劉峰

(中國大唐集團(tuán)新能源股份有限公司北京檢修分公司，北京 100071)

0 引言

新能源資源的不斷開發(fā)利用，使二、三類風(fēng)能資源成為風(fēng)電開發(fā)的主要對(duì)象。相對(duì)一類風(fēng)能資源地區(qū)，在這些地區(qū)開發(fā)風(fēng)電將需要整機(jī)廠商提供更長的葉片和更高的塔架。塔筒高度在不斷增加，目前陸上風(fēng)電機(jī)組的塔筒高度大多在50m－120m之間，塔筒本身承受自身的重力、風(fēng)的推力、葉輪的扭力等復(fù)雜多變的負(fù)荷，同時(shí)受氣象及地質(zhì)因素的影響，塔體作為一個(gè)彈性剛體會(huì)產(chǎn)生一定幅度的搖擺和扭曲等彈性變形。過大的擺動(dòng)將導(dǎo)致塔體結(jié)構(gòu)的疲勞增大，或使塔架基礎(chǔ)發(fā)生傾斜，產(chǎn)生安全隱患，因此需要對(duì)塔體的變形狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)的在線監(jiān)測。

雖然可以通過很多方案從原理上實(shí)現(xiàn)塔體的傾斜和變形監(jiān)測，但是這些方案仍存在諸多問題：（1）GPS精度目前不能滿足風(fēng)電機(jī)組塔筒毫米級(jí)的傾斜測量要求；（2）采用多個(gè)GPS的方案不僅成本高，同時(shí)受工程施工的限制，必須安裝在塔體外壁，采用傾斜傳感器測量位移量雖然可行，但是現(xiàn)有專利US7317260未能考慮塔體的非線性變形特點(diǎn)，基于單一傾角和剛體變形的假設(shè)所計(jì)算得到的位移量將遠(yuǎn)大于實(shí)際位移量；（3）采用加速度傳感器進(jìn)行兩次積分的方法則存在初始位置無法準(zhǔn)確獲取，積分運(yùn)算受干擾而精度較低等問題。

目前，成本較低、可用于風(fēng)電機(jī)組塔體之傾斜及變形狀態(tài)在線監(jiān)測的系統(tǒng)和方法還有待進(jìn)一步研究。

1 研究過程

1.1 理論論證階段

為了分析塔筒在實(shí)際運(yùn)行過程中的受力情況，我們在塔架上安裝了多個(gè)傳感器，結(jié)合附圖1：塔架線性變形與非線性變形的受力變形情況,對(duì)風(fēng)電機(jī)組塔筒在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究過程進(jìn)行詳述。

如圖1(a)所示，現(xiàn)有技術(shù)中一般假設(shè)塔體為剛體，即假設(shè)塔體傾斜時(shí)位移為線性位移，因此根據(jù)塔頂?shù)奈灰芼和塔體高度H來評(píng)估塔體的傾角α，即

但是反過來， 如果根據(jù)傾斜傳感器的測量值α計(jì)算塔頂?shù)奈灰屏縟，容易獲得錯(cuò)誤的結(jié)果。如圖1(b)所示，由于塔體的變形為非線性變形，采用上述公式求出的d將遠(yuǎn)大于實(shí)際的位移值d'?？梢姮F(xiàn)有計(jì)算方法存在較大缺陷。

如圖2模擬塔架安放傳感器位置和搭建塔體形態(tài)坐標(biāo)圖，(a)為塔體變形測量系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例。圖中所示，塔體為一個(gè)典型塔筒結(jié)構(gòu)的風(fēng)電機(jī)組塔體1，但是同樣可應(yīng)用于其他結(jié)構(gòu)形式的塔體，例如桁架結(jié)構(gòu)的塔體。風(fēng)電機(jī)組塔體通常由多段錐形塔筒連接而成，連接方式主要采用圓形法蘭盤等形式。為了便于后續(xù)表述，引入塔體坐標(biāo)系：其中x軸與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸線平行，y軸與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸線垂直，z軸與重力方向平行。

