CN113891994A

CN113891994A - 检测液压变桨系统中的泄漏的方法

Info

Publication number: CN113891994A
Application number: CN202080037407.5A
Authority: CN
Inventors: K·F·安徒生; A·查儿丽; C·达拉格波尔维格; K·埃文斯; D·福特纳; D·弗雷德里克森
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Priority date: 2019-05-21
Filing date: 2020-04-24
Publication date: 2022-01-04
Also published as: EP3947966A1; WO2020233941A1; US20220349771A1; EP3741993A1; US12038352B2; DK3947966T3; ES2936800T3; EP3947966B1

Abstract

本发明描述了一种检测风力涡轮机（WT1、WT2……WTn）的转子叶片变桨系统（2、SA、SB、SC）的液压缸（20）中的泄漏的方法，所述风力涡轮机包括多个转子叶片，所述方法包括以下步骤：选择变桨系统（SA、SB、SC）中的一个，以经受功能性测试；致动流体泵（P_ABC），以将变桨系统（SA、SB、SC）的液压缸（20）的活塞（200）移动到它们的最外侧位置；在对所选择的变桨系统（SA）执行功能性测试的同时，监测未选择的变桨系统（SB、SC）的液压缸压力水平（A_data、B_data、C_data）；以及分析变桨系统（SA、SB、SC）的所监测的液压缸压力水平（A_data、B_data、C_data），以检测未选择的变桨系统（SB）的变桨缸（20）中的压力下降。本发明进一步描述了变桨控制的风力涡轮机（WT1、WT2……WTn）的一种泄漏检测布置（1）；以及一种变桨控制的风力涡轮机（WT1、WT2……WTn）。

Description

检测液压变桨系统中的泄漏的方法

本发明描述了一种检测风力涡轮机转子叶片变桨系统（pitch system）的液压缸（hydraulic cylinder）中的泄漏的方法、以及变桨控制的风力涡轮机的一种泄漏检测布置。

风力涡轮机的转子叶片通常借助于液压变桨系统被安装到轮毂，使得转子叶片能够关于其纵向轴线被变桨距（pitch）。以这种方式，转子叶片可以被变桨距到风中，以从风中提取尽可能多的能量。同样地，转子叶片可以被变桨距以从风中离开，从而在恶劣风条件期间避免过多的负荷。

如果变桨系统发展出严重故障，从而阻止了转子叶片被正确地变桨距，则可能有必要关闭风力涡轮机。这种严重故障可能是未检测到的轻微故障的结果，该轻微故障例如变桨缸（pitch cylinder）中的密封的逐渐恶化。停机时间可能会延长数小时或甚至数天，例如当必须针对海上风力涡轮机来调度维护过程时。停机时间是昂贵的，并且可能对风力涡轮机的年度能量产生（AEP）具有不利的影响。因此，能够标识故障的存在并且定位该故障是重要的。

然而，在诸如转子叶片变桨系统之类的复杂液压回路中，可能难以标识故障及其位置。在一些情况下，液压回路中的非预期行为可以被检测到并且作为警报被报告给风力涡轮机控制器。液压相关的警报可能指示变桨系统的液压泵的问题、压力的非预期改变等。这种警报非常笼统，并且通常无法清楚地标识实际的根本原因。例如，对于液压回路中的压力的非预期改变，可能存在若干个原因。由于这些原因，变桨缸中的泄漏可能不会被检测到，直到它发展成严重故障，该严重故障可以被容易地检测到，但是会导致风力涡轮机必须被关闭。

标识变桨缸中的泄漏的一种方式可能是针对风力涡轮机来调度定期检查过程。该检查将涉及以下步骤：手动闭合变桨缸周围的阀，通过压力接头（pressure nipple）对液压缸施加压力，并且监测跨该缸的压力差。压力下降将指示该缸中的泄漏。为了执行这种检查，针对每个变桨系统，通常将需要两个技术人员以及若干个小时（在其中通常有三个小时）。显然，在具有数十或甚至数百个风力涡轮机的风场（wind park）的情况下，这种定期检查过程的成本将高昂得令人难以承受。

