CN101221083A - 使用横向塔架加速度检测非对称积冰的方法和系统 - Google Patents

Abstract

使用横向塔架加速度检测非对称积冰的方法和系统，可以包括：提供横向塔架加速度监控系统；由横向塔架加速度监控系统确定横向塔架加速度是否高于加速度极限；确定是否存在转子质量不平衡状况；并且确定横向塔架加速度是否与转子上的积冰相符。

Description

使用横向塔架加速度检测非对称积冰的方法和系统

技术领域

本发明涉及风轮机转子叶片上出现的冰积聚，更具体的涉及到检测不对称积冰的方法和系统。

背景技术

风轮机一般安装在允许冰积聚(以下称为积冰)的气候条件下。发生在转子叶片(以下称为叶片)上的积冰通常会导致一些问题，包括功率输出减小和几个部件上的更高应力。积冰分为两种形式：对称(在所有叶片上都积冰)和非对称(只在一些叶片上积冰)。非对称积冰增加了风轮机塔架的振动，并且增加了横向塔架加速度。非对称积冰也会导致转子质量的不平衡从而产生更高的疲劳载荷，因此需要更为牢固和更昂贵的风轮机部件。

目前检测非对称积冰的系统通常包括如传感器、风速计、压电变换器之类的附加硬件。此外，风轮机运营商通常必须购买并安装这些附加硬件。

当前用于定位积冰的系统和方法存在一些问题。所需的额外硬件增加了风轮机的安装和运营成本。此外，对于年平均气温高于冰点地理区域，这些检测非对称积冰的额外成本不利于风轮机的运行。

基于上述原因，需要一种使用现有风轮机硬件来检测非对称积冰的方法和系统。该方法无须使用额外硬件。此外，该方法结合横向塔架加速度数据来检测非对称积冰。

发明内容

根据本发明的一个实施例，一种检测风轮机非对称积冰的方法包括：提供横向塔架加速度监控系统；由横向塔架加速度监控系统确定横向塔架加速度是否高于加速度极限；确定是否存在转子质量不平衡状况；并且确定横向塔架加速度是否与转子上的积冰相符。

根据本发明的另一实施例，一种检测风轮机非对称积冰的系统包括：横向塔架加速度监控系统；用于由横向塔架加速度监控系统确定横向塔架加速度是否高于加速度极限的装置；用于确定是否存在转子质量不平衡状况的装置；和用于确定横向塔架加速度是否和转子上的积冰相符的装置。

根据本发明的另一实施例，一种风轮机包括：塔架；吊舱；横向塔架加速度监控系统；用于接收塔架振动数据的装置和用于由横向塔架加速度监控系统确定横向塔架加速度是否高于加速度极限的装置；用于确定是否存在转子质量不平衡状况的装置，其包括：接收转子速度的装置和确定横向塔架加速度频率是否大致为转子频率的装置，或接收转子位置的装置和确定最大塔架加速度是否重复出现在紧接的在前最大塔架加速度所出现的转子位置附近的装置；用于确定横向塔架加速度是否与转子上的积冰相符的装置，其中转子包括多个叶片；用于接收至少一个环境天气状况的装置和用于确定该多个叶片上的至少一个叶片是否具有积冰的潜力的装置；用于确定该多个叶片中哪个叶片正经历积冰的装置；和用于告知该多个叶片中哪个叶片正经历积冰的装置。

根据本发明的另一实施例，提供一种确定风轮机上非对称积冰的方法，该方法包括：提供横向塔架加速度监控系统；接收塔架振动数据和确定横向塔架加速度是否超出加速度极限；确定是否存在转子质量不平衡状况，其包括：接收转子速度并且确定横向塔架加速度频率是否大致为转子频率，或接收转子位置并且确定最大塔架加速度是否重复出现在紧接的在前最大塔架加速度所出现的转子位置附近；确定横向塔架加速度是否与转子上的积冰相符，其中转子包括多个叶片；接收至少一个环境天气状况并确定该多个叶片上的至少一个叶片是否具有积冰的潜力；和确定该多个叶片中哪个叶片正经历积冰；和告知该多个叶片中哪个叶片正经历积冰。

附图说明

图1是示出本发明的实施例的运行环境的示意图。

图2A和2B(统称为图2)为流程图，示出根据本发明实施例的检测非对称积冰的方法的例子。

图3是流程图，示出根据本发明的实施例响应检测非对称积冰方法的例子。

图4是方框图，示出根据本发明的实施例的用于检测非对称积冰的系统的例子。

具体实施方式

如本领域技术人员所理解的，本发明可以方法、系统或计算机程序产品的方式实施。因此，本发明可采用纯硬件的实施方式、纯软件(包括固件、常驻软件、微代码等)的实施方式或软硬件结合的实施方式，通常称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，本发明可采用存储在计算机可读存储介质上的计算机程序产品的方式，该存储介质中记录有计算机可读程序代码。

