復(fù)合傳感器在風(fēng)電機組塔筒晃動遠(yuǎn)程在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)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(fēng)力塔筒給風(fēng)輪，機艙以及葉片提供滿足要求的，可靠的穩(wěn)定支撐力，提供安裝，檢修等工作平臺。風(fēng)電機組基礎(chǔ)和塔筒不僅需要承受自身重力、風(fēng)推力、葉輪扭力及復(fù)雜多變負(fù)荷的影響。國產(chǎn)風(fēng)電機組占有比例將越來越大，設(shè)備質(zhì)量良莠不齊。且目前為了獲取優(yōu)勢風(fēng)資源，塔筒的高度不斷增加，因而基礎(chǔ)更容易傾斜，塔筒撓曲變形更大。在實際的運行工況下風(fēng)機必須適應(yīng)在各種風(fēng)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(yīng)力集中或螺栓的過度疲勞，致使風(fēng)機使用壽命降低。尤其少人值守的風(fēng)電場，無法在第一時間通知管理人員調(diào)度檢修人員在最短時間內(nèi)修復(fù)風(fēng)機設(shè)備。所以風(fēng)力發(fā)電機塔筒振動監(jiān)測是風(fēng)電機安全監(jiān)測的必不可少的部分。風(fēng)電機組塔筒監(jiān)測的方案很多：如激光測距技術(shù)、GPS測量技術(shù)、傾角測量技術(shù)等。激光測距和GPS存在成本、精度和安裝問題?，F(xiàn)有的傾角監(jiān)測方案大都采用傾角傳感器，進(jìn)行塔筒和基礎(chǔ)傾角的趨勢和單一數(shù)值的監(jiān)測，由于受傳感器動態(tài)性能不佳的影響，只能算是靜態(tài)測量技術(shù)。另一方面風(fēng)電機組的塔筒受風(fēng)力和重力影響呈現(xiàn)不規(guī)則晃動，使用靜態(tài)測量技術(shù)去測量動態(tài)的塔筒，誤差極大，不能很好的展示風(fēng)電機組的實際工況，更加不能對塔筒動態(tài)性能進(jìn)行全面分析和評價。

1 系統(tǒng)原理

風(fēng)電機組其支撐結(jié)構(gòu)包括塔筒和基礎(chǔ)兩個部分?；A(chǔ)是整個風(fēng)電機組的承重固定部件，由此可將機組的基礎(chǔ)看作為梁的固定端，塔筒當(dāng)作梁的自由端，即機組塔筒成懸臂梁結(jié)構(gòu)。塔筒由于受自身、機艙、葉片重力 G1和外力，會出現(xiàn)復(fù)雜撓曲變形?，F(xiàn)有傾角監(jiān)側(cè)技術(shù)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(zhuǎn)角θ（傾角），來評估塔筒的工作狀態(tài)，根據(jù)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(zhuǎn)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(guān)系。為了防止運行時塔筒與葉輪或其他部件發(fā)生的振動產(chǎn)生共振，計算出塔筒的固有頻率和振型，是塔筒結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的參考依據(jù)[3]，也可以為振動信號采集設(shè)備的選擇提供依據(jù)。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(cè)，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(fā)生彎曲傾斜。在機組偏航時，通過監(jiān)測動態(tài)傾角，就可獲得不同偏航位置時塔筒相應(yīng)高度端面靜態(tài)傾斜數(shù)據(jù)，將不同偏航位置的傾斜數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合就可以獲得塔筒相應(yīng)測點部位的靜態(tài)剛度圓。通過擬合機組正常運行并滿發(fā)的一段時間的數(shù)據(jù)，便可得出圖塔筒在該期間內(nèi)的最大動態(tài)度圓。正常情況下，機組塔筒工作位置不應(yīng)超過此圓。當(dāng)塔筒變形的最大饒度和最大轉(zhuǎn)角超過設(shè)計值時，就會使塔筒的剛度發(fā)生變化[4]。傾角監(jiān)側(cè)方案就是監(jiān)測塔項最大饒度|f|max和最大轉(zhuǎn)角|θ|max不超許可饒度[f]及許可轉(zhuǎn)角[θ]通過建立剛度條件|f|max=[f]，|θ|max=[θ]判定塔筒工作狀態(tài)。

2 硬件構(gòu)成及算法

3 軟件系統(tǒng)及應(yīng)用

風(fēng)電機組塔筒動態(tài)特性監(jiān)測系統(tǒng)風(fēng)機端的主畫面，顯示塔筒的靜態(tài)變形、實時監(jiān)測塔筒的傾斜度和塔基有角度，具有數(shù)據(jù)采集存儲、報警功能。遠(yuǎn)程監(jiān)控各個風(fēng)機的塔筒運行狀態(tài)，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程報警，歷史數(shù)據(jù)提取等功能。塔筒的狀態(tài)包括：塔筒的剛度圓（可監(jiān)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(jiān)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(shù)據(jù)，從而計算出塔筒的頂部在風(fēng)機停機狀態(tài)、滿發(fā)狀態(tài)下的最大晃動邊界曲線。利用這一技術(shù)理論，繪制出塔筒的靜態(tài)、動態(tài)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(tài)。通過對塔筒底部和頂部傳感器數(shù)據(jù)的對比分析，有利于發(fā)現(xiàn)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(nèi)塔筒觸發(fā)最大振動要求的次數(shù)，對分析焊縫及螺栓的過度疲勞提供依據(jù)[10]。通過點堆積實時計算歷史最大擺動度，根據(jù)其地形特點更加合理的設(shè)定振動保護(hù)觸發(fā)值，讓機組振動保護(hù)更科學(xué)。漫景風(fēng)電場某臺機組在開機正常運行時，其動態(tài)傾斜角度偏大；基礎(chǔ)環(huán)不均勻沉降靜態(tài)值已接近 0.003傾斜率標(biāo)準(zhǔn)值。分析對比發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)環(huán)傾斜角度易受風(fēng)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(chǔ)環(huán)或基礎(chǔ)可能存在松動現(xiàn)象”，由于數(shù)據(jù)變化區(qū)間過大，需檢查基礎(chǔ)環(huán)及基礎(chǔ)是否存在異常情況。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)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(tài)提供了巨大幫助。

4 結(jié)論

利用復(fù)合傳感器在風(fēng)電機組塔筒晃動遠(yuǎn)程在線監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用，通過軟件系統(tǒng)實現(xiàn)了監(jiān)測預(yù)警人機交互界面，對傾斜度的直觀展示。系統(tǒng)具有布設(shè)便捷，監(jiān)測全面，通信高效，便于在少人值守情況下進(jìn)行風(fēng)電機組故障預(yù)警和壽命預(yù)測，有助于為風(fēng)電機組的預(yù)防性維修提供科學(xué)依據(jù)，減少故障發(fā)生率，從而降低風(fēng)電機組的維修成本。