超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀在GE1.5MW風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用

李紅

摘 要：國(guó)華輝騰梁風(fēng)電場(chǎng)的GE1.5MW風(fēng)機(jī)機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀存在有自身缺陷、精度誤差大、備品備件缺乏等問(wèn)題，根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查后，選擇3臺(tái)GE風(fēng)機(jī)作為樣機(jī)，將原機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀更換為超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，文章詳細(xì)介紹了更換過(guò)程的具體操作措施，跟蹤觀察風(fēng)機(jī)功率曲線變化情況后進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的分析說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)；風(fēng)速風(fēng)向儀；超聲波；效益

1 背景

國(guó)華輝騰梁風(fēng)電場(chǎng)GE風(fēng)機(jī)單機(jī)容量1.5MW，總裝機(jī)容量為4.95萬(wàn)kW，都采用NRG ITEM#3445機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀來(lái)完成風(fēng)速、風(fēng)向的測(cè)量工作。機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，風(fēng)速、風(fēng)向相互獨(dú)立，其中一個(gè)損壞后，只需更換一個(gè)即可，無(wú)需全部更換。然而機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀除了以上優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)卻更加引起我們的關(guān)注。

（1）自身缺陷，導(dǎo)致直接經(jīng)濟(jì)損失。由于機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀依靠軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)采集數(shù)據(jù)，在風(fēng)沙揚(yáng)塵或者腐蝕性的沿海場(chǎng)合，軸承會(huì)由于異物及腐蝕引起卡轉(zhuǎn)，其使用壽命不會(huì)超過(guò)1年。即使在環(huán)境相對(duì)良好的環(huán)境，軸承旋轉(zhuǎn)引起的摩擦阻力變大，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)的累積誤差也會(huì)越來(lái)越大，無(wú)法保證數(shù)據(jù)的可靠性，在輝騰梁每年風(fēng)速儀的損耗大概在10個(gè)左右，風(fēng)速儀單價(jià)為5100元，合計(jì)一年風(fēng)速儀采購(gòu)費(fèi)用約為5.1萬(wàn)元，同時(shí)因故障停機(jī)時(shí)間、檢修時(shí)間而產(chǎn)生的電量損失也不可小覷。

（2）精度誤差大，累計(jì)成本損失或安全問(wèn)題。風(fēng)速風(fēng)向儀是風(fēng)機(jī)的眼睛和耳朵，在低風(fēng)速時(shí)，如果風(fēng)速不準(zhǔn)，會(huì)引起發(fā)電效率低，累積發(fā)電量少；在高風(fēng)速時(shí)，風(fēng)速不準(zhǔn)引起葉片變槳角度偏差，導(dǎo)致葉片表面承受的風(fēng)壓超出設(shè)計(jì)范圍，影響葉片的壽命甚至損壞，同時(shí)高風(fēng)速時(shí)，如果風(fēng)速存在較大偏差，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)不能及時(shí)切出，將引起風(fēng)機(jī)超速甚至倒機(jī)，嚴(yán)重威脅著風(fēng)機(jī)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。機(jī)械式風(fēng)向標(biāo)由于分辨率低，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的截風(fēng)面積變小，影響著風(fēng)機(jī)的風(fēng)能吸收，并且其頻繁偏航，加劇偏航電機(jī)、編碼器、軸承等機(jī)械部件的磨損，增加了運(yùn)營(yíng)成本。

（3）公司使用的NRG ITEM#3445機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)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(chǎng)上主流也是穩(wěn)定性和可靠性?xún)?yōu)于機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀的產(chǎn)品便是超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，它依靠聲波在空氣中傳播，來(lái)測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向，測(cè)量精度高；由于沒(méi)有機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，其壽命通常在3年、甚至5年以上且免維護(hù)，同時(shí)其測(cè)量精度和誤差是可信和穩(wěn)定的。正是由于超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的以上優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在越來(lái)越多的整機(jī)廠都在使用超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀。

2 具體改進(jìn)措施

選擇分布在三個(gè)方向3臺(tái)GE風(fēng)機(jī)作為樣機(jī)，將原機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀更換為超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，具體操作如下：

（1）機(jī)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(lái)固定超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀。

（2）電源問(wèn)題：超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀選用型號(hào)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(hào)匹配問(wèn)題：a.系統(tǒng)采集的風(fēng)速信號(hào)類(lèi)型為頻率（HZ）；b.系統(tǒng)采集的風(fēng)向信號(hào)類(lèi)型為4位數(shù)字碼。

（4）工作原理：超聲波測(cè)量信號(hào)通過(guò)RS-485通訊接口與轉(zhuǎn)換模塊連接，轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)程序控制、電路邏輯運(yùn)算最終將風(fēng)速信號(hào)與風(fēng)向信號(hào)傳送給風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)，如圖1所示。

（5）超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀替換NRG示意圖如圖2所示。

3 效益分析說(shuō)明

（1）安裝完成后，跟蹤觀察這三臺(tái)風(fēng)機(jī)功率曲線變化情況，對(duì)比分析結(jié)果：a.風(fēng)機(jī)的功率曲線與往年同期相比，會(huì)有明顯優(yōu)化；b.超聲波壽命遠(yuǎn)高于機(jī)械式，降低了備件的采購(gòu)成本；c.超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的免維護(hù)特性，提高了風(fēng)機(jī)的有效運(yùn)營(yíng)時(shí)間；d.超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的高精度、低誤差的特點(diǎn)，降低了機(jī)械部件的磨損，延長(zhǎng)了葉片等設(shè)備的使用壽命。

（2）經(jīng)費(fèi)預(yù)算：本次改造3臺(tái)GE風(fēng)機(jī)，超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀15米電纜（含航空插頭）單個(gè)約20000元，共計(jì)60000元；轉(zhuǎn)換模塊（含安裝盒）單個(gè)約600元，共計(jì)1800元；支架安裝附件（加厚不銹鋼）單個(gè)約400元，共計(jì)1200元；安裝費(fèi)用，單臺(tái)約3000元，共計(jì)9000元；綜上合計(jì)共72000元。

（3）經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。a.以輝騰梁風(fēng)電場(chǎng)一期suzlon風(fēng)機(jī)（已使用超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀7年）作為參考，在7年時(shí)間里超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀損壞2個(gè)（其中一個(gè)因遭雷擊損壞），以此計(jì)算，預(yù)計(jì)未來(lái)10年時(shí)間里，可節(jié)約備件采購(gòu)成本50萬(wàn)元，減少因風(fēng)機(jī)故障時(shí)間引起的損失50萬(wàn)元，合計(jì)節(jié)約成本100萬(wàn)元。b.根據(jù)廠家提供的歷史數(shù)據(jù)，當(dāng)風(fēng)速在8m/s-12m/s間，使用超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的風(fēng)機(jī)功率較機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀的風(fēng)機(jī)高出20-40kW，依據(jù)以往二期風(fēng)機(jī)可利用小時(shí)1333計(jì)算，單臺(tái)風(fēng)機(jī)一年大約可提高發(fā)電收入1萬(wàn)元。