可使用任何适合的计算机可读介质。计算机可用或计算机可读介质可以为：例如但不限于此，电的、磁的、光学的、电磁的、红外的或半导体的系统、仪器、装置，或传播介质。更具体的计算机可读介质的例子(非穷举性列表)包括以下：具有一个或多个线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便携式致密盘只读存储器(CD-ROM)、光存储装置、诸如支持因特网或内联网的那些的传输介质，或磁存储装置。注意到计算机可用或计算机可读介质甚至可为纸或其他将程序印刷于其上的适合介质，因为程序可被电子捕获，通过例如对纸或其他介质进行光学扫描，然后编译、解码，或以其他合适方式进行处理，如果需要，然后可存储在计算机存储器中。在本文的上下文中，计算机可用或计算机可读介质可以是任何含有、存储、转达、传播或传输能供或者结合指令执行系统、仪器、或装置使用的程序的介质。

本发明的用于执行操作的计算机程序代码可用面向对象的程序设计语言写成，例如Java7、Smalltalk或C++等等。然而，本发明的用于执行操作的计算机程序代码也可用常规过程程序设计语言写成，例如“C”语言或类似语言。程序代码可以独立软件包的形式完全在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行，或者部分地在用户计算机并且部分地在远程计算机或完全在远程计算机上执行。在后者情况下，远程计算机与用户计算机可通过局域网(LAN)或广域网(WAN)连接，或者通过外部计算机连接(例如，通过使用互联网服务提供商的因特网)。

根据本发明的实施例，以下将参考流程图和/或方法、装置(系统)和计算机产品的方框图对本发明进行描述。应当理解，流程图和/或方框图中的每个框图，以及流程图和/或方框图中的每个框图组合由计算机程序指令执行。这些计算机程序指令可设置在公用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置中以产生机器，这样通过计算机或其他可编程数据处理装置执行的指令，形成用于实现流程图和/或方框图一个或多个方块中所指定的功能/动作的装置。

这些计算程序指令也可存储在计算机可读存储器中，该存储器可指示计算机或其他可编程数据处理装置以特殊的方式实现具体功能，这样存储在计算机可读存储器中的计算机程序指令形成包括指令装置的制造条目(article ofmanufacture)，所述指令装置实施流程图和/或方框图一个或多个方块中所指定的功能/动作。计算机程序指令也可装载在计算机或其他可编程数据处理装置上形成一系列操作步骤，所述操作步骤可在计算机或其他可编程数据处理装置上形成计算机执行过程，这样在计算机或其他可编程数据处理装置上执行的指令提供用于实现流程图和/或方框图一个或多个方块中所指定的功能/动作的步骤。

下面参考示出本发明的具体实施例的附图对优选实施例进行详细描述。其他具有不同结构和操作的实施例并没有脱离本发明的范围。

本发明的实施例采用软件应用程序和过程的形式，其利用横向塔架加速度数据来检测风轮机上的非对称积冰。本发明可应用在多种类型的风力涡轮机(以下称为涡轮机)，可包括位于通常不支持积冰的大气条件下的地区的风轮机。

本发明也可设置成在涡轮机工作时，自动或连续监测横向塔架加速度，来确定是否出现非对称积冰。替换的，本发明可设置为用户手动开启操作。

本发明可用作独立系统。替换的，本发明可以作为模块等集成到例如涡轮机控制或工厂控制系统的较宽系统中。

图1为示意图，示出了本发明的实施例运行的环境。其中，涡轮机100包括其上安装吊舱120的塔架110。在吊舱120的横向端安装轮毂130，其支撑多个叶片140。如图所示，吊舱120内设置齿轮箱150和发电机160。齿轮箱150和发电机160通过传动列(drive train)170连接到轮毂130。此外，非对称积冰检测系统180(以下称为系统180)可设置在吊舱120内。与系统180通信的为传感器190。传感器190检测塔架振动。本发明的优点在于传感器190是涡轮机100的普通部件。因此，用户无须购买、安装和维护，也不需要新的传感器。