研究采用最典型的塔體為例，在圖2中，塔體1由上半段塔筒2和下半段塔筒3，兩者之間通過法蘭盤4a和4b連接。傾斜傳感器5安裝在法蘭盤4a的上方附近，例如通過剛性支架與法蘭盤連接，或者直接安裝在法蘭盤上。傾斜傳感器5的內(nèi)部具有一個(gè)水平加速度傳感器5a。加速度傳感器5a至少是提供兩個(gè)水平方向加速度測量的2軸加速度傳感器，最好是支持三個(gè)方向加速度測量的3軸加速度傳感器。圖2(b)和圖2(c)為塔體變形測量系統(tǒng)的另外兩個(gè)實(shí)例，即在塔體內(nèi)部的不同高度上安裝有多個(gè)加速度傳感器。在更多的不同高度位置上安裝加速度傳感器有利于提高塔體位姿及變形測量的精度。

圖1 塔架線性變形與非線性變形的受力變形情況

圖2 模擬塔架安放傳感器位置和搭建塔體形態(tài)坐標(biāo)圖

圖3 塔架各部位傳感器設(shè)計(jì)安裝點(diǎn)

圖4 塔筒法蘭安裝螺栓處傳感器變化情況

如圖3所示，塔架各部位傳感器設(shè)計(jì)安裝點(diǎn)，為傾斜傳感器和加速度傳感器的一個(gè)安裝實(shí)例，傾斜傳感器5可以安裝在靠近法蘭盤的位置，也可以安裝在塔體的中軸線附近，具體的安裝方式將結(jié)合圖4進(jìn)行說明。對(duì)于加速度傳感器來說，對(duì)應(yīng)每一個(gè)安裝高度，加速度傳感器的安裝方式主要有兩種方案。一種安裝方式為在位置8安裝一個(gè)兩軸加速度傳感器，用于測量x，y方向的加速度。這是因?yàn)樵谶@一位置上，由于塔體繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)造成的平動(dòng)加速度非常小，采用單個(gè)兩軸水平加速度傳感器即可實(shí)現(xiàn)水平加速度的測量。另一種安裝方式為在位置9安裝一個(gè)兩軸加速度傳感器，用于測量x，y方向的加速度，并在位置10安裝一個(gè)單軸加速度傳感器，用于測量y方向的加速度，根據(jù)同時(shí)測量得到的三個(gè)加速度值可以計(jì)算出塔體在該高度的x、y方向水平加速度，以及繞z軸旋轉(zhuǎn)的角加速度。此外，還可以采用多個(gè)單軸加速度傳感器實(shí)現(xiàn)上述測量。需要了解的是，加速度傳感器的水平安裝方向一般與風(fēng)電機(jī)組塔筒的初始x，y方向一致，當(dāng)頂艙有偏航運(yùn)動(dòng)時(shí)可以通過坐標(biāo)變換進(jìn)行換算。

如圖4塔筒法蘭安裝螺栓處傳感器變化情況的細(xì)部描述， (a)所示為傾斜傳感器安裝方式的一個(gè)實(shí)例，在法蘭盤4a上吸附有永磁鐵12，剛性支架13通過螺釘?shù)确绞脚c永磁鐵12固連，傾斜傳感器5固定安裝在剛性支架13的另一端。剛性支架13的長度l一般選擇接近法蘭半徑，但是也可以更短或更長。如圖4(a)所示，法蘭4a和4b之間通常采用大量螺栓14進(jìn)行聯(lián)接。需要指出的是，由于法蘭盤4a，4b的厚度通常遠(yuǎn)厚于塔筒壁15的厚度，因此將剛性支架13固定安裝在法蘭上更加穩(wěn)固，但是傾斜傳感器5也可以通過其他方式安裝在法蘭盤4a上方的塔筒壁上。

