謝海峰　陳興媒　朱靈佳　吳超

摘 要： 針對(duì)近幾年中國(guó)風(fēng)電行業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的單一運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)越來(lái)越不能滿足當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)，開(kāi)發(fā)了一套風(fēng)電機(jī)組整機(jī)結(jié)構(gòu)安全預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)，能夠在線連續(xù)測(cè)量并存儲(chǔ)風(fēng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)件在運(yùn)行過(guò)程中的關(guān)鍵安全參數(shù)，提供風(fēng)輪不平衡、傳動(dòng)鏈扭振、整機(jī)晃動(dòng)與共振、塔架傾斜與塔架整體變形位移量、基礎(chǔ)環(huán)傾斜與松動(dòng)、不均勻沉降或其它因素（如腐蝕等）造成的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體性傾斜，共6類(lèi)安全監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞： 風(fēng)電機(jī)組;整機(jī)結(jié)構(gòu);在線安全監(jiān)測(cè)

【中圖分類(lèi)號(hào)】TM614 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-3733（2020）20-0170-03

中國(guó)風(fēng)電行業(yè)經(jīng)過(guò)近幾年的飛速發(fā)展，風(fēng)電技術(shù)取得了巨大進(jìn)步，隨著低風(fēng)速資源和海上風(fēng)資源的開(kāi)發(fā)利用，機(jī)組朝著更高、更大功率的方向演進(jìn)。同時(shí)行業(yè)內(nèi)倒塔、葉片開(kāi)裂脫落和斷裂、傳動(dòng)系統(tǒng)失效等重大災(zāi)難性事故時(shí)有發(fā)生。所以，開(kāi)發(fā)一套能夠滿足目前風(fēng)電行業(yè)的安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就顯得十分有意義。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)在20世紀(jì)60年代起源于美國(guó)，開(kāi)始主要用于航天系統(tǒng)方面，之后逐漸拓展到電力系統(tǒng)等其他行業(yè)。當(dāng)時(shí)比較著名的美國(guó)公司有本特利、BEI、西屋，歐洲方面有德國(guó)的普魯夫、瑞士的ABB等公司。早期評(píng)估設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)主要憑借專家在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)自身的聽(tīng)覺(jué)以及觸覺(jué)，所以經(jīng)常會(huì)發(fā)生誤判斷。

近年來(lái)，狀態(tài)監(jiān)測(cè)隨著與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，逐漸形成了具有綜合分析與處理能力的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，其中當(dāng)然包括風(fēng)電行業(yè)。風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目前主要包括主機(jī)廠自身配套的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，丹麥的Vestas、美國(guó)的GE、德國(guó)的B&K、西班牙的Gamesa等這些主機(jī)廠都有相關(guān)產(chǎn)品;第三方監(jiān)控系統(tǒng)，如美國(guó)卓越通信的SCADA系統(tǒng);監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)傳動(dòng)鏈的CMS，如深圳米庫(kù)的MK3000遠(yuǎn)程在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)。

上述風(fēng)電機(jī)組的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)機(jī)組的安全保護(hù)相對(duì)單一，為了更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)整機(jī)安全運(yùn)行的全面監(jiān)測(cè)，開(kāi)發(fā)了一套風(fēng)電機(jī)組整機(jī)結(jié)構(gòu)安全預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)，能夠在線連續(xù)測(cè)量并存儲(chǔ)風(fēng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)件在運(yùn)行過(guò)程中的關(guān)鍵安全參數(shù)，提供風(fēng)輪不平衡、傳動(dòng)鏈扭振、整機(jī)晃動(dòng)與共振、塔架傾斜與塔架整體變形位移量、基礎(chǔ)環(huán)傾斜與松動(dòng)、不均勻沉降或其它因素（如腐蝕等）造成的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體性傾斜，共6類(lèi)安全監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)命名為MK3500在線安全結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)硬件安裝及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在風(fēng)電機(jī)組的相關(guān)特定位置。其中基礎(chǔ)不均勻沉降監(jiān)測(cè)，使用MK3500風(fēng)電專用傾角傳感器，安裝在風(fēng)機(jī)內(nèi)部地基底部;基礎(chǔ)環(huán)松動(dòng)監(jiān)測(cè)，安裝在基礎(chǔ)環(huán)上，通過(guò)L型支架粘貼固定在基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)壁上;塔架位移監(jiān)測(cè)，安裝在塔架頂部位置處，通過(guò)L型支架粘貼固定在塔筒壁上;風(fēng)輪不平衡監(jiān)測(cè)，安裝在主軸承下方機(jī)架上，通過(guò)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)粘接劑安裝;傳動(dòng)鏈扭振監(jiān)測(cè)，使用2支MK3500傳感器，兩邊各1支，通過(guò)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)粘接劑安裝在齒輪箱兩端懸臂上;機(jī)艙振動(dòng)監(jiān)測(cè)，使用MK3500傳感器安裝在發(fā)電機(jī)尾部機(jī)架上，通過(guò)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)粘接劑安裝;轉(zhuǎn)速傳感器安裝，使用接近開(kāi)關(guān)，通過(guò)轉(zhuǎn)速支架安裝在齒輪箱輸出軸軸承座。典型配置如表1所示。

