術;紅外熱像無損檢測

各國大力發(fā)展新能源事業(yè)，聯合國將全球可再生清潔能源認定為重點投資方向。基于此，我國將風能作為未來經濟增長的主要能源來源之一，并大力建設風力發(fā)電系統(tǒng)。目前，我國風力發(fā)電基礎設施建設取得了一定成就，研究重點將朝向運維發(fā)展，即穩(wěn)固系統(tǒng)運行，加強安全性評估及可靠性評價。因此，需大力發(fā)展風力發(fā)電設備無損檢測技術，延長風力發(fā)電系統(tǒng)使用壽命，減少故障損失，提高經濟效益。

1風力發(fā)電設備無損檢測技術及應用

1．1監(jiān)測發(fā)電機與電力電子設備

風力發(fā)電機包括電力電子與電磁兩部分，此類構件可靠性是評估風電設備檢測水平的重要指標。風力發(fā)電設備運行過程中，受振動、濕度、溫度、封裝形式等影響都會對內部構件造成影響，嚴重者導致零件損壞。風力發(fā)電設備收集的風能先經過葉輪，再經過主軸與齒輪箱，經發(fā)電機轉換后變成電能。風力機葉片是一種彈性體，在風力作用下葉片結構可形成向上的空氣動力與慣性力，其交變性無法確定，并且隨機性較強。在力的耦合作用下，發(fā)電機因不可抗力的振動而產生自激共振，即顫振。如果顫振處于發(fā)散狀態(tài)，將導致風力發(fā)電設備損壞。除此之外，風力發(fā)電機組運行過程中會因諸多原因而產生較大振動，振幅與振動頻率超過風機荷載將影響風機穩(wěn)定運行。目前，應用在風力發(fā)電設備的無損檢測方式包括:熱成像技術、電磁傳感技術、掃地雷達技術等，同時還可通過模態(tài)分析法對系統(tǒng)穩(wěn)定性與壽命進行評估，以此提高風力發(fā)電機故障檢測科學性。除風電機機械部分易造成設備損壞之外，風力、溫差、潮濕條件也會導致線路絕緣耐壓、腐蝕及接觸電阻的失效。風力發(fā)電機和電力電子元件的電子類故障涉及定子線圈絕緣故障、轉子故障、激勵線圈絕緣故障等。轉子與頂底電路故障包括線圈斷裂、線路短路、線圈匝間短路或相位對位短路等，同時焊接點松動也會導致線路故障。傳統(tǒng)電動機電流信號分析法無法適用于發(fā)電機工作時，僅能進行線下測試或設備停運時檢修。從電力電子方面分析，電流通過半導體器件時功率損失引起的發(fā)熱是導致發(fā)電機元件損壞的主要原因之一，在工作電壓與載流能力持續(xù)增加的背景下，溫度與檢測系統(tǒng)對電力電子設備可靠性評估具有非常顯著的意義。所以，目前對風力發(fā)電機的實時監(jiān)測技術與方法仍面臨嚴峻挑戰(zhàn)，有必要加大無損檢測技術研究力度，對電力電子系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。

1．2預估齒輪箱壽命

常規(guī)條件下，風力發(fā)電設備齒輪箱主要由鋁合金材料與不銹鋼材料為主，可負擔較大循環(huán)負荷，但容易導致設備出現疲勞磨損。一旦風力發(fā)電設備所處區(qū)域出現風力驟變或存在腐蝕性海洋活動，將導致設備因腐蝕而開裂，此類問題都將引發(fā)風力發(fā)電系統(tǒng)或傳動裝置失效。在齒輪箱施加無損檢查時，為保證裝置性能不受影響，應開發(fā)與設備性能和材料相匹配的檢測方式。目前，常用的風電設備齒輪箱無損檢測技術包括:第一種是以電磁為基礎的二維ACFM檢測技術、巴克豪森噪聲無損檢測技術等，此類檢測方式既可對傳感器表面進行檢測，也可輔助優(yōu)化檢測方法，讓檢測流程更加科學與合理;第二種是創(chuàng)建振動分析的檢測方式，以此對齒輪箱進行檢測，分析其運轉是否正常;第三種是從內部解構齒輪箱系統(tǒng)，讓其與油溫檢測系統(tǒng)配合工作。

1．3塔筒無損檢測技術

風力發(fā)電設備中的風電塔筒多以低合金鋼為主要材質，焊接處理過程中易在其表面出現弧形焊紋。由于塔筒焊接多采用埋弧焊，同時采用涂抹藥劑的方式進行清理，會導致塔筒表面出現氣孔夾渣。塔筒裂紋方式具體包括熱裂紋、收弧裂紋、延遲裂紋等，易在塔筒表面快速拓展，當裂紋影響設備承載力時，將引發(fā)倒塌事故。從目前研究成果分析，塔筒無損檢測技術主要有超聲波技術、磁粉技術與射線檢測技術。

1．4實時監(jiān)測風電系統(tǒng)運行狀態(tài)

