風(fēng)電塔筒異常振動(dòng)優(yōu)化方案研究

中國(guó)電能成套設(shè)備有限公司 汪晗宇

我國(guó)作為一個(gè)能源生產(chǎn)與能源消費(fèi)的大國(guó)，傳統(tǒng)不可再生能源的開(kāi)采已接近瓶頸期，過(guò)度開(kāi)采會(huì)引發(fā)環(huán)境一系列問(wèn)題的發(fā)生，可再生資源的開(kāi)發(fā)是解決能源需求緊張的重要辦法，在新世紀(jì)以來(lái)頒布《可再生能源開(kāi)發(fā)法》并在全國(guó)人民代表大會(huì)多次重申實(shí)施可再生能源的開(kāi)發(fā)等。風(fēng)力發(fā)電作為我國(guó)比較成熟與開(kāi)發(fā)潛力大的能源項(xiàng)目一直備受關(guān)注，在本世紀(jì)初對(duì)全國(guó)各地風(fēng)力資源的開(kāi)發(fā)居世界前列。

近年來(lái)，隨著自然災(zāi)害的頻繁發(fā)生風(fēng)電行業(yè)發(fā)生了許多嚴(yán)重事故。日本北海道6座電力發(fā)動(dòng)塔在經(jīng)歷臺(tái)風(fēng)后異常振動(dòng)導(dǎo)致整體受損，運(yùn)行速率變慢，其中一座風(fēng)力發(fā)電塔發(fā)生倒塌，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)由于風(fēng)電塔的塔筒在經(jīng)歷惡劣天氣之后負(fù)荷過(guò)大，發(fā)出異常振動(dòng)導(dǎo)致風(fēng)電塔損壞。風(fēng)電塔筒作為支撐整個(gè)風(fēng)力發(fā)電塔的結(jié)構(gòu)，一旦發(fā)生問(wèn)題會(huì)傳遞到整個(gè)風(fēng)電塔的各個(gè)部位，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)、電轉(zhuǎn)扇出現(xiàn)超負(fù)荷運(yùn)行，從而引起事故發(fā)生。

1 傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電塔筒振動(dòng)檢測(cè)方式與設(shè)備

風(fēng)電塔筒是連接風(fēng)力發(fā)電的桿杠，通過(guò)數(shù)碼操控的程序切割機(jī)進(jìn)行切割，在材料上形成開(kāi)坡口，結(jié)合電焊，定位處理后由內(nèi)外部進(jìn)行縫合操作，經(jīng)過(guò)圓度督測(cè)后就可噴漆投入使用。風(fēng)力發(fā)電塔的底部艙座一般位于塔筒上部，并在頂部的連接過(guò)程中與輪轂相互聯(lián)系，將其定位在風(fēng)電塔的葉片之上，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電塔的全部重心、包括運(yùn)行過(guò)程中的能源動(dòng)力擬載荷的重心也會(huì)全部集中于風(fēng)電塔筒之上，由此可看出塔筒是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電塔的保障，是能否安全運(yùn)行的關(guān)鍵點(diǎn)。通常對(duì)風(fēng)力發(fā)電塔塔筒異常振動(dòng)的檢測(cè)是通過(guò)對(duì)振動(dòng)所觀測(cè)到的觀測(cè)值是否超過(guò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的固定值為主進(jìn)行檢測(cè)，此外在風(fēng)電塔筒的內(nèi)部施加應(yīng)力傳感裝置，通過(guò)風(fēng)電塔在運(yùn)行過(guò)程中的負(fù)荷力與重心力進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)，以此來(lái)保證風(fēng)電塔筒是否尚在安全范圍內(nèi)運(yùn)行[1]。