機(jī)艙MK3500-DAU01保護(hù)表安裝在機(jī)艙控制柜旁踏板上，通過(guò)支架安裝，用于采集處理風(fēng)輪不平衡，傳動(dòng)鏈扭振，機(jī)艙晃動(dòng)信號(hào)。塔架MK3500-DAU02保護(hù)表安裝在塔底塔筒內(nèi)電纜架上固定，用于采集處理地基不均勻沉降和塔架位移信號(hào)。兩塊保護(hù)表的數(shù)據(jù)信號(hào)統(tǒng)一保存到安裝在機(jī)艙控制柜頂部的工控機(jī)，再通過(guò)安裝在控制柜內(nèi)的一臺(tái)交換機(jī)和一臺(tái)4G路由器將數(shù)據(jù)發(fā)往云平臺(tái)，最后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控，整體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖1所示。

2 系統(tǒng)實(shí)際信號(hào)應(yīng)用

某風(fēng)電場(chǎng)69號(hào)2MW風(fēng)電機(jī)組，塔架高度80米，風(fēng)輪直徑115米，風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速13.5RPM，基礎(chǔ)為基礎(chǔ)環(huán)式地基，該風(fēng)場(chǎng)于2016年建成并網(wǎng)，為高山風(fēng)場(chǎng)，所受湍流較大。機(jī)組于2019年10月加裝了一套MK3500風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)安全保護(hù)系統(tǒng)，并于當(dāng)月發(fā)出遠(yuǎn)程預(yù)警，初步判斷為基礎(chǔ)環(huán)松動(dòng)故障。11月，經(jīng)過(guò)第三方檢測(cè)公司驗(yàn)證基礎(chǔ)頂面混凝土和基礎(chǔ)側(cè)面混凝土抗壓強(qiáng)度均低于設(shè)計(jì)要求，造成基礎(chǔ)環(huán)連接處的混凝土破碎，確認(rèn)出現(xiàn)了基礎(chǔ)環(huán)松動(dòng)故障?，F(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)加固前后的數(shù)據(jù)如下：

（1）機(jī)艙晃動(dòng)X向（機(jī)艙前后晃動(dòng)）以及Y向（機(jī)艙左右晃動(dòng)）測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示在加固前機(jī)艙晃動(dòng)最大達(dá)到0.1g，加固后機(jī)艙晃動(dòng)為0.067g;加固前機(jī)組自振頻率為0.2991Hz，加固后機(jī)組自振頻率為0.3113Hz。加固前后機(jī)艙晃動(dòng)減小，自振頻率變大，基礎(chǔ)修復(fù)后機(jī)組整體剛性增強(qiáng)，如圖所示：

（2）基礎(chǔ)環(huán)松動(dòng)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示在加固前基礎(chǔ)環(huán)最大傾斜角度達(dá)到了0.42度，超出紅色標(biāo)準(zhǔn)圈;加固后基礎(chǔ)環(huán)最大傾斜角度0.15度，加固后基礎(chǔ)環(huán)無(wú)松動(dòng)現(xiàn)象如圖所示：

（3）塔架位移測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示在加固前塔架頂部?jī)A角最大達(dá)到1.5度，最大位移達(dá)到1200mm，加固后塔筒最大傾斜角度為0.55度，塔架位移420mm，運(yùn)行數(shù)據(jù)如下。

現(xiàn)場(chǎng)照片如圖所示。

3 結(jié)論

1）本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)從上到下覆蓋了整個(gè)風(fēng)電機(jī)組，相比目前市場(chǎng)上流行的傳動(dòng)鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)CMS監(jiān)測(cè)的位置置于整個(gè)機(jī)組更加重要。由于CMS技術(shù)已經(jīng)成熟也相對(duì)簡(jiǎn)單，所以實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)與CMS的結(jié)合相對(duì)容易，本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成功后真正做到了對(duì)風(fēng)電機(jī)組的全面實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，本系統(tǒng)最終通過(guò)實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證。

2）從檢測(cè)成本方面，目前風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)第三方公司檢測(cè)主要有地質(zhì)雷達(dá)法和超聲橫波成像法兩種檢測(cè)方法。地質(zhì)雷達(dá)法必須使用專用雷達(dá)軟件，經(jīng)濾波、增益恢復(fù)等一系列處理后，才能顯現(xiàn)所需要的雷達(dá)圖像信息，超聲波檢測(cè)又是眾所周知的一種高成本檢測(cè)手段，所以安裝本系統(tǒng)還可以大大降低檢測(cè)成本。