在替代的方法中，通过分析由涡轮机控制器随时间记录的液压相关警报的警报栈（alarmstack），有可能缩小变桨系统中的可能故障候选的数量。传入的警报通常与时间、警报类型以及发送器（例如，液压系统）一起被记录，使得警报栈中的警报的模式可以给出关于故障来源的一些线索。然而，由于在液压系统中任何一个时间处都可能存在若干个故障，并且因为警报可能是由于与实际故障并不直接相关的原因而发出的，因此可能难以从液压警报栈的分析中得出提供有用信息的结论。

因此，本发明的目的是提供一种检测转子叶片变桨系统的变桨缸中的泄漏的经济且准确的方式。

该目的通过检测转子叶片变桨系统的液压缸中的泄漏的权利要求1的方法；以及通过权利要求5的泄漏检测布置来实现。

根据本发明，检测转子叶片变桨系统的液压缸中的泄漏的方法包括以下步骤：选择变桨系统以经受功能性测试；致动液压回路的流体泵，以将所选择的变桨系统的变桨缸活塞（pitch cylinder piston）移动到它们的最外侧或“停止”位置，并且因此也将未选择的变桨系统的变桨缸活塞移动到它们的最外侧或“停止”位置；在对所选择的变桨系统执行功能性测试的同时，监测所选择的变桨系统和未选择的变桨系统的液压缸压力水平；以及分析所监测的液压缸压力水平，以检测未选择的变桨系统的变桨缸中的压力下降。

在本发明的上下文中，假定风力涡轮机是具有多个转子叶片（通常为三个）的变桨控制的风力涡轮机。每个转子叶片具有一变桨系统，使得变桨系统的数量与转子叶片的数量相同。通常同时调节转子叶片的桨距角，以便避免不均匀的负荷效应。因此，在下文中，可以假定风力涡轮机在液压回路中实现变桨系统，该液压回路具有公共的泵和罐（tank），以及用于每个变桨系统的蓄能器（accumulator）。可以假定变桨系统以相同的阀配置、流体管线直径等被相同地实现。

致动液压回路以将变桨系统的活塞移动到它们的“停止”位置的步骤可以被理解为包括：将泵致动，以迫使加压流体进入缸的端部腔室（end chamber）中，直到活塞完全出来，并且然后调节相关的阀以维持该状态。在本文档的上下文中，术语“液压缸”和“缸”可以互换地使用，并且应理解为具有相同的含义。

本发明方法的优点是可以快速地标识有缺陷的缸，这是由于在未选择的变桨系统中观察到的压力下降将指示该变桨系统的液压缸中存在泄漏。以这种方式，快速地标识这种缺陷是可能的，使得可以及时地调度维护过程，从而避免不必要的停机时间。

本发明基于如下洞察：即，在对另一个变桨系统执行惯常功能性测试期间，可能会将错误的桨距检测为“意外收获效应（bonus effect）”。发明人已经认识到，当针对所选择的变桨系统发起功能性测试时，所有变桨系统的活塞将被推到它们的“停止”位置。代替于仅评估来自正在经受功能性测试的变桨系统的压力读数，发明人已经认识到，来自其他两个变桨系统的压力读数可以揭示关于它们的变桨缸的健康状况的有价值的信息。在现有技术中，仅收集和评估来自当前正在经受功能性测试的变桨系统的压力读数，而来自其他两个变桨系统的压力读数被认为是不感兴趣的。

根据本发明，变桨控制的风力涡轮机的一种泄漏检测布置包括：评估单元，其被配置成接收至少第一输入信号和第二输入信号，第一输入信号标识了被调度用于功能性测试的所选择的变桨系统，第二输入信号定义了该功能性测试的持续时间。评估单元还被配置成接收来自变桨系统的压力读数，并且跟踪压力读数的时间进程。通过以这种方式来监测压力读数，评估单元可以标识故障指示性（fault-indicative）压力减小。

来自变桨系统的压力读数可以被理解为报告了该变桨系统的（一个或多个）变桨缸的端部腔室中的瞬时压力的信号。压力读数可以是模拟或数字信号，并且可以连续地或以规律的间隔来报告，这取决于用于测量变桨缸压力的设备。