圖4(b)中還顯示了法蘭盤在復(fù)雜外部載荷的作用下發(fā)生了傾斜，同時(shí)螺栓14出現(xiàn)拉伸和彎曲變形。由于螺栓在反復(fù)拉伸一段時(shí)期后可能會(huì)產(chǎn)生塑形變形，對(duì)塔體安全帶來重大隱患，因此及時(shí)發(fā)現(xiàn)螺栓的異常具有重要意義。采用剛性支架13和加速度傳感器5a，可以將法蘭盤4a的角加速度波動(dòng)放大為z軸方向的直線加速度，通過測量z軸方向加速度波動(dòng)，即可以檢測出法蘭盤4a異常傾斜造成的角加速度波動(dòng)，進(jìn)而發(fā)出警報(bào)通知維護(hù)人員。

1.2 現(xiàn)場實(shí)踐階段

基于以上研究，我們設(shè)計(jì)了一款專門針對(duì)塔筒形態(tài)在線監(jiān)測的自動(dòng)裝置，通過試驗(yàn)各種原理傳感器的靈敏度、改變傳感器的安裝位置、安裝工藝等方式，發(fā)現(xiàn)在塔頂和塔基各安裝一個(gè)傳感器是較合理、經(jīng)濟(jì)的方案，這樣既可以得到塔頂?shù)臄[動(dòng)瞬時(shí)值，還可以得到基礎(chǔ)環(huán)法蘭的水平數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了塔頂擺動(dòng)度和塔基有角度沉降的在線監(jiān)測。

圖5 塔筒形態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

根據(jù)設(shè)備的實(shí)際情況，我們對(duì)采集到的數(shù)據(jù)傳輸路徑進(jìn)行了多種方案的設(shè)計(jì)，一是利用原有風(fēng)電機(jī)組間的光纖通道將數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤L(fēng)電場主控制室，這種施工方案在現(xiàn)場需要熔接光纖，因?yàn)椴糠诛L(fēng)電機(jī)組間的備用光纖通道已經(jīng)損壞，施工周期較長；二是利用無線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)送到主控制室，發(fā)現(xiàn)在塔架內(nèi)裝設(shè)無線發(fā)射系統(tǒng)受金屬屏蔽和風(fēng)電場電磁干擾，信號(hào)有所失真；基于以上困難，我們采用了一種就地存儲(chǔ)、硬件關(guān)聯(lián)報(bào)警的處理思路解決了通訊方面帶來的技術(shù)難題。當(dāng)運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組報(bào)“安全鏈打開”類似的嚴(yán)重故障停機(jī)后，到現(xiàn)場檢查可以發(fā)現(xiàn)“本系統(tǒng)處于報(bào)警輸出狀態(tài)”，提示檢查擺動(dòng)最大值，拷貝故障波形。對(duì)監(jiān)測系統(tǒng)的波形拷貝完畢后可以通過手動(dòng)復(fù)位，風(fēng)電機(jī)組安全鏈恢復(fù)正常[1]。

通過安裝在塔筒底部的在線監(jiān)測裝置畫面可以實(shí)時(shí)監(jiān)測頂部與底部的數(shù)據(jù)變化，同樣若在風(fēng)電場控制室安裝了在線監(jiān)測系統(tǒng)工控機(jī)，運(yùn)行人員在控制室既可以觀測到每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的塔體變形情況，風(fēng)電機(jī)組維護(hù)人員可以在線觀察塔筒的動(dòng)態(tài)變形。需要指出的是，當(dāng)處理過程中發(fā)出黃色警報(bào)時(shí)，可以為風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控人員提供參考。風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控人員根據(jù)塔體的變形特征和報(bào)警數(shù)量及持續(xù)時(shí)間作出調(diào)整葉片角度或停機(jī)的決策。

1.3 實(shí)際案例分析

如圖6中采集到的風(fēng)電機(jī)組由“運(yùn)行”到“收到停機(jī)指令”進(jìn)行變槳，再到“變槳到90度”變化過程，全程檢測出了停機(jī)過程中塔筒的擺動(dòng)情況，說明風(fēng)電機(jī)組在收到停機(jī)指令后的1s內(nèi)是擺動(dòng)最嚴(yán)重的情況，以塔高52m、風(fēng)速11.2m/s時(shí)停機(jī)為例，系統(tǒng)捕捉到的塔筒頂部最大擺動(dòng)值為徑向1.19m。

