一种风力发电机组叶片巡检设备的创新与应用

马瑞阳，王 磊

（中铝宁夏能源集团银星能源股份有限公司，银川 750000）

风力发电机组的叶片损坏多发生在盛风发电期间，当叶片发生失效事故特别是单片断裂事故时，平衡旋转状态被破坏，发电机组瞬间剧烈振动，若机组保护失效或刹车装置迟延动作，将对发电机组轴系及塔筒带来严重危害，并可能导致整台机组倒塌毁损。且断裂叶片在机组制动之前，极有可能撞击相邻叶片或塔筒，造成事故损失扩大。叶片发生失效事故后，风电场必须进行停机检修，这需要使用大型起重吊车，而吊车的出场及作业费用巨大，且需等待天气处于小风、微风或无风的作业条件。既产生了高额维修费用，又因“弃风”丧失了发电良机，一台叶片损坏失效造成的直接及间接经济损失近百万元。

1 风机组叶片巡检的意义

风机叶片是风力发电中的核心部件，大约占据风机总成本的15%～20%，其设计的好坏将会直接关系到风机的性能和效益。风机叶片的制造对于材料提出了较高的要求，不仅需要要求其有较轻的重量，更需要让其具备较高的抗压强度和抗腐蚀性。因此现下的风机厂商都会要求采用较为广泛的复合材料来制造风机叶片。风机叶片制造的材料也由原有的铝合金发展成了现在的复合型材料。常见的风机叶片会由增强性的纤维树脂、铝合金和钢材等不同类型的材料构成。

常规风机叶片巡检的意义包括如下几点要求：第一，我国多数风机发电机的机型非常复杂，很多厂家并没有采用规范的方式进行生产，导致风机的叶片从开始使用时就出现了不合规矩的现象，因此对风机叶片的巡检和维护显得尤为重要；第二，虽然我国的风力资源非常丰富，但是我国很多地区的气候条件也非常落后，所以也就对风机的质量提出了更高的要求，如果没有对风机叶片的质量进行巡检自然就会影响风机的运转；第三，虽然我国使用风机已经有了一段的时间，但是我国风机发电的发展非常缓慢，与风机有关的技术还不够健全，所以需要定期对风机叶片进行巡检和维护；第四，风机的叶片很容易在使用的过程中出现内部缺胶、内部脱胶和其他不同类型的问题，会严重影响使用寿命和设备的运行。因此基于以上几点检查要求只有对风机检测的部位进行检查和跟踪才能够保证风机更好地运行。

2 风机组叶片巡检的内容

风机组叶片巡检的内容包括如下几点，第一，根据现场与叶片相关的实际数量来直接进行调试；第二，直接借助各类数据来直接开始采集，以便标出叶片中存在缺陷的主要位置，等到判断好结果之后再出报告；第三，借助谱尼测试的方式进行检测。这样一种检测可以解决如下几点问题，第一，可以在检测中调节自身的角度，并直接检测到传统UT检测无法达到的检测位置；第二，直接针对不同的晶片声束进行聚焦、偏转和扫描；第三，可以选择真正合适的角度来生成被检测的角度和映射的图像；第四，让被检测的叶片内部都可以保存1条新的数据，并配合专业的软件来对比编码器记录的数据，这样才能够更好地提升检测的效率。

3 常规的风机组叶片巡检中存在的问题和缺陷

在针对风机叶片进行巡检和维护时会存在如下几点问题：第一，很多检修人员并不重视风机叶片的巡检和维护，即便风机在使用一段时间之后叶片出现了新的问题也不会直接进行巡检，也正是因为没有加大巡检的力度所以很难发现新的问题；第二，没有办法及时跟踪和统计风机叶片专用的寿命，所以无法对叶片使用的过程直接进行监测；第三，不少生产风机的厂家对于风机叶片需要巡检的内容和巡检的周期都没有明确规定，针对有关内容也没有进行深入研究；第四，有些风机的型号非常新颖，所以叶片的型号也非常新颖，如果没有掌握合适的资料自然无法更好地实现风机叶片的巡检，甚至也不知道如何去保养和维修那些较为新颖的叶片；第五，不少维修人员自身的水平较低，即便风机的叶片出现了问题也无法掌握正确的维修方式。目前国内外风电行业主要采用传统的方法来检修叶片，其中，第一种是根据不同厂家内部的机型来编写与风机状态有关的检查方案，并明确检查周期，通常会采用长焦镜头无人机进行拍摄检查，然后再针对每一台不同的风机设立不同类型的风机状态监测台账和监测软件，并通过掌握每一台风机的运行状态来判断风机的故障，并采用合适的检修方式；第二种是使用“蜘蛛人”由检修人员空中目视、敲击检查，无法快速准确确定潜在内部损伤，且巡检存在“死角”，准确性也有待提高，人员工作危险性较大；第三种是有效地根据厂家所提供的指导书来进行维修，并确定指导书中的内容是否符合当前风机叶片的标准，如果确实发现维修的内容存在任何问题再直接增加；第四种是对维修风机叶片的员工定期进行培训，增加维修风机叶片的员工的知识量，并从各大角度入手来保证其质量。