在風(fēng)力發(fā)電塔筒內(nèi)部設(shè)立多個(gè)塔筒振動(dòng)檢測(cè)器，通過(guò)連接塔筒振動(dòng)的電源開(kāi)關(guān)，在塔筒底部設(shè)置動(dòng)力振動(dòng)傳感設(shè)備，將檢測(cè)的數(shù)據(jù)信息傳遞到振動(dòng)預(yù)估板塊進(jìn)行分析查驗(yàn)，推測(cè)出相關(guān)數(shù)據(jù)是否符合標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，用于預(yù)估的方法是通過(guò)設(shè)置外加的加權(quán)值和總體加權(quán)公式進(jìn)行計(jì)算處理，以便能在最短時(shí)間內(nèi)獲得風(fēng)電塔筒振動(dòng)的數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)好壞等，除上述設(shè)備外，還會(huì)在傳感器的內(nèi)部添加標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)值，最大程度上加快了異常振動(dòng)的發(fā)現(xiàn)速率，并及時(shí)啟動(dòng)異常振動(dòng)保障計(jì)劃。

在風(fēng)力發(fā)電塔筒建造振動(dòng)信號(hào)源，通過(guò)風(fēng)電塔在工作時(shí)的加速度進(jìn)行信息采集，從而分析出相關(guān)風(fēng)電塔筒的振動(dòng)頻率，結(jié)合振動(dòng)信號(hào)大小程度對(duì)風(fēng)力發(fā)電塔進(jìn)行組合狀的低頻率振動(dòng)檢測(cè)；此外在風(fēng)電塔筒內(nèi)設(shè)置能檢測(cè)異常振動(dòng)的分析儀器，包括過(guò)濾波紋的振動(dòng)儀器及檢測(cè)波紋的振動(dòng)儀器，通過(guò)對(duì)波紋的過(guò)濾與篩選，從而能獲得風(fēng)電塔筒的相關(guān)振動(dòng)信息，并連接總控制室內(nèi)部的PLC控制系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電塔筒的信號(hào)振動(dòng)源進(jìn)行相應(yīng)的電源處理，在經(jīng)過(guò)比較振動(dòng)源的數(shù)據(jù)信息與監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)閾值后，從而得出正確的結(jié)論，進(jìn)一筆保障風(fēng)電塔筒的正常運(yùn)行[2]。

在風(fēng)力發(fā)電塔筒的內(nèi)部公開(kāi)進(jìn)行預(yù)警機(jī)制的建設(shè)，其中包括多方向加速率傳感裝置、實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)異常振動(dòng)信號(hào)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)收納振動(dòng)信息模型設(shè)計(jì)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)模型分析系統(tǒng)、內(nèi)外部傳感器裝置、內(nèi)外部實(shí)時(shí)信號(hào)傳遞裝置、實(shí)時(shí)振動(dòng)信息分析裝置、實(shí)時(shí)應(yīng)急閾值比較裝置與振動(dòng)信息資源輸出裝置等。此外還采用與上述類似的預(yù)警督查系統(tǒng)，即通過(guò)對(duì)內(nèi)部預(yù)警機(jī)制的振動(dòng)信息與標(biāo)準(zhǔn)預(yù)警閾值進(jìn)行比較分析得出是否啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)警機(jī)制，以便維護(hù)風(fēng)力發(fā)電塔的安全運(yùn)行。

結(jié)合上述三種有關(guān)風(fēng)力發(fā)電塔筒振動(dòng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制不難發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電塔筒的異常振動(dòng)檢測(cè)一般是通過(guò)對(duì)風(fēng)電塔筒的振動(dòng)頻率、大小是否高于風(fēng)電塔筒內(nèi)部的振動(dòng)閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)警機(jī)制的啟動(dòng)，此外是施加動(dòng)力傳感設(shè)備或利用振動(dòng)符合力度是否超標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)風(fēng)電塔筒是否處于安全運(yùn)行的范圍內(nèi)。

傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制從理論來(lái)說(shuō)并沒(méi)有太大的問(wèn)題，都是通過(guò)檢測(cè)觀察風(fēng)電塔筒的振動(dòng)信息與風(fēng)電塔筒的振動(dòng)頻率閾值進(jìn)行比較分析，從而的出風(fēng)電塔筒是否處于安全運(yùn)行的范圍內(nèi)，但卻沒(méi)有和實(shí)際相互結(jié)合，在實(shí)際風(fēng)電塔筒工作運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于實(shí)際場(chǎng)地的風(fēng)頻、風(fēng)力流速、流向、當(dāng)?shù)氐匦蔚刭|(zhì)特點(diǎn)及傳統(tǒng)傳感器在惡劣天氣下能否實(shí)現(xiàn)正確信息的采集分析、傳感器是否能適應(yīng)惡劣環(huán)境等問(wèn)題，是否會(huì)引起風(fēng)電塔筒的異常振動(dòng)，是傳統(tǒng)風(fēng)電塔筒振動(dòng)檢測(cè)的尚待解決難題[3]。

