風力發電設備中的槳葉監控：“減少高達80%的故障停機時間”

• 就BLADEcontrol®系統在風機覆冰監測和槳葉狀態監測的應用方面，采訪魏德米勒監測系統負責人Daniel Brenner博士和營銷負責人John Reimers博士

覆冰在風力發電設備中如何形成？在哪兒形成？

一般而言，結冰可以在任何地方形成，特別是在雨雪天氣。但形成的冰層通常很薄。當風機運轉時，經常可見冰在葉片前緣上形成。當空氣中的冰粒太大不能轉變成葉片周圍的氣流時，冰層就產生了。也就是說，冰粒撞擊葉片前緣并積聚形成冰層。前緣上產生的冰的厚度根據顆粒的密度而變化，顆粒的密度又取決于溫度和空氣壓力。前緣上的冰構成冰塊盡可能地在表面堆積，從而形成厚冰層。這就是為什么保守的BLADEcontrol®模型專注于解決冰塊的堆積。

結冰的溫度各不相同，它們各是什么？是何種氣候條件導致它們的發生？

冰通常在大約零度的溫度下形成。如果溫度遠低于零度，空氣中幾乎沒有水分，這意味著只能形成少量的冰。冰的形成條件取決于大量不同的參數。由于冰粒大小是無法測量的，因此冰的形成有時是不可預測的。

風力發電機葉片上的覆冰會導致什么問題?

前緣的冰會改變槳葉的氣流，從而降低能量產出。不同的槳葉輪廓對冰層的形成有不同程度的敏感度。

在風機運行時也有冰從葉片上掉下來的風險，這對周邊地區構成風險，因此一般都被禁止。有時冰塊可能會撞擊并損壞下一片槳葉，所以風機本身也受到冰層的危害。 同時，如果冰塊從葉片上不均勻地掉落，這可能會導致風機傳動系統的不平衡，從而增加了負載，降低了使用命

這對于風機的經濟可行性會導致什么后果？

由于性能降低和停機時間的增加，結冰降低了風機的發電量。根據冰層凍結位置，覆冰檢測的類型是停機時間的重要因素并可能降低整個項目的盈利能力。

冰層會對人們造成什么風險？

槳葉上的覆冰尤為關鍵，因為在葉片尖端高達250公里/小時的高速度下意味著冰可以被拋出很長的距離。計算理論投擲距離的最古老和最保守的公式，是輪轂高度和轉子直徑之和的1.5倍，而這些裝置比現在要小得多。 這個公式是否仍然適用于兩倍高的風機目前還不清楚。然而，旋轉系統的風險半徑總是高于固定系統的風險半徑，這就是為什么德國的審批當局禁止在冰凍發生的過程中使用風力發電設備的原因。在這種情況下，冰的厚度一旦對周邊地區構成風險，就被認為是“嚴重的”。一般來說，冰層的厚度被假定為1.5至2厘米。

魏德米勒提供什么解決方案以防止葉片上的冰層形成？

魏德米勒BLADEcontrol®槳葉監控系統可以檢測槳葉上的結冰狀況，并在墜冰對周圍地區造成威脅前關閉設備。該系統不能主動防止冰層形成。根據風機的地理位置和氣候條件，當冰層形成時停止風機以防止進一步的冰凍，這是明智的。當外部條件發生變化時，風機又重新啟動。然而，在德國，標準的方法是在可能對周邊地區造成風險的冰層形成初期自動發出信號（停機）。與在風機外殼上進行結冰測量的系統相比，該系統的特別優點在于：風機被停機后，即靜止狀態時仍然測量覆冰狀態。這意味著一旦冰融化或掉落，（達到安全條件時）風機就可以自動啟動。在其他偵測系統中，當風機報告為無冰時，仍需要目視檢查葉片，以確保沒有冰塊，然后手動啟動，這顯然增加了停機時間。

BLADEcontrol®適用于各種風力發電設備嗎？ 系統安裝在哪里？

BLADEcontrol®適用于各個制造商。 其最重要的先決條件是輪轂中的電源。在所有現代化風機中都是如此，其僅在某些亞兆瓦級機型中不能使用。還必須將特定的風機運行數據傳送到BLADEcontrol®，例如風速，功率和俯仰角。在槳葉內部的加速度傳感器測量信號，這些信號匯集在輪轂中，然后通過WiFi或集電環傳輸到分析單元中。 分析單元連接到風機使測量結果和安裝數據得以交換。

冰凍檢測有多精確？ 它是基于什么測量原理？以及如何確定不同水平的冰層形成？

冰層的形成增加了槳葉的重量。 這種增加的重量降低了包括葉片在內的所有彈性體的自然振動速度。頻率的相對變化與質量的相對變化成反比。 BLADEcontrol® 測量出這種變化。該系統敏感程度足以檢測出明顯低于危險限度的冰層。基于葉片上的質量分布的假設，這種比例可以確定質量的變化以及冰層的厚度。如果葉片上冰層的實際分布與假設不一致（例如，在雨雪天氣中），風機會在監測到比威脅安全原因厚度更薄的冰層時提前停機。在這種情況下，停機以防止風機中的不平衡是明智的。

系統向風機控制單元發出的命令是什么？

BLADEcontrol®只向風機控制單元發送信號，風機如何反應是操作員的責任。 默認情況下，信號包括冰層形成狀態、諸如輕微的冰凍或是嚴重冰凍，以及有關系統、界面、網絡和其他參數的功能信息。如果使用槳葉損傷監控功能，在嚴重損害的情況下，也會傳輸信號，通過停機來響應這些信號。調整和擴展信號范圍以滿足客戶的要求，例如，包括冰層形成準確信息的冰凍指數傳輸。

使用BLADEcontrol®，有數據可以證明風機的經濟盈利能力有所提高？

與測量風機（機艙）外殼上冰層形成的系統相比，風機的測量數據表明BLADEcontrol®可減少高達80％的停機時間。這取決于風機位置，也就是說安裝此系統在一個冬天內便可收回成本。BLADEcontrol®通過槳葉損壞監控可以在偵測葉片早期損傷，從而使葉片的維修成本降低。我們還可以證明槳葉狀態監控可防止葉片破損所產生的高達六位數的維護成本。

除風機外，該系統還能應用于何處？ 是否能在該領域進行研究或進一步發展？

自然振動分析的應用在許多領域都是有意義的。 然而，魏德米勒監測系統將注意力聚焦于風力行業。 我們的重點主要是將系統的功能擴展到兩個方面：一方面，這種技術也可以用來監控未來的塔筒和基座，而另一方面，擴展傳感器平臺進行有助于提高風機發電量的精確分析。這里的方法包括斜流分析，這意味著風機并不處在其發電的最佳位置，以及檢測俯仰角誤差，質量不平衡和空氣動力學不平衡。