復合傳感器在風電機組塔筒晃動遠程在線監測預警系統中的應用

張玉輝

（河北大唐國際新能源有限公司，河北 承德 067000）

0 引言

風力塔筒給風輪，機艙以及葉片提供滿足要求的，可靠的穩定支撐力，提供安裝，檢修等工作平臺。風電機組基礎和塔筒不僅需要承受自身重力、風推力、葉輪扭力及復雜多變負荷的影響。國產風電機組占有比例將越來越大，設備質量良莠不齊。且目前為了獲取優勢風資源，塔筒的高度不斷增加，因而基礎更容易傾斜，塔筒撓曲變形更大。在實際的運行工況下風機必須適應在各種風速下運行，塔架螺栓和焊縫受各方向的剪切力，極有可能造成焊縫的應力集中或螺栓的過度疲勞，致使風機使用壽命降低。尤其少人值守的風電場，無法在第一時間通知管理人員調度檢修人員在最短時間內修復風機設備。所以風力發電機塔筒振動監測是風電機安全監測的必不可少的部分。風電機組塔筒監測的方案很多：如激光測距技術、GPS測量技術、傾角測量技術等。激光測距和GPS存在成本、精度和安裝問題?，F有的傾角監測方案大都采用傾角傳感器，進行塔筒和基礎傾角的趨勢和單一數值的監測，由于受傳感器動態性能不佳的影響，只能算是靜態測量技術。另一方面風電機組的塔筒受風力和重力影響呈現不規則晃動，使用靜態測量技術去測量動態的塔筒，誤差極大，不能很好的展示風電機組的實際工況，更加不能對塔筒動態性能進行全面分析和評價。

1 系統原理

風電機組其支撐結構包括塔筒和基礎兩個部分。基礎是整個風電機組的承重固定部件，由此可將機組的基礎看作為梁的固定端，塔筒當作梁的自由端，即機組塔筒成懸臂梁結構。塔筒由于受自身、機艙、葉片重力 G1和外力，會出現復雜撓曲變形?，F有傾角監側技術方案中，通過撓曲線方程獲得塔筒任意高度截面X軸延Y軸的饒度廠（位移）和轉角θ（傾角），來評估塔筒的工作狀態，根據撓曲線方程可獲得塔筒部位端面相對Z軸（塔筒初始垂直中心線）的饒度和轉角：

式中：M—彎矩；El—塔筒杭彎剛度；而M（x）=-p（h-x）；p—作用在塔筒上的外力[2]；l—塔筒高度。由此可知，彎矩M與外力p及梁跨度（塔筒高度）有直接的關系。為了防止運行時塔筒與葉輪或其他部件發生的振動產生共振，計算出塔筒的固有頻率和振型，是塔筒結構參數優化的參考依據[3]，也可以為振動信號采集設備的選擇提供依據。機組在吊裝完成后，由于機艙、葉片的重心與塔筒的中心線不重合，機組受自身重力G影響偏向輪毅側，機艙和葉片的重力使塔筒受到一個固定的彎矩，塔筒會向葉片方向發生彎曲傾斜。在機組偏航時，通過監測動態傾角，就可獲得不同偏航位置時塔筒相應高度端面靜態傾斜數據，將不同偏航位置的傾斜數據進行擬合就可以獲得塔筒相應測點部位的靜態剛度圓。通過擬合機組正常運行并滿發的一段時間的數據，便可得出圖塔筒在該期間內的最大動態度圓。正常情況下，機組塔筒工作位置不應超過此圓。當塔筒變形的最大饒度和最大轉角超過設計值時，就會使塔筒的剛度發生變化[4]。傾角監側方案就是監測塔項最大饒度|f|max和最大轉角|θ|max不超許可饒度[f]及許可轉角[θ]通過建立剛度條件|f|max=[f]，|θ|max=[θ]判定塔筒工作狀態。

2 硬件構成及算法

3 軟件系統及應用

風電機組塔筒動態特性監測系統風機端的主畫面，顯示塔筒的靜態變形、實時監測塔筒的傾斜度和塔基有角度，具有數據采集存儲、報警功能。遠程監控各個風機的塔筒運行狀態，可以實現遠程報警，歷史數據提取等功能。塔筒的狀態包括：塔筒的剛度圓（可監測塔筒變形、焊縫開裂、螺栓松動、斷裂等故障）、塔筒晃動量（位移值）、塔筒同軸度、塔筒垂直度[8]。機組塔筒沿圓周各向剛度相等的特性、葉輪和機艙的重心偏離塔筒的幾何中心的特點[9]，通過監測偏載引起塔筒頂部的傾斜角度，獲得機艙在不同偏航位置的傾斜數據，從而計算出塔筒的頂部在風機停機狀態、滿發狀態下的最大晃動邊界曲線。利用這一技術理論，繪制出塔筒的靜態、動態剛度圓，通過對比綜合分析塔筒不同端面在不同時間段的剛度圓，得出剛度圓直徑及同軸度變化情況，以此評價分析塔筒的剛度變化狀態。通過對塔筒底部和頂部傳感器數據的對比分析，有利于發現塔筒局部受力不均，變形不均的情況。通過每一次報警極限值的激活，可以記錄在一定時期內塔筒觸發最大振動要求的次數，對分析焊縫及螺栓的過度疲勞提供依據[10]。通過點堆積實時計算歷史最大擺動度，根據其地形特點更加合理的設定振動保護觸發值，讓機組振動保護更科學。漫景風電場某臺機組在開機正常運行時，其動態傾斜角度偏大；基礎環不均勻沉降靜態值已接近 0.003傾斜率標準值。分析對比發現基礎環傾斜角度易受風速影響，且變化范圍很大。綜合塔底及塔頂測點羅盤軌跡圖可以初步判定“機組基礎環或基礎可能存在松動現象”，由于數據變化區間過大，需檢查基礎環及基礎是否存在異常情況。經檢查發現塔筒部分螺栓確實存在松動情況，對分析判斷塔筒運行狀態提供了巨大幫助。

4 結論

利用復合傳感器在風電機組塔筒晃動遠程在線監測預警中的應用，通過軟件系統實現了監測預警人機交互界面，對傾斜度的直觀展示。系統具有布設便捷，監測全面，通信高效，便于在少人值守情況下進行風電機組故障預警和壽命預測，有助于為風電機組的預防性維修提供科學依據，減少故障發生率，從而降低風電機組的維修成本。