4 创新发明风力发电机组叶片巡检设备的目的

风力发电已成为我国仅次水电的第二大清洁可再生能源，叶片本身生产、采购成本在整机的占比中超过20%，所以说其是机组里面相当重要的一个部件，叶片巡视与检查是必须直面的问题，数据显示，叶片失效导致的发电量损失占比达40%以上，且处理难度极高。风力发电机组叶片是世界上最大的单件式复合结构，其长达20年的服务期限，在其一生要经历数十亿次负载循环时会遭受闪电、冰雹及雨水等极端天气和其他力的作用，叶片会像其他系统一样磨损并可能导致灾难性后果，因此叶片例行检查和维修对于保持机组叶片健康稳定运行至关重要，但目前的检查方法仅靠人力外部观察或委托专业人士进入叶片内巡检，无法快速准确确定潜在内部损伤。创新发明并应用“叶片内部巡检设备”技术使用无创伤的手段检测风电机组叶片内部是否存在危及机组正常健康运转的损伤。其目的是针对风力发电机组叶片巡视检查的必要性及其他外观检查方式的劣势，为避免工人高危险作业，开发基于智能技术的风力发电机组巡检设备成为了发展的必然趋势，为解决现有巡检技术难点、痛点，对于叶片裂纹和损伤的检测并结合实际工况及需求实现智能检测技术，与新能源发电行业融合提出了《风电机组叶片内部巡检设备》的解决方案。

5 风力发电机组叶片巡检设备技术方案及创新要点

风力发电机组叶片巡检设备，如图1所示，其长20 cm，宽15 cm，高15 cm，动力部分使用了直径10 cm的麦克纳姆轮，轮面弧度18～20°，固定支架角度130°，主要支撑及运动部件；采用双自由度云台，其尺寸为长8 cm，宽8 cm，高10 cm，设备创新应用白光、红外摄像普查，焦段3.1 mm、120°双场景组合式取景摄像头，红外波段940 mm，视距5 m，超声波检测，TOF（Time Of Flight，其参数供电电压为5 V；传感器类型为TOFC MOS+RGBsensor；TOE分辨率为240×180，帧率为30 FPS，视场角为72°；RGB分辨率为640×480，帧率为30 FPS，视场角为89°；波长为940 nm；调制频率为75 MHz；测量距离最小值为0.3 m，最大值为2 m；精确度为1～1 000 mm）深度建模分析等无创伤的手段检测风电叶片外部巡检不能发现的损伤，同时可通过远程视频方式获取专家指导提升检测的速度及精确性，针对风力发电机组叶片巡视检查的必要性及其他外观检查方式的劣势，避免工人高危险作业。该设备的使用方法和工作原理是：通过自主设计、国内首创技术应用，使用“叶片内部巡检设备”蓝牙（WIFI遥控进入风机叶片内部检测叶片有无损伤，通过白光、红外摄像普查无线视频传输进行拍照录像，保留原始资料进行多方研讨，同时对可能存在裂纹的区域进一步采用超声波检测技术检测该区域内部构造损伤状况，在探伤过程中利用TOF（Time Of Flight）深度建模技术对裂纹区域进行建模留档分析（可规避光线漫反射造成的干扰），建立叶片全寿命管理资料库，可节约检测费用投入，该设备可对叶片内部70%～80%空间区域进行巡视检查，同时采用远程视频指导方式获取专家分析提升检测的速度及精确性，从而有效保障风机叶片安全运行的可靠性。

图1 一种风力发电机组叶片巡检设备

6 风力发电机组叶片巡检设备技术应用

为克服现有技术无法精准地检测风电叶片的内部损伤的问题，该设备设计采用麦轮小车为平台，包括损伤探测系统，包括自主研发视频摄像模块，红外监测模块，无线图传模块，拍摄叶片表面同时使其具备红外检测及图传功能;超声波检测模块，检测叶片内部损伤。运动控制系统，包括运动及控制组件，使设备能够无障碍穿越叶片内部;云台组件控制摄像头组件与超声探头360°全向运动;无线点对点数据传输系统，设备的图像信息通过无线与终端机实时通讯；TOF深度摄像头为叶片内部建模提供了技术支持同时也为叶片的全寿命管理提供了可靠的技术支持及依据，通过损伤探测系统和运动控制系统能够使得检测设备能够更加精确地检测风电机组叶片内部的损伤，提高检测效率，保证安全，降低成本。