圖7為通過對(duì)現(xiàn)場一個(gè)80m高塔筒進(jìn)行在線監(jiān)測系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，塔基底部數(shù)據(jù)變化范圍微小，基本集中在中心沒有變化，可以說明數(shù)據(jù)在靶心幾乎無偏移，即塔筒底部基礎(chǔ)沒有發(fā)生有角度的沉降和傾斜。

圖6 風(fēng)電機(jī)組在手動(dòng)急停過程中的擺動(dòng)及傾斜量變化波形

圖7 底部傳感器徑向傾角點(diǎn)堆積圖

通過位移變化曲線，也能發(fā)現(xiàn)曲線在微米級(jí)范圍內(nèi)波動(dòng)，徑向最大瞬時(shí)沉降量為400um（圖8中藍(lán)色曲線），變化很微小，基礎(chǔ)穩(wěn)定，暫無沉降趨勢。

通過圖9可知：塔筒頂部徑向瞬時(shí)擺動(dòng)極限散點(diǎn)圖，徑向傾角散點(diǎn)分析，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)在北偏東、南偏西方向偏移量較大，此方向螺栓受力頻繁易疲勞，在巡檢的時(shí)候?qū)@部分螺栓應(yīng)重點(diǎn)檢查。

通過圖10可知：塔筒頂部實(shí)時(shí)擺動(dòng)變化曲線，可以清晰看出塔頂?shù)奈灰谱兓渲?，紅色曲線是塔頂角度在X軸方向的絕對(duì)值，黃色曲線是在Y軸方向的絕對(duì)值，藍(lán)色曲線是X軸與Y軸的合成最大值。從圖中可以發(fā)現(xiàn)塔筒頂部曲線在米級(jí)范圍內(nèi)波動(dòng)，徑向最大瞬時(shí)傾斜度為1.7m,平均偏移程度為0.4m（圖中藍(lán)色曲線），利用曲線的實(shí)時(shí)分析可以判斷塔架的晃動(dòng)幅度，并對(duì)塔架受力和螺栓受力進(jìn)行專項(xiàng)分析。同時(shí)根據(jù)趨勢變化可以分析彈性變形是否回到原點(diǎn)，判斷塔架是否發(fā)生傾斜或塑性變形[2]。

2 技術(shù)價(jià)值及現(xiàn)場應(yīng)用收獲

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成及靈敏度

塔筒形態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)是用于實(shí)時(shí)監(jiān)測風(fēng)電機(jī)組塔筒底部有角度的沉降量和塔架頂部擺動(dòng)范圍的自動(dòng)儀器，有效實(shí)現(xiàn)塔筒基礎(chǔ)沉降的觀測和塔架振動(dòng)幅值的實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備。

塔筒形態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由頂部傳感器、底部傳感器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理器、輸入輸出接口四部分組成。系統(tǒng)通過安裝到在役風(fēng)電機(jī)組塔架上的傳感器，定點(diǎn)采集塔架振動(dòng)和傾斜數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨惭b在塔架底部主機(jī)的處理單元，處理單元負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析分析?，F(xiàn)場人員可以在風(fēng)電機(jī)組定期巡檢時(shí)拷貝數(shù)據(jù)，為提高數(shù)據(jù)精度，可以采取每秒一次的采樣頻率，利用數(shù)據(jù)專家診斷系統(tǒng)進(jìn)行分析。

由圖11可知：塔基傳感器在外部強(qiáng)烈振動(dòng)時(shí)采集到的波形，是現(xiàn)場采集到的一次風(fēng)電機(jī)組附近經(jīng)過重型裝載機(jī)時(shí)形成的波形變化，通過實(shí)際工況采集到的波形驗(yàn)證了傳感器的靈敏度，對(duì)現(xiàn)場發(fā)生地震、泥石流等嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害可以實(shí)現(xiàn)超前預(yù)防。