根据本发明，上述类型的变桨控制的风力涡轮机包括：调度器模块，其被配置成针对所选择的变桨系统来调度功能性测试，并且调节液压回路以将所有变桨系统的活塞移动到它们的最外侧位置；以及本发明的泄漏检测布置的实施例，用于在功能性测试期间标识有故障的变桨系统。

应理解的是，风力涡轮机可以是风场中的许多风力涡轮机中的一个，并且风力涡轮机可以全部由公共风场控制器来控制。该泄漏检测布置可以部分地或完全地在风场控制器中实现，例如通过在合适的通信接口上将每个风力涡轮机的变桨系统的压力读数传输到风场控制器。这些可以被实时地评估，或者被存储在存储器中以便在稍后日期时评估。风场控制器可以包括评估单元的若干个实例，使得它可以同时评估来自若干个风力涡轮机的压力读数。

该泄漏检测布置的评估单元可以完全地或部分地实现为在风力涡轮机控制单元的处理器上运行的软件模块。大部分采用软件模块形式的实现可以具有如下优点：即，可以用相对少的努力来更新已经安装在现有系统上的应用，以执行本发明方法的步骤。

从属权利要求给出了本发明的特别有利的实施例和特征，如以下描述中所揭示的那样。不同权利要求类别的特征可以被适当地组合，以给出本文中没有描述的进一步的实施例。

在下文中，表述“功能性测试”可以被理解为意指在变桨系统上执行的测试例程，并且可以包括用于测试变桨系统的一个或多个方面的措施，例如功能性测试可以监测该变桨系统的蓄能器的容量等。在本发明的上下文中，表述“功能性测试”应被理解为返回了关于变桨系统的功能性的数据的测试例程，即，对其履行其功能的能力的评估。

优选地，调度器模块被配置成以规律的间隔（例如，以120小时的间隔）针对变桨系统来调度功能性测试。功能性测试是针对变桨系统按顺序地执行的。在功能性测试期间，变桨系统会受到各种检查。示例性测试序列可以包括以下内容：使变桨机构活动或致动变桨机构（和其他液压部件）；检查空气动力学和机械制动系统的功能性；校准比例阀；检查变桨压力传感器和变桨压力阀；检查液压阀。功能性测试可能需要几分钟来完成。

在本发明的优选实施例中，缸压力水平由对应的变桨系统的压力传感器来报告。例如，变桨系统可以具有压力计（manometer）、压力换能器等，它们被布置成测量去往该变桨系统的流体吸入管线（fluid intake line）中的压力。优选地，实现压力传感器以提供所测量的压力作为数字信号。

合适的评估单元可以接收压力读数并且处理这些读数以检测任何异常。通常，当液压缸处于其最外侧的“停止”位置时，液压缸中的压力处于其最大值。在“健康”的缸中，该压力将被维持，直到适当的阀被打开以释放压力，从而允许流体朝向罐排出（drain）。在“泄漏”的缸（例如，具有有缺陷的密封的缸）中，即使那些阀保持闭合，压力也将会下降，这是由于加压流体能够从端部腔室传递到活塞杆腔室。

为了说明当被应用于标记为“SA”、“SB”和“SC”的三个变桨系统时的本发明技术，检测例如变桨系统SB中的泄漏的变桨缸的方法可以被制定为逻辑表述：

如果，在变桨系统SA的润滑（lubrication）期间：

变桨系统SB的变桨缸压力下降

并且

变桨系统SC的变桨缸压力保持较高

则变桨系统SB中指示存在泄漏的缸。

验证变桨系统SB中的泄漏的变桨缸的方法可以被制定为如下：

如果，在变桨系统SA的润滑期间：

变桨系统SB的变桨缸压力下降

并且

变桨系统SC的变桨缸压力保持较高

并且如果，在对变桨系统SC的润滑期间：

变桨系统SB的变桨缸压力下降

并且

变桨系统SA的变桨缸压力保持较高

那么

确认变桨系统SB中存在泄漏的缸。

在本发明的优选实施例中，该方法包括如下步骤：报告针对未选择的变桨系统的故障指示性压力减小的发生。该故障可以被报告给控制单元，控制单元然后可以通过通知服务人员和/或通过针对该风力涡轮机的该变桨系统调度服务例程来做出响应。

