基于光纖傳感的風電場技術(shù)應(yīng)用

齊岳山山巔，隨風而轉(zhuǎn)的白色風機，在藍天白云映襯下，定格出一幅幅美麗的畫面。

齊岳山風力變電站坐落于利川市齊岳山之巔，是中國南方最大風力發(fā)電場，也是全國十大風場之一。

今年6月，國內(nèi)首個高校自主研發(fā)的基于光纖傳感的風機槳葉形變監(jiān)控系統(tǒng)在這里成功試運行，標志著湖北民族大學工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及先進傳感技術(shù)研發(fā)團隊在此領(lǐng)域取得重大突破，將為我州建設(shè)“兩山”實踐創(chuàng)新示范區(qū)作出綠色貢獻。

運維技術(shù)，亟需“國產(chǎn)化”

齊岳山平均海拔1700米，即使夏天最熱的時候，氣溫也僅20℃左右。因其特殊的地形和氣流循環(huán)，形成了一個內(nèi)陸地區(qū)較大的風帶，常年盛行東南風。經(jīng)測試，一年中有3679到5957小時為風力發(fā)電的最佳風速，主要參數(shù)均達到風能豐富區(qū)的標準，非常適合建立風力發(fā)電場。

既要金山銀山，更要綠水青山。

于2010年陸續(xù)投產(chǎn)的齊岳山風電場，是我州第一批投產(chǎn)的風電場，源源不斷輸出的清潔能源，為我國實現(xiàn)“雙碳”目標作出了應(yīng)有貢獻。

千百年來，任憑大風白白吹過的日子一去不復返。

然而，轉(zhuǎn)動的風機背后是一串不為人知的數(shù)字：幾百臺風電機組的維護，需要運維人員每年塔筒爬高4924米、巡檢線路1000多公里。

數(shù)字背后，辛苦和艱難自不必言說。每年冬天，積雪覆蓋，檢修車輛無法開到風機檢修平臺，風電人只能徒步上山，開車幾分鐘的路程常常要步行一兩個小時。夏天，風機葉片旋轉(zhuǎn)帶動機艙中的齒輪箱、發(fā)電機運行，設(shè)備溫度升高，致使密閉的機艙內(nèi)溫度太高，運維人員在機艙內(nèi)檢修作業(yè)，衣服常常是濕了干，干了又濕。

隨著時間推移，風電設(shè)備長期與高溫、高寒、風沙、潮濕、鹽霧等環(huán)境相伴，風電場的風機壽命過半、故障較多，而運維人員相對較少。如何實現(xiàn)風電機組的高效穩(wěn)定運行，如何在日常維護方面降本增效，成為風電產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)新一輪騰飛必須解決的問題。

“我國風電起步較晚，相較于風電技術(shù)發(fā)達、風電設(shè)備運維成熟的歐美國家，我國風電設(shè)備運維還存在一定差距，缺乏系統(tǒng)的、預(yù)見性的設(shè)備管理和運維體系?！饼R岳山某風電場相關(guān)負責人介紹，目前國外已經(jīng)有了比較成熟的監(jiān)測系統(tǒng)，但購買成本太高，相關(guān)技術(shù)“國產(chǎn)化”已成當務(wù)之急。

自主研發(fā)，首次投用齊岳山風電場

2021年9月，齊岳山某風電場相關(guān)負責人輾轉(zhuǎn)得知湖北民族大學智能科學與工程學院所屬的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及先進傳感技術(shù)研發(fā)團隊正在進行相關(guān)方面研究，隨即與該團隊接洽、磋商并達成合作協(xié)議，著手研發(fā)基于光纖傳感的風機槳葉形變監(jiān)控系統(tǒng)。

該團隊負責人錢楷是安徽人，碩博分別就讀于安徽大學和上海交通大學光學專業(yè)，博士畢業(yè)后赴法國從事博士后研究工作。2014年，錢楷進入湖北民族大學任教，并擔任智能科學與工程學院副院長。

團隊前期承擔了國家自然科學基金項目基于雙洛倫茲型光纖光柵快慢光的超高靈敏度傳感器研究以及光纖光柵的架空線弧垂及舞動監(jiān)控系統(tǒng)等相關(guān)課題，積累了豐富的光纖傳感研發(fā)經(jīng)驗。

“作為州內(nèi)高校，助力本地企業(yè)健康發(fā)展責無旁貸?！背薪禹椖垦芯咳蝿?wù)以來，錢楷帶領(lǐng)團隊另外3名教師和4名研究生，幾乎整天泡在實驗室，獨立完成了傳感器設(shè)計、光路搭建、解調(diào)電路設(shè)計制作及大數(shù)據(jù)平臺開發(fā)等工作。實驗中，每一步進展都需要大量的實驗數(shù)據(jù)做支撐，每一個細節(jié)都需要不斷地調(diào)試和完善。