6.1 巡检设备技术的应用

叶片巡检设备目前已完成相关技术储备及技术的再创新：①图像采集方面，叶片内部巡检设备采用先进的图像采集设备，集成普通、红外双功能摄像头达到集成化目的，提高了设备空间利用率；②数据传输方面，叶片内部巡检设备试验机采用3种无线传输方式（蓝牙4.0、WiFi2.4 G、SX远程射频传输）；③运动控制方面，创新性地使用麦克纳姆轮作为叶片巡检设备支撑及传动牵引力的组件，实现小车全向行驶的功能；④控制模块方面，由于专利、功耗，以及成本的原因采用开源的Arduino控制板作为小车控制的核心替换了树莓派作为控制核心的模块。

6.2 巡检设备解决常规方案的缺陷

使用巡检设备技术对风电机组叶片进行巡检，有效解决了依靠人力外部观察或委托专业人士进入叶片内巡检存生的安全问题：人工登机造成无效停机时间增长且检查范围有限；运维要求每季度叶片巡检至少1次，工作量庞大；并且原始方式无法很快确定潜在内部损伤；同时巡检人员进入叶片内部检查，人员工作危险性较大。另外，无人机及其他外爬式巡检易受天气条件影响且稳定性、可靠性差，和望远镜一样，只能检查表面而无法判断内部缺陷情况，现有方法均无法快速准确确定叶片潜在内部损伤，这对风电机组可靠运行和争取最大有效利用时间造成了非常大的影响，采用巡检设备技术之后，这些问题都得以解决。

7 巡检设备技术市场分析

叶片内部巡检设备开创了风电机组叶片内部智能设备巡检的先河，为即将在2023年突破300亿元的风力发电行业贡献了相当重要的安全力量，同时也为叶片智能运维开辟了新的技术路线，为新能源风电产业智慧运维提供了新的解决方案。

7.1 项目可行性分析

目前该项目已完成技术样机下线，并通过实际现场工况测试，各项技术指标已完成验证完全达到技术预期。生产资料及各项参数优化已完成，完成全产业链优化的同时优化实体框架加工工艺，具备完全自主设计、完整资料的优势。

7.2 需求预测及分析

7.2.1 市场定位及分析

叶片内部巡检设备针对新能源风力发电行业叶片巡检需求设计，据相关数据，截至2020年国内有11万台风机出质保，出质保业主运维，叶片保养检查都会是相当大的技术难点、痛点，如何让叶片完成20年的服役期，甚至更长时间，是很重要的一个问题，且市场规模非常大。该项目同时也为叶片智能运维开辟了新的技术路线，为新能源风电产业智慧运维提供了新的解决方案，是完全为了解决特定问题而产生的专业技术方案。

7.2.2 市场前景

预计2023年新能源风力发电相关产业会突破300亿元的规模，叶片检查维护存量市场是一个规模很大的蓝海市场，风电机组叶片巡检是必经之路也是必由之路。

7.3 直接收益

风机叶片内部巡检业务一般委托外部专业机构进行，市场价格单支叶片巡检1次1 000元。以1座装机20万kW风电场为例，100台风机，300支叶片，全部巡检1次需要投入约30万元，故如投入设备巡检100台风机可节约费用20～30万元；提前发现叶片存在的损伤减少叶片缺陷带来的继发性危害及其带来的资产损失，其中发现1只叶片便可减少损失约50万元以上。

7.4 间接收益

减少因叶片相关问题带来的停机电量损失（以1座装机20万kW风电场为例，叶片巡检为每季度至少巡检1次，叶片内部巡检设备巡检方式替换人工可单次节省25～60万元（视风资源情况），其中不包含因叶片故障造成的电量损失）；设备巡检替换人工巡检利用智能化手段减少人员数量，保证本质安全。

8 结束语

综上所述，风机叶片是风力发电机组的主要部件，在运行过程中，要经常对其进行巡检，传统的方法存在巡检安全及费用大的问题，就其问题，中铝宁夏能源集团银星能源股份有限公司对其创新发明了风力发电机组叶片巡检设备，属行业内首创实际运用的“风电机组叶片内部巡检设备”与传统巡检方式结合的方式提供针对风电机组叶片全方位外观、结构探伤检测的技术支持，能够为行业内叶片巡检的难点、痛点提供更有效的解决方案，同时，对风电机组叶片能够提供高精准、全方位的叶片健康情况评估，能够提前预警在保障安全可控的要求下降低叶片故障率，保障发电量，避免叶片服役周期内出现重大事故。