本发明的系统180的实施例接收来自传感器190的振动数据来确定是否有至少一个叶片140正在经历积冰。

现在参考图2A和2B(统称为图2)，其是根据本发明的实施例的检测非对称积冰的方法200的流程图。在步骤205中，方法200能够监测涡轮机的活动。方法200的实施例可设置为连续运行以确定是否在至少一个叶片上正在进行积冰。

在步骤210中，方法200确定横向塔架加速度是否高于极限。步骤210结合实际的塔架振动数据来计算横向塔架加速度，然后将其与预设加速度极限进行比较。返回参考图1，本发明可从传感器190处接收实际的塔架振动数据。再次参考步骤210，预设加速度极限可以是用户设定的参数。可替换的，预设加速度极限可由步骤210从另一个控制系统得到，例如工厂控制系统等等。如图所示，在步骤210，方法200从步骤215接收塔架振动数据。如果横向塔架加速度没有高于极限则方法200返回到步骤205，否则方法200前进到步骤220或步骤230。

本发明可用在涡轮机上，该涡轮机具有至少一个传感器能够提供转子速度数据或转子位置数据给方法200。如果本发明在具有传感器提供转子速度的涡轮机上应用时，方法200从步骤210进行到步骤220；如果本发明在具有传感器提供转子位置的涡轮机上应用时，则方法200从步骤210进行到步骤230。

在步骤220，方法200确定横向塔架加速度的频率是否类似于转子频率。步骤220将步骤210的横向塔架加速度的频率与实际转子速度进行比较。如图所示，步骤220从步骤225接收转子速度数据。如图所示，转子速度可从涡轮机上的预先存在的传感器接收到。如果横向塔架加速度的频率接近实际转子速度，则步骤200进行到步骤240；否则方法200回到步骤205。

在步骤230中，方法200确定最大横向塔架加速度是否周期性的发生在相同的转子位置附近。步骤230首先确定最大横向塔架加速度的值。接着，步骤230确定该值是否重复出现在相同的转子位置处或附近。如图所示，步骤230从步骤235接收转子位置数据。如图所示，转子位置数据可从涡轮机上预先存在的传感器接收到。如果最大横向塔架加速度重复出现在相同的转子位置或附近，则步骤200进行到步骤240；否则方法200返回到步骤205。

在步骤240中，方法200确定转子质量可能的不平衡状态。方法200设置提供转子质量可能的不平衡状况的通知。该通知可为不同形式的警报，例如但不限于，音频信号、图形或文字消息。

在步骤245中，方法200确定至少一个叶片是否存在积冰的可能性。步骤245利用环境天气状况数据来确定是否会出现积冰。例如但不限于，本发明的实施例可利用温度、湿度和大气压来确定是否会出现积冰。如图所示，步骤245从步骤250接收环境天气状况数据。涡轮机一般具有提供环境天气状况数据的硬件，因此本发明不需要附加硬件。如果步骤245确定环境天气状况会导致积冰，则方法200进行到步骤255；否则方法200回到步骤205。

在步骤255中，由于至少一个叶片具有积冰，方法200确定实际塔架加速度是否与横向塔架加速度相符。如图所示，步骤255从步骤260接收转子数据(如转子位置或转子速度)，并且从步骤265接收塔架振动数据。接着，步骤255利用接收到的数据计算横向塔架加速度的范围，其可由至少一个叶片上的积冰产生。接着，在步骤255中将计算出的横向塔架加速度与实际横向塔架加速度相比较。替换的，本发明的实施例可将实际横向塔架加速度与先前存储或估计的值进行比较。如果步骤255确定实际横向塔架加速度与计算出的横向塔架加速度相符，则方法200进行到步骤270；否则方法200返回到步骤205。替换的，如果步骤255确定实际横向塔架加速度与先前存储或估计的值相符，则方法200进行到步骤270；否则方法200返回到步骤205。

在步骤270中，方法200确定哪个或者哪些叶片正在经历积冰。例如，但不限于，方法200在步骤270中可确定积冰是否出现在叶片1、或叶片2、或叶片3或其任何和所有组合上。此外，在步骤275中，方法200可提供哪个或哪些叶片正在积冰的通知。与步骤240类似，该通知可为不同形式的警报，例如但不限于，音频信号、图形或文字消息。此外，步骤200可将积冰状况传递到其他控制系统中，例如涡轮机控制系统、工厂控制系统等等。

现在参看图3，其是流程图，示出根据本发明的实施例的响应检测非对称积冰方法的例子。

在步骤310中，方法300从方法200中接收至少一个叶片积冰的通知。这里，方法300可以采用控制系统的形式。该控制系统可包括例如，但不限于，涡轮机控制系统、工厂控制系统等等。该通知可由控制系统接收，通过例如但不限于，有线、无线或其他电子传送通知的形式。