从结合附图考虑的以下详细描述中，本发明的其他目的和特征将变得明显。然而，要理解的是，附图仅仅是出于说明的目的而设计的，而不是作为对本发明的限制的定义。

图1示出了风力涡轮机的三个变桨系统的液压布置；

图2示出了图1的变桨系统的液压回路图；

图3示出了图1的变桨系统的缸压力的曲线图；

图4示出了实现本发明的泄漏检测布置的实施例的风场。

在这些图中，相似的数字自始至终指代相似的对象。这些图中的对象不一定是按比例绘制的。

对于具有三个转子叶片的变桨控制的风力涡轮机而言，将存在三个变桨系统。图1示出了风力涡轮机的三个变桨系统SA、SB、SC的液压布置的简单概览。可以假定每个变桨系统SA、SB、SC包括两个并联连接的液压缸、以及用于调节流体流动方向的阀的布置。每个变桨系统SA、SB、SC从蓄能器M_A、M_B、M_C被馈送（feed），并且排出到公共的罐T_ABC中。

蓄能器M_A、M_B、M_C和罐T_ABC可以是闭合回路的一部分，并且所有相关组件可以被布置在方便的位置处，例如在风力涡轮机的轮毂内部。使用风力涡轮机（或风场控制器）的调度器模块300，以针对所选择的变桨系统来调度功能性测试，调节液压回路（通过驱动泵P_ABC并且通过相应地打开/闭合变桨系统SA、SB、SC的阀），并且通过告诉评估单元哪个变桨系统正在经受功能性测试以及何时经受功能性测试来通知评估单元。这里，第一信号301标识了被调度用于功能性测试的变桨系统，并且第二信号302定义了该功能性测试的持续时间。

变桨系统SA、SB、SC的液压缸中的压力水平被测量，并且作为压力读数A_data、B_data、C_data来输出。在分析单元10中评估这些压力读数。根据信号301、302，调度器300知道哪个变桨系统被调度用于功能性测试、以及何时被调度用于功能性测试。利用该信息，可以解释压力读数A_data、B_data、C_data以检测异常。如果两个非测试变桨系统的压力水平保持较高，则可以假定对应的变桨缸完全起作用。如果未选择的变桨系统的压力水平在功能性测试期间下降，则可以假定对应的变桨缸是有缺陷的。在对所有三个变桨系统SA、SB、SC执行功能性测试并且同时分析压力读数A_data、B_data、C_data之后，分析单元10可以报告每个变桨系统的缸状态信号A_OK、B_OK、C_OK。如果所有三个状态信号A_OK、B_OK、C_OK为“高”或“逻辑1”，则可以假定所有的缸都正常地起作用。如果这些状态信号A_OK、B_OK、C_OK中的一个为“低”或“逻辑0”，则可以假定对应的变桨缸是泄漏的。然后，错误报告单元11输出报告110，报告110标识了有缺陷的变桨系统，并且如果风力涡轮机是风场的若干个风力涡轮机之一，则报告110还标识该风力涡轮机。然后，控制器30可以针对该风力涡轮机来调度服务过程，并且在必要时调节该风力涡轮机的操作参数。

图2示出了风力涡轮机的转子叶片之一的变桨系统2的简化液压回路图，并且可以是图1的变桨系统SA、SB、SC中的任一个。该图示出了采用并联布置的一对液压缸20，即，这两个液压缸20同时填充（fill）并且同时排出，使得它们的活塞同步移动。活塞将缸20的内部体积划分成底部腔室和杆侧腔室。可以相应地调节阀V1、V2、V3、V4的系统，以达到期望的活塞位置。

这里，每个活塞200被示出在其最外侧的“停止”位置中。为了实现这一点，在压力下迫使液压流体（来自左下侧的蓄能器布置2M）通过阀调节的流体管线进入该缸的底部腔室中，使得具有其活塞杆的活塞200被推向缸盖（cylinder head）端部（在该图中被推向右侧）。然后，调节阀V1、V2、V3、V4以在底部腔室中包含加压流体。压力由流体管线中的压力换能器22来监测，并且被报告为压力水平读数2_data（即，A_data、B_data、C_data中的任一个）。如果液压缸20是健康的，则所报告的压力读数2_data将保持基本恒定在其最大水平处，直到阀V1、V2、V3、V4再次被调节以允许流体从底部腔室中排出。

