基礎環式風機基礎動態偏移量的影響因素研究

朱新革 何 兵 姚林威

長沙理工大學土木工程學院

0 引言

全球經濟的不斷發展和社會生活水平的不斷提高，對能源的需求越來越大。煤炭、石油、天然氣等不可再生資源的日益枯竭，可再生能源的開發對于社會和經濟的發展也越來越重要[1-4]。在過去的20 年間，風電行業在國家支持下發展迅猛，累計裝機總量持續上升，但在高速發展的過程中，越來越多的問題也暴露出來。

近幾年來，許多專家學者就風機基礎的偏移問題進行了一系列的研究，Wang P[5]認為傳感器是結構健康監測的主要技術之一，可通過傳感器和集成系統對風機基礎進行監測。Gomez H C[6]等通過對風機基礎進行監測，認為偏移角度（偏移量）的大小和潛在發展規律對于風機基礎的結構狀態評價很重要。張健[7]等通過在線監測系統對海上風機基礎動態偏移進行全天候實時監測，系統具有自動測試、采集、傳輸和處理數據的功能，能夠解決海上風機基礎傾斜測試難的實際問題。Currie M[8]等利用位移傳感器連續監測基礎環的豎向位移，將風機基礎環的動態偏移量分為三個階段進行預警。王騰洋[9]將各種偏移量限值轉化為偏移角度限值進行闡述，并提出了運行風機的最大安全偏移角度限值。

本文提出了一種針對基礎環式風機基礎的動態位移監測系統，通過對風機基礎環進行動態位移監測，計算風機基礎環的動態偏移量，并結合SCADA 系統數據，對風機基礎環的動態偏移量大小進行研究分析。

1 風機基礎動態位移監測

1.1 工程概況

本文進行的實驗是以湖南某風場P1 號2 MW直驅式風力發電機為研究對象，該風機的基本參數為風輪直徑為96 m，輪轂高度為80 m，切入風速為3 m/s，切出風速為25 m/s，額定風速為10.5 m/s。該風機基礎為基礎環式風機基礎，基礎環的埋深為2.0 m，底部塔筒和基礎環直徑為4.4 m。

1.2 測點布置與數據處理方法

以艙門中心線為1 號軸線，按逆時針方向沿基礎環均分16個軸線位，分別命名為1-16號軸線，然后在對應軸線處設置相應的測點，將a，b，c，d，e，f，g，h 號位移監測裝置分別布置在2，4，6，8，10，12，14，16軸線處，如圖1所示。

圖1 風機監測測點布置圖

前期利用數據標定平臺，通過將位移監測設備的電信號數據與實際位移數據進行分析，可以擬合出電信號值與位移信號值之間的函數關系，并得到標定曲線。將采集的電信號數據，通過標定曲線計算得到基礎環位移量，再將所得的位移量減去初始位移量即得基礎環的動態位移量。從8個測點中任意選取3個測點的數據，利用空間幾何關系，確定出空間圓平面，即為基礎環任意時刻的偏移圓，得到基礎環每一時刻的動態偏移量Z 和偏移角度θ，如圖2所示。

圖2 基礎環偏移后具體參數圖

2 影響動態偏移量大小因素分析

本文通過對P1 號風機基礎進行7 天的動態位移監測，采用Python編程軟件對動態位移數據進行數據處理，提取去年11月3日0時至10時的監測數據進行分析研究，探討風機基礎環在正常運行階段的運動規律。

圖3 為風速時程，可見在整個時段內，風速基本呈上升趨勢，在0～2500 s 時段內，風速出現小高峰，風速大小在0～7 m/s區間，在2500～30000 s時段內，風速隨時間基本呈線性增長，風速從低風速增長至高風速，即從0～3 m/s 區間增長至8～10 m/s 區間，在30000～36000 s 時段內，風速基本穩定在7～11 m/s區間。

圖3 風速時程

圖4為輪轂轉速時程，可見在整個時段內，輪轂轉速也基本呈上升趨勢，在0～2500 s時段內，輪轂轉速出現小高峰，輪轂轉速在0～11 r/min 區間，在2500～6600 s時段內，輪轂轉速穩定為0 r/min；在6600～24000 s時段內，輪轂轉速隨時間基本呈線性增長，輪轂轉速從低轉速增長至高轉速，即從0～2 r/min 區間增長至15～16 r/min 區間，在24000～36000 s時段內，輪轂轉速基本穩定在15～16 r/min區間，且在28000～36000 s 時段內，輪轂轉速略大于24000～28000 s時段內的輪轂轉速。

圖4 輪轂轉速時程

圖5 為風向時程，可見在0～8500 s 時段內，風向波動較大，達到了360°，在8500～36000 s時段內，風向基本趨于穩定，集中分布于150°左右。

圖5 風向時程

圖6 為動態偏移量時程，可見在整個時段內，動態偏移量基本呈上升趨勢，在0～2500 s 時段內，動態偏移量出現小高峰，動態偏移量在0.05～0.25 mm區間，振動幅度較小，在2500～6600 s時段內，動態偏移量穩定為0.08 mm，在6600～30000 s 時段內，輪轂轉速隨時間基本呈線性增長，同時該時段內在25000～30000 s區間，動態偏移量振動幅度較大，在30000～36000 s時段內，動態偏移量基本穩定在0.4～0.7 mm 區間，振動幅度最大。

圖6 動態偏移量時程

通過圖3～圖6及以上敘述可知，動態偏移量與風速和輪轂轉速之間有明顯的相關關系，即風速和輪轂轉速的改變將影響動態偏移量的大小，隨著風速和輪轂轉速的增加，動態偏移量隨之增加，振動幅度也隨之增加。

本節利用編程軟件通過數據處理將動態偏移量進行去噪處理，然后在輪轂轉速0～16.83 r/min內等額提取去噪后的動態偏移量數據，分別以風速和輪轂轉速為橫坐標，去噪后的動態偏移量數據為縱坐標，繪制風速和輪轂轉速與動態偏移量關系圖，研究分析動態偏移量與風速和輪轂轉速之間的關系，如圖7 和圖8 所示，其中黑色圓形散點為動態偏移量，紅色曲線為動態偏移量的擬合曲線。

由圖7 可知，動態偏移量的大小隨著風速的增加而增加，當風速小于3（m/s）時，動態偏移量的大小增長緩慢，當風速大于3（m/s）時，動態偏移量的大小增長較快，通過數據擬合，其滿足2項式函數關系。由圖8 可知，動態偏移量的大小隨著輪轂轉速的增加而增加，當輪轂轉速小于8（r/min）時，動態偏移量的大小增長緩慢，當輪轂轉速大于8（r/min）時，動態偏移量的大小增長較快，通過數據擬合，其滿足2項式函數關系。

圖7 風速與動態偏移量之間的關系

圖8 輪轂轉速與動態偏移量之間的關系

3 結論

本文介紹了針對基礎環式風機基礎的動態位移監測系統，并對湖南P1 號風機基礎進行7 天的動態位移監測以驗證其有效性，將位移監測裝置分別放置于基礎環上法蘭和塔筒內部地面，在風力發電機正常運行過程中，測得基礎環的動態位移量，利用空間幾何關系，確定風機基礎動態偏移量的大小，并結合SCADA 系統數據中的風速和輪轂轉速，研究分析基礎動態偏移量大小的影響因素，通過論證分析得出結論：通過將動態偏移量大小與SCADA系統中的風速和輪轂轉速進行相關性研究分析，在風力發電機正常運行過程中，動態偏移量與風速和輪轂轉速均滿足2項式函數關系。