超聲波風速風向儀在GE1.5MW風機上的應用

李紅

摘 要：國華輝騰梁風電場的GE1.5MW風機機械式風速風向儀存在有自身缺陷、精度誤差大、備品備件缺乏等問題，根據(jù)市場調(diào)查后，選擇3臺GE風機作為樣機，將原機械式風速風向儀更換為超聲波風速風向儀，文章詳細介紹了更換過程的具體操作措施，跟蹤觀察風機功率曲線變化情況后進行了經(jīng)濟效益與社會效益的分析說明。

關鍵詞：風機；風速風向儀；超聲波；效益

1 背景

國華輝騰梁風電場GE風機單機容量1.5MW，總裝機容量為4.95萬kW，都采用NRG ITEM#3445機械式風速風向儀來完成風速、風向的測量工作。機械式風速風向儀結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，風速、風向相互獨立，其中一個損壞后，只需更換一個即可，無需全部更換。然而機械式風速風向儀除了以上優(yōu)點，其缺點卻更加引起我們的關注。

（1）自身缺陷，導致直接經(jīng)濟損失。由于機械式風速風向儀依靠軸承的轉(zhuǎn)動采集數(shù)據(jù)，在風沙揚塵或者腐蝕性的沿海場合，軸承會由于異物及腐蝕引起卡轉(zhuǎn)，其使用壽命不會超過1年。即使在環(huán)境相對良好的環(huán)境，軸承旋轉(zhuǎn)引起的摩擦阻力變大，導致測量數(shù)據(jù)的累積誤差也會越來越大，無法保證數(shù)據(jù)的可靠性，在輝騰梁每年風速儀的損耗大概在10個左右，風速儀單價為5100元，合計一年風速儀采購費用約為5.1萬元，同時因故障停機時間、檢修時間而產(chǎn)生的電量損失也不可小覷。

（2）精度誤差大，累計成本損失或安全問題。風速風向儀是風機的眼睛和耳朵，在低風速時，如果風速不準，會引起發(fā)電效率低，累積發(fā)電量少；在高風速時，風速不準引起葉片變槳角度偏差，導致葉片表面承受的風壓超出設計范圍，影響葉片的壽命甚至損壞，同時高風速時，如果風速存在較大偏差，導致風機不能及時切出，將引起風機超速甚至倒機，嚴重威脅著風機的生產(chǎn)運營。機械式風向標由于分辨率低，導致風機的截風面積變小，影響著風機的風能吸收，并且其頻繁偏航，加劇偏航電機、編碼器、軸承等機械部件的磨損，增加了運營成本。

（3）公司使用的NRG ITEM#3445機械式風速風向儀已經(jīng)停產(chǎn)，公司也逐步面臨備件更換的局面。然而，現(xiàn)市場上主流也是穩(wěn)定性和可靠性優(yōu)于機械式風速風向儀的產(chǎn)品便是超聲波風速風向儀，它依靠聲波在空氣中傳播，來測量風速風向，測量精度高；由于沒有機械旋轉(zhuǎn)部件，其壽命通常在3年、甚至5年以上且免維護，同時其測量精度和誤差是可信和穩(wěn)定的。正是由于超聲波風速風向儀的以上優(yōu)點，現(xiàn)在越來越多的整機廠都在使用超聲波風速風向儀。

2 具體改進措施

選擇分布在三個方向3臺GE風機作為樣機，將原機械式風速風向儀更換為超聲波風速風向儀，具體操作如下：

（1）機械安裝：為了減少安裝工作量，在原有的支架上加裝安裝附件來固定超聲波風速風向儀。

（2）電源問題：超聲波風速風向儀選用型號為DC 8-78V/AC 12-55V，連接方法采用的是接控制系統(tǒng)的AC24V300VA變壓器（原為NRG的加熱電源），轉(zhuǎn)換模塊電源為DC24V，連接方法亦采用的是接控制系統(tǒng)的DC24V。

（3）信號匹配問題：a.系統(tǒng)采集的風速信號類型為頻率（HZ）；b.系統(tǒng)采集的風向信號類型為4位數(shù)字碼。

（4）工作原理：超聲波測量信號通過RS-485通訊接口與轉(zhuǎn)換模塊連接，轉(zhuǎn)換模塊通過程序控制、電路邏輯運算最終將風速信號與風向信號傳送給風機的控制系統(tǒng)，如圖1所示。

（5）超聲波風速風向儀替換NRG示意圖如圖2所示。

3 效益分析說明

（1）安裝完成后，跟蹤觀察這三臺風機功率曲線變化情況，對比分析結(jié)果：a.風機的功率曲線與往年同期相比，會有明顯優(yōu)化；b.超聲波壽命遠高于機械式，降低了備件的采購成本；c.超聲波風速風向儀的免維護特性，提高了風機的有效運營時間；d.超聲波風速風向儀的高精度、低誤差的特點，降低了機械部件的磨損，延長了葉片等設備的使用壽命。

（2）經(jīng)費預算：本次改造3臺GE風機，超聲波風速風向儀15米電纜（含航空插頭）單個約20000元，共計60000元；轉(zhuǎn)換模塊（含安裝盒）單個約600元，共計1800元；支架安裝附件（加厚不銹鋼）單個約400元，共計1200元；安裝費用，單臺約3000元，共計9000元；綜上合計共72000元。

（3）經(jīng)濟效益與社會效益。a.以輝騰梁風電場一期suzlon風機（已使用超聲波風速風向儀7年）作為參考，在7年時間里超聲波風速風向儀損壞2個（其中一個因遭雷擊損壞），以此計算，預計未來10年時間里，可節(jié)約備件采購成本50萬元，減少因風機故障時間引起的損失50萬元，合計節(jié)約成本100萬元。b.根據(jù)廠家提供的歷史數(shù)據(jù)，當風速在8m/s-12m/s間，使用超聲波風速風向儀的風機功率較機械式風速風向儀的風機高出20-40kW，依據(jù)以往二期風機可利用小時1333計算，單臺風機一年大約可提高發(fā)電收入1萬元。