今年3月，團隊自行設(shè)計、具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的傳感系統(tǒng)完成實驗室樣機測試，并在齊岳山風電場102號風機安裝調(diào)試。

“我們共安裝調(diào)試了12次。安裝階段，在葉片里面一待就是一整天，有時候晚上才下來。”錢楷打趣道，每次進去調(diào)試就像是經(jīng)歷了一次季節(jié)更替。

經(jīng)過反復調(diào)試，今年6月，傳感系統(tǒng)克服嚴寒、高溫、強電磁干擾等惡劣工作環(huán)境，實現(xiàn)穩(wěn)定工作。截至目前，系統(tǒng)已穩(wěn)定運行近100天。

錢楷介紹，基于光纖傳感的風機槳葉形變監(jiān)控系統(tǒng)主要由光纖傳感器、傳輸光纖、解調(diào)儀表、數(shù)據(jù)傳輸模塊和監(jiān)測軟件組成，科研人員將光纖傳感器布置在葉片指定位置，傳感器將信號通過光纖傳輸至解調(diào)儀進行數(shù)據(jù)采集，再通過專業(yè)軟件進行分析判斷。

光纖傳感是利用光學方式對外界信號進行感知，具有高靈敏度、抗電磁干擾、質(zhì)量輕等一系列優(yōu)勢，是傳感領(lǐng)域最重要的發(fā)展方向。”錢楷介紹，團隊獨立自主研發(fā)的基于光纖傳感的風機槳葉形變監(jiān)控系統(tǒng)，具有高穩(wěn)定性、低成本等優(yōu)勢。該系統(tǒng)運用于風機運維，不僅提升了風電機組運行監(jiān)測水平，提高了風電葉片維修保障效率，降低了檢查維護成本，而且打破了國外技術(shù)限制，率先形成自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品，提升了行業(yè)標準，為恩施州打造華中地區(qū)重要的潔凈能源基地提供了科技支撐。

足不出戶，實現(xiàn)預(yù)警干預(yù)

9月4日，102號風機葉片溫度42攝氏度，旋轉(zhuǎn)角速度1.5弧度每秒，1-1號光柵應(yīng)變峰值在150微應(yīng)變以內(nèi)……系統(tǒng)工作正常。

湖北民族大學智能科學與工程學院實驗教學中心，基于光纖傳感的風機槳葉形變監(jiān)控系統(tǒng)的電子顯示屏上，風機葉片的溫度、旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度等監(jiān)測數(shù)據(jù)一目了然。

青年教師邱達是該團隊研發(fā)成員之一，他現(xiàn)場用手機展示了風機葉片的運轉(zhuǎn)情況。每個光纖傳感探頭相當于一個神經(jīng)元，可以實現(xiàn)槳葉覆冰、應(yīng)變、溫度的全時監(jiān)控。風電設(shè)備的狀態(tài)分析是風險評估、可靠性分析、壽命管理、預(yù)知性維修等運維工作的前提。通過監(jiān)測系統(tǒng)，不僅在實驗室的電子顯示屏上可以直觀觀測葉片的運轉(zhuǎn)情況，還可以通過手機端的風機葉片監(jiān)測平臺，隨時隨地觀測葉片的運轉(zhuǎn)情況。

齊岳山巔，102號風機像一根“定海神針”，直插云霄，風機葉片則像一根根碩大無比的羽毛。每片風機葉片長約50米，重達7噸。

9月4日上午，錢楷身著工裝，頭戴安全帽，通過狹窄的鐵門進入塔筒，徒手登上2層平臺，到達風機塔筒內(nèi)部的筆直爬梯前。

從下往上望去，黑乎乎的看不到頂。檢修風機要從這里爬上去，錢楷不記得自己已多少次從這里上上下下、進進出出了。

他熟練地綁定安全帶，然后乘坐免爬器，10分鐘左右上升80米，相當于近30層樓的高度，到達塔筒頂部對傳感器進行檢修。錢楷介紹，每片槳葉上安裝有8個傳感器，其中6個是應(yīng)變傳感器，2個為溫度傳感器，每臺風機安裝有24個傳感器。

由于太陽暴曬，風機葉片里面的溫度近50攝氏度。進去沒多久，錢楷就已汗流浹背。

“基于光纖傳感的風機槳葉形變監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅解決了運維人員人手少的問題，而且收到了事半功倍的效果?！卞X楷此次進入塔筒檢修，是因為電磁干擾，傳感數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常。經(jīng)過一個多小時的檢修，異常解除。

目前，錢楷正帶領(lǐng)團隊對系統(tǒng)進行進一步調(diào)試、完善，不斷拓展應(yīng)用范圍。屆時，操作人員足不出戶便可及時、準確、實時掌握風機葉片運行狀態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)問題并采取干預(yù)措施，為風電安全運行保駕護航。

編輯：黃飛