2.2 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值

風(fēng)電機(jī)組塔筒形態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測塔筒的傾斜度和塔基有角度的沉降量，通過高性能傾角傳感器感知每一秒內(nèi)塔筒頂部的晃動(dòng)幅度和方向。同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的邊界條件，可以自動(dòng)計(jì)算每一次小風(fēng)條件下塔架的的穩(wěn)態(tài)變形，即傾斜度。

（1）通過對(duì)年度塔筒擺動(dòng)軌跡的點(diǎn)堆積，可以分析出塔架一整年內(nèi)的受力情況，對(duì)受力較大方向的關(guān)鍵部位螺栓可以提出進(jìn)行特殊檢查，為風(fēng)電機(jī)組定檢提供技術(shù)指導(dǎo)；

（2）通過分析傳感器實(shí)測的瞬時(shí)數(shù)據(jù)，分析塔架暫態(tài)傾斜度，在惡劣天氣、地質(zhì)條件下，防止發(fā)生或擴(kuò)大事故，主要通過處理器輸出繼電器接點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警或停機(jī)功能；

（3）通過對(duì)塔筒底部和頂部傳感器數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，有利于發(fā)現(xiàn)塔架局部受力不均、變形不均的情況；

（4）通過每一次報(bào)警極限值的激活，可以記錄在一定時(shí)期內(nèi)塔筒觸發(fā)最大振動(dòng)要求的次數(shù)，對(duì)分析焊縫及螺栓的過度疲勞提供依據(jù)；

（5）通過點(diǎn)堆積實(shí)時(shí)計(jì)算歷史最大擺動(dòng)度，根據(jù)其地形特點(diǎn)更加合理的設(shè)定振動(dòng)保護(hù)觸發(fā)值，讓塔筒振動(dòng)保護(hù)更科學(xué)；

圖8 塔底基礎(chǔ)環(huán)法蘭外部偏移變化曲線

圖9 塔筒頂部徑向瞬時(shí)擺動(dòng)極限點(diǎn)堆積圖

圖10 塔筒頂部實(shí)時(shí)擺動(dòng)變化曲線

圖11 塔基傳感器在外部強(qiáng)烈振動(dòng)時(shí)采集到的波形

（6）通過對(duì)風(fēng)電機(jī)組塔筒一段時(shí)間內(nèi)的在線監(jiān)測，可以掌握風(fēng)電機(jī)組在不同風(fēng)速、不同負(fù)荷下的擺動(dòng)情況，特別是在緊急停機(jī)時(shí)塔架的最大擺動(dòng)幅度?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組最大擺動(dòng)度的測試，可以作為保證風(fēng)電機(jī)組安全的有效定值，每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的實(shí)測最大擺動(dòng)度將有所不同，我們的定值是根據(jù)機(jī)組基礎(chǔ)、塔筒螺栓、焊縫等諸多因素實(shí)測的機(jī)組能夠承受的最大擺動(dòng)度。這些對(duì)于提高風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行壽命均有顯示意義[3]。

3 結(jié)語

風(fēng)電機(jī)組的塔架安全和機(jī)組防火已經(jīng)成為威脅機(jī)組安全、壽命的兩大致命因素，相比動(dòng)輒幾千萬的風(fēng)電機(jī)組設(shè)備，推行塔筒在線監(jiān)測技術(shù)與自動(dòng)火災(zāi)監(jiān)測滅火系統(tǒng)將成為風(fēng)電設(shè)備管理者的有效手段。在風(fēng)電發(fā)展更加重視設(shè)備質(zhì)量和安全發(fā)展的時(shí)代，積極推進(jìn)風(fēng)電機(jī)組塔筒在線監(jiān)測技術(shù)、風(fēng)電機(jī)組火災(zāi)監(jiān)測與滅火技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，可以有效彌補(bǔ)風(fēng)電機(jī)組自身設(shè)計(jì)不足帶來的安全隱患，并發(fā)現(xiàn)由于維護(hù)不及時(shí)帶來的設(shè)備隱患問題。

[1] 葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組監(jiān)測與控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[2] 諾邁士.風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,2013.

[3] 國家能源局.NB/T 31001-2010風(fēng)電機(jī)組筒形塔制造技術(shù)條件[S].中華人民共和國能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2010.