2 風(fēng)電塔筒異常振動(dòng)優(yōu)化方案

風(fēng)力發(fā)電塔異常振動(dòng)的現(xiàn)狀經(jīng)常發(fā)生，對(duì)風(fēng)電塔筒進(jìn)行振動(dòng)頻率分析是解決風(fēng)力發(fā)電塔發(fā)生重大變化最為有效的方法。

2.1 塔筒韌性優(yōu)化

風(fēng)電塔筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)是為了能在市場(chǎng)上獲得更大利益，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)也能避免出現(xiàn)異常振動(dòng)的現(xiàn)象發(fā)生：通過(guò)對(duì)風(fēng)電塔筒的材料進(jìn)行優(yōu)化降低塔筒重量，即通過(guò)對(duì)風(fēng)電塔筒的整體大小進(jìn)行削減，在維持原有強(qiáng)度基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)塔筒內(nèi)部尺寸與替代材料進(jìn)行優(yōu)化，即可承受范圍內(nèi)的應(yīng)力值σ≤［σ］，材料損耗損傷因子D≤1、D＜0.5(焊接形成)，在一定程度上實(shí)現(xiàn)降量增優(yōu)構(gòu)想的實(shí)現(xiàn)；對(duì)風(fēng)電塔筒的制作工藝進(jìn)行改善。例如，對(duì)振動(dòng)檢測(cè)裝置的表面打磨更加光滑，即從表面的光滑程度由3μm提高到9μm，避免出現(xiàn)由于表面褶皺出現(xiàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)偏差情況的出現(xiàn)，在一定程度上降低塑造成本，將原有熔鍛形成的塔筒轉(zhuǎn)變?yōu)殍T造模型，以便投入市場(chǎng)更多的風(fēng)電塔筒產(chǎn)品。此外還應(yīng)當(dāng)結(jié)合塔筒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，即滿足穩(wěn)固因子D＜1、D＜0.5(焊縫位置)。

2.2 技術(shù)檢測(cè)優(yōu)化

在傳統(tǒng)風(fēng)電塔筒檢測(cè)預(yù)警機(jī)制的基礎(chǔ)上，針對(duì)風(fēng)力發(fā)電塔內(nèi)部的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)，根據(jù)所有實(shí)際風(fēng)電塔的風(fēng)速振動(dòng)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)分析，通過(guò)得出的數(shù)據(jù)信息描繪出同一時(shí)間段所有風(fēng)電塔筒的振動(dòng)曲線圖，并在其中找出發(fā)生異常振動(dòng)的風(fēng)電塔筒組合。此外，還需把振動(dòng)異常的塔筒與振動(dòng)正常的風(fēng)電塔筒組合形成的風(fēng)速振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合當(dāng)天的風(fēng)速狀況整合分析，找出其中存在的差異性，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)逐日風(fēng)電塔筒異常振動(dòng)的檢測(cè)。技術(shù)檢測(cè)優(yōu)化的方案如下：

選取實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)三個(gè)月、半年乃至一年的風(fēng)電塔筒振動(dòng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)信息，將風(fēng)速等級(jí)進(jìn)行劃分為風(fēng)速五分鐘均值、塔筒振動(dòng)五分鐘有效均值、風(fēng)速十分鐘均值、塔筒振動(dòng)十分鐘有效均值等，其中塔筒振動(dòng)的有效均值是指風(fēng)電塔筒瞬間振動(dòng)數(shù)值在維系一個(gè)風(fēng)電塔筒運(yùn)行振動(dòng)循環(huán)的均方根；將由上述統(tǒng)計(jì)擬合得出的結(jié)果作用于所有風(fēng)電塔筒組合，將風(fēng)速等級(jí)五分鐘、十分鐘進(jìn)行有效振動(dòng)指數(shù)的參數(shù)擬合，形成各自風(fēng)力發(fā)電塔筒的風(fēng)速-振動(dòng)表；得出風(fēng)速-振動(dòng)表后結(jié)合箱型曲線圖表對(duì)異常振動(dòng)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析求算，得到所有風(fēng)電塔筒的振動(dòng)數(shù)值，隨后與風(fēng)電塔筒的振動(dòng)閾值進(jìn)行分析比較，大于閾值為異常振動(dòng)的風(fēng)電塔筒，小于或等于閾值則為正常振動(dòng)，以完成對(duì)風(fēng)電塔筒的異常組合檢測(cè)。