依照風力發(fā)電設備能源轉化特征，發(fā)電系統(tǒng)電網結構非常復雜，結合集成技術和在線監(jiān)測可評定設備運行效率，并監(jiān)測系統(tǒng)是否穩(wěn)定運行。在無線傳感網絡中，風力發(fā)電系統(tǒng)中融入了傳感器技術、嵌入式技術、無線通信技術、分布式處理技術，系統(tǒng)各個節(jié)點均可通過計算機與外部進行通信。截至目前，風力發(fā)電設備運行狀態(tài)檢測手段包括:(1)應用無損檢測技術及監(jiān)控結構聯合提出的紅外成像技術。(2)基于監(jiān)控技術基礎模型，評估設備極端惡劣運行環(huán)境下線路腐蝕與老化情況，并對其進行實時監(jiān)測。(3)比對多種電子系統(tǒng)變流器及發(fā)電機，應用成像檢測技術，一旦檢測過程中發(fā)現設備運行異常便動態(tài)優(yōu)化。為保證風電系統(tǒng)監(jiān)測技術的精準性與有效性，應充分考慮特殊環(huán)境下通信信號的高傳輸性，讓數據通信可適用于不同環(huán)境。(4)對信息進行合理的采集壓縮及整合，最大限度縮短采樣周期，研究數據結構及容錯技術。(5)大力開發(fā)可集成在風電系統(tǒng)中的MAC協(xié)議與路由協(xié)議，進一步加快數據傳輸效率，解決死鎖或活鎖問題。

1．5風力發(fā)電設備葉片檢測與分析

風力發(fā)電設備葉片易受環(huán)境影響，在實際工作中受外力影響很容易在彎、拉作用下而損壞葉片自身結構。常規(guī)條件下，風力發(fā)電設備葉片壽命約為20年，但并無法評估葉片實際工作中受損情況，即無法評定葉片的實際使用壽命。因此，應開展葉片無損檢測工作，保證風力發(fā)電設備時刻處于正常運行狀態(tài)。目前，葉片無損檢測技術主要分為如下幾種:第一種是基于熱成像與超聲波的無損檢測技術，具有技術融合優(yōu)勢;第二種為分布式光纖傳感器，依托傳感器及智能材料創(chuàng)建健康葉片監(jiān)控系統(tǒng);第三種為主動及被動檢測，目的是實現電磁熱成像。

2風力發(fā)電設備無損檢測技術具體應用———以風力機葉片無損檢測為例

為深入了解風力發(fā)電設備無損檢測技術實現原理及應用場景，本文以紅外熱像無損檢測技術為例，分析風力機葉片檢測流程。所謂紅外熱成像技術，就是利用被檢測物體表面受到熱激勵后，探求其表面熱輻射變化過程，判定物體內部結構信息。隨著紅外熱成像無損檢測技術的深入研究，主動式紅外熱激勵無損檢測技術應運而生，該技術是近年最科學且最合理的無損檢測技術。

2．1風力機葉片結構解讀及主要缺陷分析

針對大型風力機，葉片多采用玻璃纖維環(huán)氧樹脂復合材料，葉片分為前緣、主梁、后緣及主梁兩側的芯材結構。風力機葉片主梁部位多應用單軸向纖維布鋪層，非主梁部分采用芯材填充，材質為巴沙木或PVC泡沫，目的是減小葉片運行質量，風力機葉片剖面圖見下圖。

2．2風力機葉片主要缺陷分析

風力機葉片結構多為多層設計，厚度具有可變的特點，同時葉片表面為不規(guī)則曲面，制造過程中易產生不均勻性。常規(guī)條件下，風力機葉片橫截面包含玻璃纖維環(huán)氧樹脂增強材料，由環(huán)氧膠相連，葉片真空注膠時，各結構層內部很容易出現不均勻性，即分層設計缺陷。2．2．1褶皺風力機葉片多應用人工鋪設纖維布的形式制作，要求一次成型。由于人力操作的原因，葉片鋪層平整度較差，真空注膠期間易形成褶皺。常規(guī)來講，風力機葉片褶皺分為凹與凸兩種，不論何種褶皺形式都會影響風力機運行。2．2．2裂紋葉片作為風力發(fā)電設備的重要構件，長期運行易導致葉片內部或淺表產生細小裂紋，此類裂紋很難在檢測中發(fā)現。當葉片出現裂紋同時未及時處理時，裂縫將向四周擴散，從毫米級逐步擴散到分米級，最終造成大裂縫。因此，應對裂紋缺陷重要點位進行實時檢測與分析。2．2．3分層設計缺陷風力機葉片分層設計缺陷具體指葉片生產時易發(fā)生樹脂用量不足或真空泄壓的情況，同時葉片運輸中內部褶皺將形成開裂現象，以此形成層面空隙，將各結構層分離開來。分層問題將導致葉片黏結部位的粘接度，易導致葉片強度下降，嚴重者導致葉片鋪層和結構層剝離。因此，葉片生產時需重點關注分層缺陷形成原因，以此確保葉片使用壽命。

