风力发电设备中的桨叶监控：“减少高达80%的故障停机时间”

1. 就BLADEcontrol?系统在风机覆冰监测和桨叶状态监测的应用方面，采访魏德米勒监测系统负责人Daniel Brenner博士和营销负责人John Reimers博士

覆冰在风力发电设备中如何形成？在哪儿形成？

一般而言，结冰可以在任何地方形成，特别是在雨雪天气。但形成的冰层通常很薄。当风机运转时，经常可见冰在叶片前缘上形成。当空气中的冰粒太大不能转变成叶片周围的气流时，冰层就产生了。也就是说，冰粒撞击叶片前缘并积聚形成冰层。前缘上产生的冰的厚度根据颗粒的密度而变化，颗粒的密度又取决于温度和空气压力。前缘上的冰构成冰块尽可能地在表面堆积，从而形成厚冰层。这就是为什么保守的BLADEcontrol?模型专注于解决冰块的堆积。

结冰的温度各不相同，它们各是什么？是何种气候条件导致它们的发生？

冰通常在大约零度的温度下形成。如果温度远低于零度，空气中几乎没有水分，这意味着只能形成少量的冰。冰的形成条件取决于大量不同的参数。由于冰粒大小是无法测量的，因此冰的形成有时是不可预测的。

风力发电机叶片上的覆冰会导致什么问题?

前缘的冰会改变桨叶的气流，从而降低能量产出。不同的桨叶轮廓对冰层的形成有不同程度的敏感度。

在风机运行时也有冰从叶片上掉下来的风险，这对周边地区构成风险，因此一般都被禁止。有时冰块可能会撞击并损坏下一片桨叶，所以风机本身也受到冰层的危害。 同时，如果冰块从叶片上不均匀地掉落，这可能会导致风机传动系统的不平衡，从而增加了负载，降低了使用寿命。

这对于风机的经济可行性会导致什么后果？

由于性能降低和停机时间的增加，结冰降低了风机的发电量。根据冰层冻结位置，覆冰检测的类型是停机时间的重要因素并可能降低整个项目的盈利能力。

冰层会对人们造成什么风险？

桨叶上的覆冰尤为关键，因为在叶片高达250公里/小时的高速度下意味着冰可以被抛出很长的距离。计算理论投掷距离的最古老和最保守的公式，是轮毂高度和转子直径之和的1.5倍，而这些装置比现在要小得多。 这个公式是否仍然适用于两倍高的风机目前还不清楚。然而，旋转系统的风险半径总是高于固定系统的风险半径，这就是为什么德国的审批当局禁止在冰冻发生的过程中使用风力发电设备的原因。在这种情况下，冰的厚度一旦对周边地区构成风险，就被认为是“严重的”。一般来说，冰层的厚度被假定为1.5至2厘米。

魏德米勒提供什么解决方案以防止叶片上的冰层形成？

魏德米勒BLADEcontrol?桨叶监控系统可以检测桨叶上的结冰状况，并在坠冰对周围地区造成威胁前关闭设备。该系统不能主动防止冰层形成。根据风机的地理位置和气候条件，当冰层形成时停止风机以防止进一步的冰冻，这是明智的。当外部条件发生变化时，风机又重新启动。然而，在德国，标准的方法是在可能对周边地区造成风险的冰层形成初期自动发出信号（停机）。与在风机外壳上进行结冰测量的系统相比，该系统的特别优点在于：风机被停机后，即静止状态时仍然测量覆冰状态。这意味着一旦冰融化或掉落，（达到安全条件时）风机就可以自动启动。在其他侦测系统中，当风机为无冰时，仍需要目视检查叶片，以确保没有冰块，然后手动启动，这显然增加了停机时间。

BLADEcontrol?适用于各种风力发电设备吗？系统安装在哪里？

BLADEcontrol?适用于各个制造商。 其最重要的先决条件是轮毂中的电源。在所有现代化风机中都是如此，其仅在某些亚兆瓦级机型中不能使用。还必须将特定的风机运行数据传送到BLADEcontrol?，例如风速，功率和俯仰角。在桨叶内部的加速度传感器测量信号，这些信号汇集在轮毂中，然后通过WiFi或集电环传输到分析单元中。 分析单元连接到风机使测量结果和安装数据得以交换。

冰冻检测有多？它是基于什么测量原理？以及如何确定不同水平的冰层形成？

冰层的形成增加了桨叶的重量。 这种增加的重量降低了包括叶片在内的所有弹性体的自然振动速度。频率的相对变化与质量的相对变化成反比。 BLADEcontrol? 测量出这种变化。该系统敏感程度足以检测出明显低于危险限度的冰层。基于叶片上的质量分布的假设，这种比例可以确定质量的变化以及冰层的厚度。如果叶片上冰层的实际分布与假设不一致（例如，在雨雪天气中），风机会在监测到比威胁安全原因厚度更薄的冰层时提前停机。在这种情况下，停机以防止风机中的不平衡是明智的。

系统向风机控制单元发出的命令是什么？

BLADEcontrol?只向风机控制单元发送信号，风机如何反应是操作员的责任。 默认情况下，信号包括冰层形成状态、诸如轻微的冰冻或是严重冰冻，以及有关系统、界面、网络和其他参数的功能信息。如果使用桨叶损伤监控功能，在严重损害的情况下，也会传输信号，通过停机来响应这些信号。调整和扩展信号范围以满足客户的要求，例如，包括冰层形成准确信息的冰冻指数传输。

使用BLADEcontrol?，有数据可以证明风机的经济盈利能力有所提高？

与测量风机（机舱）外壳上冰层形成的系统相比，风机的测量数据表明BLADEcontrol?可减少高达80％的停机时间。这取决于风机位置，也就是说安装此系统在一个冬天内便可收回成本。BLADEcontrol?通过桨叶损坏监控可以在侦测叶片早期损伤，从而使叶片的维修成本降低。我们还可以证明桨叶状态监控可防止叶片破损所产生的高达六位数的维护成本。

除风机外，该系统还能应用于何处？是否能在该领域进行研究或进一步发展？

自然振动分析的应用在许多领域都是有意义的。 然而，魏德米勒监测系统将注意力聚焦于风力行业。 我们的重点主要是将系统的功能扩展到两个方面：一方面，这种技术也可以用来监控未来的塔筒和基座，而另一方面，扩展传感器平台进行有助于提高风机发电量的分析。这里的方法包括斜流分析，这意味着风机并不处在其发电的位置，以及检测俯仰角误差，质量不平衡和空气动力学不平衡。