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智能化建设让风电场更“风光”——国内首个高校自主研发光纤传感技术取得重大突破

日期:2022-09-20    来源:恩施日报  作者:谭琼辉 阮璐 张正宇

国际风力发电网

2022
09/20
15:05
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关键词: 风力发电场 风电设备 风电产业

9月2日,齐岳山山巅,随风而转的白色风机,在蓝天白云映衬下,定格出一幅幅美丽的画面。

齐岳山风力变电站坐落于利川市齐岳山之巅,是中国南方最大风力发电场,也是全国十大风场之一。

今年6月,国内首个高校自主研发的基于光纤传感的风机桨叶形变监控系统在这里成功试运行,标志着湖北民族大学工业互联网及先进传感技术研发团队在此领域取得重大突破,将为我州建设“两山”实践创新示范区作出绿色贡献。

运维技术,亟需“国产化”

齐岳山平均海拔1700米,即使夏天最热的时候,气温也仅20℃左右。因其特殊的地形和气流循环,形成了一个内陆地区较大的风带,常年盛行东南风。经测试,一年中有3679到5957小时为风力发电的最佳风速,主要参数均达到风能丰富区的标准,非常适合建立风力发电场。

既要金山银山,更要绿水青山。

于2010年陆续投产的齐岳山风电场,是我州第一批投产的风电场,源源不断输出的清洁能源,为我国实现“双碳”目标作出了应有贡献。

千百年来,任凭大风白白吹过的日子一去不复返。

然而,转动的风机背后是一串不为人知的数字:几百台风电机组的维护,需要运维人员每年塔筒爬高4924米、巡检线路1000多公里。

数字背后,辛苦和艰难自不必言说。每年冬天,积雪覆盖,检修车辆无法开到风机检修平台,风电人只能徒步上山,开车几分钟的路程常常要步行一两个小时。夏天,风机叶片旋转带动机舱中的齿轮箱、发电机运行,设备温度升高,致使密闭的机舱内温度太高,运维人员在机舱内检修作业,衣服常常是湿了干,干了又湿。

随着时间推移,风电设备长期与高温、高寒、风沙、潮湿、盐雾等环境相伴,风电场的风机寿命过半、故障较多,而运维人员相对较少。如何实现风电机组的高效稳定运行,如何在日常维护方面降本增效,成为风电产业实现新一轮腾飞必须解决的问题。

“我国风电起步较晚,相较于风电技术发达、风电设备运维成熟的欧美国家,我国风电设备运维还存在一定差距,缺乏系统的、预见性的设备管理和运维体系。”齐岳山某风电场相关负责人介绍,目前国外已经有了比较成熟的监测系统,但购买成本太高,相关技术“国产化”已成当务之急。

自主研发,首次投用齐岳山风电场

2021年9月,齐岳山某风电场相关负责人辗转得知湖北民族大学智能科学与工程学院所属的工业互联网及先进传感技术研发团队正在进行相关方面研究,随即与该团队接洽、磋商并达成合作协议,着手研发基于光纤传感的风机桨叶形变监控系统。

该团队负责人钱楷是安徽人,硕博分别就读于安徽大学和上海交通大学光学专业,博士毕业后赴法国从事博士后研究工作。2014年,钱楷进入湖北民族大学任教,并担任智能科学与工程学院副院长。

团队前期承担了国家自然科学基金项目基于双洛伦兹型光纤光栅快慢光的超高灵敏度传感器研究以及光纤光栅的架空线弧垂及舞动监控系统等相关课题,积累了丰富的光纤传感研发经验。

“作为州内高校,助力本地企业健康发展责无旁贷。”承接项目研究任务以来,钱楷带领团队另外3名教师和4名研究生,几乎整天泡在实验室,独立完成了传感器设计、光路搭建、解调电路设计制作及大数据平台开发等工作。实验中,每一步进展都需要大量的实验数据做支撑,每一个细节都需要不断地调试和完善。

今年3月,团队自行设计、具有独立知识产权的传感系统完成实验室样机测试,并在齐岳山风电场102号风机安装调试。

“我们共安装调试了12次。安装阶段,在叶片里面一待就是一整天,有时候晚上才下来。”钱楷打趣道,每次进去调试就像是经历了一次季节更替。

经过反复调试,今年6月,传感系统克服严寒、高温、强电磁干扰等恶劣工作环境,实现稳定工作。截至目前,系统已稳定运行近100天。

钱楷介绍,基于光纤传感的风机桨叶形变监控系统主要由光纤传感器、传输光纤、解调仪表、数据传输模块和监测软件组成,科研人员将光纤传感器布置在叶片指定位置,传感器将信号通过光纤传输至解调仪进行数据采集,再通过专业软件进行分析判断。

“光纤传感是利用光学方式对外界信号进行感知,具有高灵敏度、抗电磁干扰、质量轻等一系列优势,是传感领域最重要的发展方向。”钱楷介绍,团队独立自主研发的基于光纤传感的风机桨叶形变监控系统,具有高稳定性、低成本等优势。该系统运用于风机运维,不仅提升了风电机组运行监测水平,提高了风电叶片维修保障效率,降低了检查维护成本,而且打破了国外技术限制,率先形成自主知识产权产品,提升了行业标准,为恩施州打造华中地区重要的洁净能源基地提供了科技支撑。

足不出户,实现预警干预

9月4日,102号风机叶片温度42摄氏度,旋转角速度1.5弧度每秒,1-1号光栅应变峰值在150微应变以内……系统工作正常。

湖北民族大学智能科学与工程学院实验教学中心,基于光纤传感的风机桨叶形变监控系统的电子显示屏上,风机叶片的温度、旋转角度和旋转速度等监测数据一目了然。

青年教师邱达是该团队研发成员之一,他现场用手机展示了风机叶片的运转情况。每个光纤传感探头相当于一个神经元,可以实现桨叶覆冰、应变、温度的全时监控。风电设备的状态分析是风险评估、可靠性分析、寿命管理、预知性维修等运维工作的前提。通过监测系统,不仅在实验室的电子显示屏上可以直观观测叶片的运转情况,还可以通过手机端的风机叶片监测平台,随时随地观测叶片的运转情况。

齐岳山巅,102号风机像一根“定海神针”,直插云霄,风机叶片则像一根根硕大无比的羽毛。每片风机叶片长约50米,重达7吨。

9月4日上午,钱楷身着工装,头戴安全帽,通过狭窄的铁门进入塔筒,徒手登上2层平台,到达风机塔筒内部的笔直爬梯前。

从下往上望去,黑乎乎的看不到顶。检修风机要从这里爬上去,钱楷不记得自己已多少次从这里上上下下、进进出出了。

他熟练地绑定安全带,然后乘坐免爬器,10分钟左右上升80米,相当于近30层楼的高度,到达塔筒顶部对传感器进行检修。钱楷介绍,每片桨叶上安装有8个传感器,其中6个是应变传感器,2个为温度传感器,每台风机安装有24个传感器。

由于太阳暴晒,风机叶片里面的温度近50摄氏度。进去没多久,钱楷就已汗流浃背。

“基于光纤传感的风机桨叶形变监控系统的应用,不仅解决了运维人员人手少的问题,而且收到了事半功倍的效果。”钱楷此次进入塔筒检修,是因为电磁干扰,传感数据出现异常。经过一个多小时的检修,异常解除。

目前,钱楷正带领团队对系统进行进一步调试、完善,不断拓展应用范围。届时,操作人员足不出户便可及时、准确、实时掌握风机叶片运行状态,提前发现问题并采取干预措施,为风电安全运行保驾护航。

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