2．3風力機葉片紅外熱成像無損檢測

針對風力機葉片設計缺陷，將其作為無損檢測重要參量。本研究對某地風電機葉片進行紅外熱成像無損檢測。該區(qū)電場共包含10支1．5MW風力機葉片，本研究從葉尖到主梁與芯材進行全方位掃描，重點關注主梁裂紋、褶皺、分層、發(fā)白等問題。葉片主梁由玻璃纖維環(huán)氧樹脂復合材料構成，芯材主要為聚氯乙烯。現場風機大小1．5MW，風力機葉片型號為HT34，總長為34米，弦長3米。檢測設備具有較大激勵效率且熱激勵均勻，同時自由度及激勵模式豐富，可滿足現場勘驗標準。為有效錄入數據，結合最新的熱圖像采集系統(tǒng)。檢測前，從葉根位置開始逐步巡檢到葉尖位置，找尋葉表缺陷部位，標注處理。受外部環(huán)境影響及長期激勵導致加熱不均勻的影響，獲取的圖像信息十分模糊，幾乎無法辨別葉片是否存在故障，更無法找到缺陷。因此，結合紅外圖像非均勻校正及紅外圖像增強算法對獲取的圖像進行處理，消除背景噪聲。考慮到MATLAB軟件程序計算紅外圖像數據流程較為復雜，因此在紅外檢測軟件直接對紅外圖像非均勻性校正進行預處理。由于軟件界面具有增強按鈕，可對紅外圖像隨時進行增強算法處理。同時，軟件設置截屏按鈕，可獲取加熱及降溫時的紅外圖像。

2．4風力機葉片紅外缺陷圖像分析

由于風力機葉片由多種材料構成，屬于多相體系，并且材料和結構為一體化成形。風電葉片結構成型時，受外界因素影響，葉片缺陷不可避免。與此同時，葉片結構運行時易發(fā)生多類損傷，缺陷與損傷對風電葉片的安全性造成極大威脅，對葉片結構內部缺陷與損傷進行無損檢測，可提高葉片使用的安全性。本次檢測結果顯示，風力機葉片表面缺陷均可被有效識別。與此同時，結合紅外圖像可直觀判斷檢測結果，可觀察到微小的溫度變化，同時可對熱像進行有效處理，獲得風電機葉片內部鋪層清晰紋路及缺陷圖像，圖像非均勻性低于10%，與現場打磨結果幾乎相同。根據目前掌握的風電機葉片無損檢測技術，可收集葉片缺損數據，對老齡葉片進行修復與可靠性定量評價，預估其使用壽命。為最大限度提升葉片使用安全性，需對其定期檢查，觀測葉片狀態(tài)，排除缺陷隱患并采用有效手段，將葉片失效問題扼殺在萌芽期，以此避免事故，保證風電設備穩(wěn)定運行。總的來說，評估葉片損傷狀態(tài)、合理運用無損檢測技術可降低葉片過度維護及事后維護帶來的高昂運維成本，應用紅外熱成像處理技術可對大型風電機葉片進行無損檢測，有效評估葉片健康狀態(tài)。

結語

風力發(fā)電設備無損檢測易受環(huán)境影響，同時傳感器靈敏度對信息數據量有一定影響，因此風力發(fā)電設備無損檢測應重點提升系統(tǒng)穩(wěn)定性及安全性，對多類方法進行綜合分析，集成多類傳感器數據，保證整個風力發(fā)電系統(tǒng)健康運行。

參考文獻:

［1］吳雄，鄒開剛，王可嘉．復合材料內部缺陷的太赫茲無損檢測技術研究［J］．光學與光電技術，2020，18(5):6．

［2］魏嘉呈，劉俊巖，何林，等．紅外熱成像無損檢測技術研究發(fā)展現狀［J］．哈爾濱理工大學學報，2020，25(02):68-76．

［3］智騰飛．塔筒鋼板對風力發(fā)電機組安全性影響及其到貨質量管理概述［J］．中國設備工程，2020，438(02):210-211．

［4］云賽．基于圖像處理的風力發(fā)電機葉片表面缺陷檢測技術研究［D］．天津理工大學，2019．

［5］林超．風力發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術研究［J］．輕松學電腦，2019．

［6］霍強．特種設備檢測中無損檢測技術的應用研究［J］．中國設備工程，2021(17):2．

［7］張尚書．基于機械設備維修中無損檢測技術的應用分析［J］．科學技術創(chuàng)新，2019(2):2．

［8］馮小雷，胡宇，閆敏，等．基于電磁激勵的紅外熱像無損檢測技術［J］．科技資訊，2011(1):112．

［9］吳世春．基于多模態(tài)激勵的紅外熱成像復合材料無損檢測技術研究［D］．電子科技大學，2019．

［10］郭智磊．基于紅外無損檢測技術的傳熱學探索［J］．科技傳播，2016，8(9):179-180．

作者：谷群遠 劉木森 單位：鹽城市質量技術監(jiān)督綜合檢驗檢測中心