然而，如果底部腔室与杆端部腔室之间的密封被损坏并且不再完全起作用，则流体将从底部腔室传递到杆端部腔室，从而导致压力下降，该压力下降由压力计22来登记。

本发明基于如下洞察：即，在对另一个变桨系统执行惯常功能性测试期间，可能会将一个变桨系统中的缸泄漏检测为“意外收获”。在对所选择的变桨系统进行功能性测试期间，其活塞必须被推到它们的“停止”位置。因此，其他两个变桨系统的活塞也将被推到它们的“停止”位置。本发明利用了该事实，并且代替于仅评估来自正在经受功能性测试的变桨系统的压力读数，还记录和评估来自其他两个变桨系统的压力读数。在现有技术中，仅收集和评估来自当前正在经受功能性测试的变桨系统的压力读数，而来自其他两个变桨系统的压力读数被认为是不感兴趣的并且被忽略。

图3中图示了功能性测试的示例性序列，该示例性序列示出了分别针对图1的三个变桨系统SA、SB、SC的三个压力曲线A_data、B_data和C_data。从时间t₁到时间t₂，对变桨系统SA执行所调度的功能性测试，使得该变桨系统SA也被称为“所选择的变桨系统”。其他两个变桨系统SB、SC均被称为“未选择的变桨系统”。功能性测试需要将所选择的变桨系统SA的活塞推到它们最外侧的“停止”位置。因为变桨系统SA、SB、SC由公共液压回路来控制，因此未选择的变桨系统SB、SC的活塞也被推到它们最外侧的“停止”位置。在理想情况下，在对所选择的变桨系统SA的功能性测试的持续时间FT内，未选择的变桨系统SB、SC中的压力将保持在高水平处。

在功能性测试期间，所选择的变桨系统SA的缸压力如预期的那样朝向低水平P_lo下降。该图图示了未选择的变桨系统之一（在这种情况下是变桨系统SB）的变桨缸中被损坏的密封或其他故障的影响。代替于在对变桨系统SA的功能性测试期间如预期的那样保持在高水平P_hi处，该压力朝向低水平P_lo下降，并且该非预期压力下降可以被解释为该变桨系统SB的变桨缸“泄漏”的迹象。

从时间t₃到时间t₄，执行针对下一个变桨系统（在这种情况下是变桨系统SB）的所调度的功能性测试，使得变桨系统SB现在是“所选择的变桨系统”，并且变桨系统SA、SC是“未选择的变桨系统”。在对变桨系统SB的功能性测试期间，缸压力如预期的那样下降，同时变桨系统SA、SC的缸压力看起来是健康的。这示出了：在变桨系统的功能性测试期间，不能够检测到该变桨系统中的泄漏的缸。

从时间t₅到时间t₆，执行针对第三个变桨系统（在这种情况下是变桨系统SC）的所调度的功能性测试，使得变桨系统SC现在是“所选择的变桨系统”，并且变桨系统SA、SB是“未选择的变桨系统”。同样，代替于在对变桨系统SC的功能性测试期间保持在其最大水平P_hi处，来自变桨系统SB的压力读数朝向低水平P_lo下降，从而给出了它具有泄漏的变桨缸的进一步确认。

如果压力下降超过最大值P_hi的5%，即低压力水平P_lo比预期压力水平P_hi少5%，则可以假定存在泄漏。例如，针对170 bar的上部压力水平P_hi，如果在对变桨系统A的变桨能力检查期间，变桨系统B中的压力下降至160 bar以下，同时变桨系统C中的压力保持在170 bar以上，则可以假定变桨系统B中存在泄漏。

变桨系统SA、SB、SC的液压缸中的压力水平被测量，并且作为压力读数A_data、B_data、C_data来输出。这可以通过合适的控制布置的模块来记录和评估。这可能在本地发生，例如在本地风力涡轮机控制器中发生。替代地，对于风场的风力涡轮机而言，可以收集这种数据A_data、B_data、C_data，并且将其传输到远程风场控制器以用于评估。