將上述閾值超標(biāo)的風(fēng)電塔筒組合進(jìn)行選取，將其融入正常振動(dòng)的風(fēng)電塔筒，即將所有風(fēng)電塔筒組合的風(fēng)速-振動(dòng)表進(jìn)行相加、在除以所選取的風(fēng)電塔筒總和數(shù)量，得到平均風(fēng)電塔筒的風(fēng)速-振動(dòng)數(shù)據(jù)表格；風(fēng)力發(fā)電塔筒進(jìn)行工作時(shí)，選取時(shí)間段對(duì)風(fēng)速達(dá)到五分鐘、十分鐘均值的風(fēng)電塔筒進(jìn)行單獨(dú)排查，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)超過(guò)風(fēng)電塔筒平均風(fēng)速-振動(dòng)閾值的風(fēng)電塔筒時(shí)，進(jìn)行異常振動(dòng)方案處理并及時(shí)發(fā)出預(yù)警報(bào)告。

2.3 定期檢修安裝

定期維護(hù)與檢修能對(duì)塔筒內(nèi)部發(fā)生的零件損壞、軟件故障等問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)解決，減少出現(xiàn)風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)疲軟，松化現(xiàn)象的出現(xiàn)。此外，在風(fēng)電塔筒內(nèi)部安裝被動(dòng)減振裝置能大幅提高由于過(guò)度風(fēng)力振動(dòng)引起零件撞擊現(xiàn)象。首先根據(jù)風(fēng)電塔筒風(fēng)葉片的轉(zhuǎn)速情況分析，著重在塔筒的上端建立阻尼器來(lái)減少風(fēng)電塔筒過(guò)度旋轉(zhuǎn)造成的葉片離位現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)一步協(xié)調(diào)了風(fēng)電塔筒葉片的質(zhì)量?jī)?yōu)化；安裝的阻尼器不能是傳統(tǒng)依靠爬梯、電閘等方式進(jìn)行操作的設(shè)備，應(yīng)根據(jù)變頻阻尼器達(dá)到對(duì)風(fēng)電塔筒內(nèi)部氣壓環(huán)境的分析處理，利用顆粒之間的微弱摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電塔筒的耐用性與實(shí)用性，并能掌控風(fēng)電塔筒內(nèi)部的溫度調(diào)節(jié)等，是未來(lái)風(fēng)力發(fā)電塔筒發(fā)展的可靠前景。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上，可再生能源是國(guó)家未來(lái)發(fā)展的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，風(fēng)力發(fā)電則是其中開(kāi)放潛力最大、危害最小的能源，目前我國(guó)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域已取得重大成功，但不能因此就對(duì)風(fēng)力發(fā)電站的設(shè)計(jì)研究停滯不前。風(fēng)力發(fā)電塔筒作為支撐整體風(fēng)力發(fā)電塔的關(guān)鍵桿杠，更能為風(fēng)電塔的安全性能進(jìn)行預(yù)警提示，強(qiáng)化對(duì)風(fēng)電塔筒的研發(fā)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)繼續(xù)鉆研?，F(xiàn)今風(fēng)力發(fā)電塔筒的異常振動(dòng)現(xiàn)象屢有發(fā)生，從優(yōu)化韌性、優(yōu)化檢測(cè)技術(shù)與定期檢測(cè)維修等方面全面提高風(fēng)電塔筒的性能不失為一個(gè)良好的優(yōu)化方案，為后續(xù)推動(dòng)風(fēng)力發(fā)電的全面應(yīng)用提供深入借鑒的經(jīng)驗(yàn)。