在步骤320中，方法300可执行至少一个反应测量(reactive measure)来减少或去除积冰。反应测量可包括，例如但不限于，减小转子速度、降低发电设定点、制动程序等等。

在步骤330中，方法300对已执行的(多个)反应测量提供状态通知。该通知可为不同形式的警报，例如但不限于，音频信号、图形或文字消息。

图4是步骤图，示出根据本发明的实施例检测非对称积冰的示例性系统200。方法200的要素可嵌入在系统400中和由其实现。系统400可包括一个或多个用户或客户通信装置402或类似系统或装置(图4中示出两个)。每个通信装置402可以是，例如但不限于，计算机系统、个人数字助理、蜂窝电话、或可传送和接收电子信息的类似装置。

通信装置402可包括系统存储器404或本地文件系统。系统存储器404可包括，例如但不限于，只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。ROM可包括基本的输入/输出系统(BIOS)。BIOS可包含在通信装置402的部件或元件间传递信息的基本程序。系统存储器404可包括操作系统406来控制通信装置402的全部操作。系统存储器404也可包括浏览器408或网页浏览器。系统存储器404也可包括数据结构410或计算机可执行代码来类似图2A和2B中的方法200或包含方法200的要素那样检测非对称积冰。

系统存储器404可进一步包括模板高速缓冲存储器412，其可与图2A和2B的方法200一起使用从而自动存储从最新的非对称积冰检测得到的数据。

通信装置402也可包括处理器或处理单元414，用来控制通信装置402的其他部件的操作。操作系统406、浏览器408、数据结构410由处理器414操作。处理器414可通过系统总线416连接存储器系统404和通信装置402的其他部件。

通信装置402也可包括多个输入装置、输出装置或组合输入/输出装置418。每个输入/输出装置418可通过输入/输出接口(图4未显示)连接到系统总线416。输入和输出装置或组合I/O装置418允许用户操作和接口连接通信装置402并且控制浏览器408和数据结构410的操作以访问、操作和控制软件检测非对称积冰。I/O装置418可包括键盘和计算机指点设备等等以执行这里所述的操作。

I/O装置418也可包括，例如但不限于，磁盘驱动器、光学、机械、磁性或红外输入/输出装置、调制解调器等等。I/O装置418可用来访问介质420。介质420可包含、存储、传送或传输供或结合诸如通信装置402的系统使用的计算机可读或计算机可执行指令或其他信息。

通信装置402也可包括或连接到其他装置，例如显示器或监视器422。监视器422可允许用户界面连接通信装置402。

通信装置402也可包括硬盘驱动器424。硬盘驱动器424可通过硬盘驱动接口(图4中未显示)耦合至系统总线416。硬盘驱动器424也可形成本地文件系统或系统存储器404的一部分。程序、软件和数据可在系统存储器404和硬盘驱动器424之间传输和交换用以操作通信装置402。

通信装置402可通过网络428与远端服务器426进行通信并访问其他服务器或其他与通信装置402相类似的通信装置。系统总线416可通过网络接口430耦合至网络428。网络接口430可以是用于耦合至网络428的调制解调器、以太网卡、路由器、网关等。所述耦合可以是有线连接或无线连接。网络428可为因特网、专用网、内联网等等。

服务器426也可包括系统存储器432，其包括：文件系统、ROM、RAM等等。系统存储器432可包括操作系统434，其与通信装置402中的操作系统406相似。系统存储器432也可包括数据结构436用以检测涡轮机的非对称积冰。数据结构436包括的运算与前文所描述的本发明的实施例中的检测非对称积冰的方法200类似。服务器系统存储器432也可包括其他文件438、应用程序、模块等等。

服务器426也可包括处理器442或处理单元来控制服务器426的其他装置的运行。服务器426也可包括I/O装置444。I/O装置444可与通信装置402的I/O装置418相类似。服务器426可进一步包括其他装置446，例如监视器等等以提供接口使I/O装置444连接到服务器426。服务器426也可包括硬盘驱动器448。系统总线450可连接服务器426的不同部件。网络接口452可通过系统总线450将服务器426耦合到网络428。