图4示出了实现本发明的泄漏检测布置的实施例的风场3。该风场可以具有任何数量的风力涡轮机WT1、WT2……WTn，它们由风场控制器30来调节。调度器300在风场控制器30处实现，并且针对风力涡轮机WT1、WT2……WTn的变桨系统来调度功能性测试。相关信息301、302（连同任何其他相关命令）被传递到适当的风力涡轮机WT1、WT2……WTn。在功能性测试期间，风力涡轮机WT1、WT2……WTn返回压力读数A_data、B_data、C_data。评估单元10分析这些读数，并且错误模块可以标记任何可疑的泄漏的缸，使得可以及时地计划维护过程，从而避免发展出更严重的故障。

尽管本发明已经以优选实施例以及关于其变型的形式而被公开，但是将理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其做出许多附加的修改和变型。

为了清楚起见，要理解的是，遍及本申请对“一（a或an）”的使用不排除多个，并且“包括”不排除其他步骤或元件。对“单元”或“模块”的提及不排除使用多于一个单元或模块。

Claims

1.一种检测风力涡轮机（WT1、WT2……WTn）的转子叶片变桨系统（2、SA、SB、SC）的液压缸（20）中的泄漏的方法，所述风力涡轮机包括多个转子叶片，所述方法包括以下步骤：

- 选择变桨系统（SA、SB、SC）中的一个，以经受功能性测试；

- 致动流体泵（P_ABC），以将变桨系统（SA、SB、SC）的液压缸（20）的活塞（200）移动到它们的最外侧位置；

- 在对所选择的变桨系统（SA）执行功能性测试的同时，监测未选择的变桨系统（SB、SC）的液压缸压力水平（A_data、B_data、C_data）；以及

- 分析变桨系统（SA、SB、SC）的所监测的液压缸压力水平（A_data、B_data、C_data），以检测未选择的变桨系统（SB）的变桨缸（20）中的压力下降。

2.根据权利要求1所述的方法，其中缸压力水平（A_data、B_data、C_data）由对应的变桨系统（SA、SB、SC）的压力传感器（22）来报告。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中压力传感器（22）被布置在流体供应管线中，流体供应管线将加压流体源（M_A、M_B、M_C）连接到变桨系统（SA、SB、SC）的变桨缸（20）。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

包括如下步骤：当针对未选择的变桨系统观察到压力下降时，报告缸故障（110）。

5.一种变桨控制的风力涡轮机（WT1、WT2……WTn），其包括多个转子叶片，其中每个转子叶片通过专用变桨系统（SA、SB、SC）来转动，并且其中变桨系统（SA、SB、SC）是公共液压回路（HC）的一部分，并且其中所述风力涡轮机（WT1、WT2……WTn）包括：

- 调度器模块（300），其被配置成针对所选择的变桨系统来调度功能性测试，并且调节液压回路（HC）以移动每个变桨系统（SA、SB、SC）的液压缸（20）的活塞（200）；以及

- 泄漏检测布置（1），用于在功能性测试期间标识有故障的变桨系统，所述泄漏检测布置（1）包括评估单元（10），评估单元（10）被配置成接收：

- 第一输入信号（301），其标识了被调度用于功能性测试的所选择的变桨系统（SA）；

- 第二输入信号（302），其定义了该功能性测试的持续时间；以及

- 变桨系统（SA、SB、SC）的液压缸（20）的压力水平读数（A_data、B_data、C_data）；

并且其中评估单元（10）进一步被配置成跟踪压力读数（A_data、B_data、C_data）的时间进展，并且标识故障指示性压力减小。

6.根据权利要求5所述的变桨控制的风力涡轮机，其中当未选择的变桨系统（SB）的压力读数（A_data、B_data、C_data）在功能性测试期间减小到比其初始值（P_hi）少5%时，指示故障指示性压力减小。

7.根据权利要求5或权利要求6所述的变桨控制的风力涡轮机，其包括错误报告单元（11），错误报告单元（11）被配置成向风力涡轮机控制器发出错误报告（110），所述错误报告（110）标识如下未选择的变桨系统：针对所述未选择的变桨系统，在功能性测试期间观察到故障指示性压力减小。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的变桨控制的风力涡轮机，其中调度器模块（300）被配置成以至多100-120小时的间隔针对变桨系统（SA、SB、SC）来调度功能性测试。