風(fēng)電機組塔筒在線監(jiān)測技術(shù)的研究與應(yīng)用

管偉，吳雙

（中國水電四局（酒泉）新能源裝備有限公司，甘肅 酒泉735000）

1 風(fēng)機塔筒形變檢測的理論基礎(chǔ)

本文設(shè)計的風(fēng)機塔筒形變檢測的原理在于通過在塔筒中安裝多個傳感器分析傳感器之間的數(shù)據(jù)變化得到塔筒的變形過程。

首先，測量塔筒的線性位移，當(dāng)塔筒發(fā)生位移時，可以通過安裝在塔底和塔頂?shù)膫鞲衅鲗崿F(xiàn)位移量的檢測，如圖1 所示。

傾斜量測量的指標(biāo)是傾斜角α，通過塔頂傳感器測得的偏移量d和三角函數(shù)公式計算出塔筒的偏移角度α，但通過得出α 的值計算d很容易出現(xiàn)錯誤，原因在于塔筒容易發(fā)生非線性形變，使通過α 計算得到的d明顯偏小[1]，如圖2 所示。

為確保傳感器能夠有效檢測線性形變與非線性形變，在常見的風(fēng)機塔筒中引入了三維坐標(biāo)系，將塔筒按照主體分為上、中、下3 部分，在3 個部分中的多個部位安裝傳感器，傳感器由法蘭盤承載，安裝示意圖如圖3 所示。

其中，位置8 用于測量x和y方向的速度，在此方向上，塔筒的變形主要沿切面，須檢測z方向的形變；安裝位置10為檢測y方向的傳感器，檢測的是塔筒在風(fēng)力作用下的扭轉(zhuǎn)形變，由于風(fēng)力長時間作用于風(fēng)扇的葉片，因此，當(dāng)風(fēng)向與葉片平面不垂直時，葉片會對塔筒產(chǎn)生一個垂直于y方向的力，使塔筒產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，此扭轉(zhuǎn)通過位置10 處的傳感器測量。此外，在塔筒中若干位置安裝輔助傳感器，即可實現(xiàn)測量3 個方向的搖擺形變和扭轉(zhuǎn)形變，并取得更精確的結(jié)果。

圖1 塔筒線性形變

圖2 塔筒非線性形變

2 風(fēng)機塔筒在線監(jiān)測系統(tǒng)的搭建

設(shè)計可以通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的裝置，將傳感器與網(wǎng)絡(luò)連接，即可實現(xiàn)在塔筒發(fā)生形變時向管理員報警。以塔頂和塔底的傳感器為基礎(chǔ)，在塔筒中部3 個高度階段的傳感器實現(xiàn)各方向的搖擺形變和扭轉(zhuǎn)形變，可以得到塔筒的擺動角度、扭轉(zhuǎn)角度等數(shù)據(jù)。

選擇傳感器與網(wǎng)絡(luò)的連接方式時，采用了一種現(xiàn)場存儲和關(guān)聯(lián)報警的連接方式，傳感器將測量的數(shù)據(jù)存儲在本地的存儲器中，當(dāng)風(fēng)機塔筒因形變幅度過大導(dǎo)致停機后，管理員可前往現(xiàn)場尋找報警系統(tǒng)，并拷貝傳感器中存儲的形變數(shù)據(jù)，對風(fēng)機安全系統(tǒng)進(jìn)行手動復(fù)位，之后對傳感器存儲的波形進(jìn)行分析。

本系統(tǒng)可通過與工控機連接的方式，使管理員在現(xiàn)場對所有風(fēng)機塔筒的形變狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并根據(jù)風(fēng)機形變的狀態(tài)對風(fēng)機做出停機調(diào)整。

圖3 塔筒傳感器安裝位置示意圖

3 實際案例分析

為檢測所設(shè)計的形變裝置的實際效果，在甘肅省的某一風(fēng)電場中，對一座高度為80m 的不銹鋼主體結(jié)構(gòu)的塔架進(jìn)行了傳感器和檢測系統(tǒng)的搭建工作，并通過分析傳感器得到的數(shù)據(jù)分析風(fēng)機在工作中塔筒的形變狀態(tài)。

圖4 為風(fēng)機塔底外部偏移的變化曲線，圖中最上方的曲線為偏移曲線，該曲線表明的風(fēng)機塔底的偏移值約為400μm，變化幅度很小，沒有出現(xiàn)沉降或倒塌的趨勢。

圖5 中的陰影部分為風(fēng)機塔頂端極限擺動范圍，陰影的范圍越大說明風(fēng)機塔頂?shù)臄[動幅度越大。由圖5 可以看出，擺動范圍以西北和西南為主，東北和東南方向較少，因此，這2 個方向上的連接螺栓易出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，巡檢時應(yīng)重點檢查[1]。

圖4 風(fēng)機塔底外部偏移變化曲線

圖5 塔頂極限擺動范圍

圖6 為風(fēng)機塔頂端擺動的實時曲線圖，其中，顏色最淺部分是X軸方向上的擺動范圍；顏色最深部分曲線為Y軸方向上的擺動范圍，而顏色處于兩者間的曲線為合成曲線，表明塔頂端在XY平面上的擺動范圍。經(jīng)過對曲線的分析，塔頂徑向上的最大偏移值為1.6m，在XY面上的平均偏移值為0.4m。可以根據(jù)曲線的傾斜狀態(tài)判斷塔頂?shù)臄[動狀態(tài)，如曲線斜率較大時，說明塔頂在風(fēng)力的作用下發(fā)生了大幅度擺動，此時應(yīng)對相應(yīng)的風(fēng)機塔進(jìn)行停機，防止其折斷或倒塌；當(dāng)曲線傾斜后長時間未恢復(fù)原狀時，說明風(fēng)機塔已經(jīng)發(fā)生了塑性形變，此時應(yīng)及時停機并對相應(yīng)的塔組進(jìn)行維修。

圖6 風(fēng)機塔頂擺動實時曲線圖

4 結(jié)語

本文對能夠測量風(fēng)機塔筒形變的在線監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了研究，通過在風(fēng)機塔筒的底端、頂端以及中部若干位置安裝傳感器，并測量傳感器的數(shù)據(jù)的方式實現(xiàn)對塔筒形變的遠(yuǎn)程監(jiān)控，經(jīng)過實際的檢測，監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精度較高的檢測，并滿足風(fēng)電場對塔筒形變的管理與檢測工作。