图中的流程图和步骤图示出了根据本发明的不同实施例的系统、方法和计算机程序产品的体系结构、功能和可能实现的操作。在这点上，流程图或步骤图中的每个步骤可代表模块、段、或代码的一部分，其包括一个或多个用于实现具体逻辑功能的可执行指令。也应该注意到，在一些替换实施方式中，图中所示的步骤的功能可以与图中所示的次序不同。例如，两个接连示出的步骤实际上可以同时进行，或者有时候步骤可以以相反的次序进行，这取决于所含功能。也应该注意到，方框图和流程图中的每个步骤以及方框图和流程图中的步骤组合可以由可执行特定功能或动作的基于专用硬件的系统或专用硬件与计算机指令的组合来实施。

这里所用的名称仅是为了描述具体实施例，而不能用于限制本发明的保护范围。除非文中明示，这里所用的单数形式“一”、“一个”和“该”也包括复数形式。进一步应该理解，术语“包括”和/或“包含”，当其在说明书使用时用于说明所存在的确定特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不能排除其另外的一个或多个特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在。

尽管这里用具体实施例进行了说明和描述，但本领域技术人员可以理解任何预计能达到相同目的的方式都可以替换所述具体实施例，并且本发明在其他环境条件下具有其他应用。这些应用应覆盖本发明的修改或变形。所附权利要求决不会打算将本发明的范围限定为这里所述的具体实施例。

部件列表

涡轮机                100

塔架                  110

吊舱                  120

轮毂                  130

多个叶片              140

齿轮箱                150

发电机                160

传动列                170

非对称积冰检测系统    180

传感器                190

系统                  400

通信装置              402

系统存储器            404

操作系统              406

浏览器                408

数据结构              410

高速缓冲存储器        412

处理单元              414

系统总线              416

输入/输出装置         418

介质                  420

监控器                422

硬盘驱动器                  424

服务器                      426

网络                        428

网络接口                    430

存储器                      432

操作系统                    434

数据结构                    436

其他文件                    438

处理器                      442

I/O装置                     444

其他装置                    446

硬盘驱动器                  448

系统总线                    450

网络接口                    452

Claims (10)

1.一种检测风轮机上非对称积冰的方法(200)，该方法包括：

提供横向塔架加速度监控系统；

由横向塔架加速度监控系统确定横向塔架加速度是否高于加速度极限(210)；

确定是否存在转子质量不平衡状况(220，230)；以及

确定横向塔架加速度是否与转子上的积冰相符，包括接收转子位置(255)。

2.如权利要求1所述的方法，其中确定横向塔架加速度是否高于加速度极限包括接收塔架振动数据(215)，所述塔架振动数据将用于确定横向塔架加速度是否高于加速度极限的步骤(210)。

3.如权利要求1所述的方法，其中确定是否存在转子质量不平衡状况包括确定横向塔架加速度频率是否大致为转子频率(220)。

4.如权利要求3所述的方法，进一步包括接收转子速度的步骤(225)。

5.如权利要求1所述的方法，其中确定是否存在转子质量不平衡状况包括确定最大横向塔架加速度是否重复出现在紧接的在前最大塔架加速度所出现的转子位置附近(230)。

6.如权利要求5所述的方法，进一步包括接收转子位置的步骤(235)。

7.如权利要求1所述的方法，其中转子包括多个叶片(140)，该方法进一步包括确定该多个叶片(140)中的至少一个叶片是否具有积冰的潜力(245)。

8.如权利要求7所述的方法，其中确定该多个叶片(140)中的至少一个叶片是否具有积冰的潜力的步骤进一步包括接收至少一个环境天气状况的步骤(250)。

9.如权利要求7所述的方法，进一步包括：

确定该多个叶片(140)中的哪个叶片正经历积冰(270)；以及

对该多个叶片(140)中的哪个叶片正经历积冰提供通知。

10.一种风轮机(100)，包括：

塔架(110)；

吊舱(120)；

横向塔架加速度监控系统；

用于接收塔架振动数据的装置和用来由横向塔架加速度监控系统确定横向塔架加速度是否高于加速度极限的装置；

用于确定是否存在转子质量不平衡状况的装置，其包括：

用于接收转子速度的装置和用于确定横向塔架加速度频率是否大致为转子频率的装置；或

用于接收转子位置的装置和用于确定最大塔架加速度是否重复出现在紧接的在前最大塔架加速度所出现的转子位置附近的装置；

用于确定横向塔架加速度是否与转子上的积冰相符的装置，其中转子包括多个叶片(140)；

用于接收至少一个环境天气状况的装置和用于确定该多个叶片(140)中的至少一个叶片是否具有积冰的潜力的装置；

用于确定该多个叶片(140)中的哪个叶片正经历积冰的装置；和

用于对该多个叶片(140)中的哪个叶片正经历积冰提供通知的装置。

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