中國電能成套設(shè)備有限公司 汪晗宇

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

近年來，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)動塔在經(jīng)歷臺風(fēng)后異常振動導(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)荷過大，發(fā)出異常振動導(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)生問題會傳遞到整個(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)電塔筒振動檢測方式與設(shè)備

風(fēng)電塔筒是連接風(fēng)力發(fā)電的桿杠，通過數(shù)碼操控的程序切割機(jī)進(jìn)行切割，在材料上形成開坡口，結(jié)合電焊，定位處理后由內(nèi)外部進(jìn)行縫合操作，經(jīng)過圓度督測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)行過程中的能源動力擬載荷的重心也會全部集中于風(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)。通常對風(fēng)力發(fā)電塔塔筒異常振動的檢測是通過對振動所觀測到的觀測值是否超過國際標(biāo)準(zhǔn)的固定值為主進(jìn)行檢測，此外在風(fēng)電塔筒的內(nèi)部施加應(yīng)力傳感裝置，通過風(fēng)電塔在運(yùn)行過程中的負(fù)荷力與重心力進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)檢測，以此來保證風(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)塔筒振動檢測器，通過連接塔筒振動的電源開關(guān)，在塔筒底部設(shè)置動力振動傳感設(shè)備，將檢測的數(shù)據(jù)信息傳遞到振動預(yù)估板塊進(jìn)行分析查驗(yàn)，推測出相關(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)電塔筒振動的數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)好壞等，除上述設(shè)備外，還會在傳感器的內(nèi)部添加標(biāo)準(zhǔn)振動值，最大程度上加快了異常振動的發(fā)現(xiàn)速率，并及時(shí)啟動異常振動保障計(jì)劃。

在風(fēng)力發(fā)電塔筒建造振動信號源，通過風(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)電塔筒的振動頻率，結(jié)合振動信號大小程度對風(fēng)力發(fā)電塔進(jìn)行組合狀的低頻率振動檢測；此外在風(fēng)電塔筒內(nèi)設(shè)置能檢測異常振動的分析儀器，包括過濾波紋的振動儀器及檢測波紋的振動儀器，通過對波紋的過濾與篩選，從而能獲得風(fēng)電塔筒的相關(guān)振動信息，并連接總控制室內(nèi)部的PLC控制系統(tǒng)對風(fēng)電塔筒的信號振動源進(jìn)行相應(yīng)的電源處理，在經(jīng)過比較振動源的數(shù)據(jù)信息與監(jiān)測站點(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)異常振動信號系統(tǒng)、實(shí)時(shí)收納振動信息模型設(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)信號傳遞裝置、實(shí)時(shí)振動信息分析裝置、實(shí)時(shí)應(yīng)急閾值比較裝置與振動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)，即通過對內(nèi)部預(yù)警機(jī)制的振動信息與標(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)電塔筒振動的監(jiān)測預(yù)警機(jī)制不難發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電塔筒的異常振動檢測一般是通過對風(fēng)電塔筒的振動頻率、大小是否高于風(fēng)電塔筒內(nèi)部的振動閾值來實(shí)現(xiàn)預(yù)警機(jī)制的啟動，此外是施加動力傳感設(shè)備或利用振動符合力度是否超標(biāo)進(jìn)行檢測風(fēng)電塔筒是否處于安全運(yùn)行的范圍內(nèi)。

傳統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警機(jī)制從理論來說并沒有太大的問題，都是通過檢測觀察風(fēng)電塔筒的振動信息與風(fēng)電塔筒的振動頻率閾值進(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)境等問題，是否會引起風(fēng)電塔筒的異常振動，是傳統(tǒng)風(fēng)電塔筒振動檢測的尚待解決難題[3]。

2 風(fēng)電塔筒異常振動優(yōu)化方案

風(fēng)力發(fā)電塔異常振動的現(xiàn)狀經(jīng)常發(fā)生，對風(fēng)電塔筒進(jìn)行振動頻率分析是解決風(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)是為了能在市場上獲得更大利益，提高產(chǎn)品的競爭力，同時(shí)也能避免出現(xiàn)異常振動的現(xiàn)象發(fā)生：通過對風(fēng)電塔筒的材料進(jìn)行優(yōu)化降低塔筒重量，即通過對風(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)上通過對塔筒內(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)；對風(fēng)電塔筒的制作工藝進(jìn)行改善。例如，對振動檢測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)檢測優(yōu)化

在傳統(tǒng)風(fēng)電塔筒檢測預(yù)警機(jī)制的基礎(chǔ)上，針對風(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)速振動進(jìn)行參數(shù)估計(jì)分析，通過得出的數(shù)據(jù)信息描繪出同一時(shí)間段所有風(fēng)電塔筒的振動曲線圖，并在其中找出發(fā)生異常振動的風(fēng)電塔筒組合。此外，還需把振動異常的塔筒與振動正常的風(fēng)電塔筒組合形成的風(fēng)速振動標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行對比，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)電塔筒異常振動的檢測。技術(shù)檢測優(yōu)化的方案如下：

選取實(shí)驗(yàn)場地進(jìn)三個(gè)月、半年乃至一年的風(fēng)電塔筒振動運(yùn)行的數(shù)據(jù)信息，將風(fēng)速等級進(jìn)行劃分為風(fēng)速五分鐘均值、塔筒振動五分鐘有效均值、風(fēng)速十分鐘均值、塔筒振動十分鐘有效均值等，其中塔筒振動的有效均值是指風(fēng)電塔筒瞬間振動數(shù)值在維系一個(gè)風(fēng)電塔筒運(yùn)行振動循環(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)速等級五分鐘、十分鐘進(jìn)行有效振動指數(shù)的參數(shù)擬合，形成各自風(fēng)力發(fā)電塔筒的風(fēng)速-振動表；得出風(fēng)速-振動表后結(jié)合箱型曲線圖表對異常振動的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析求算，得到所有風(fēng)電塔筒的振動數(shù)值，隨后與風(fēng)電塔筒的振動閾值進(jìn)行分析比較，大于閾值為異常振動的風(fēng)電塔筒，小于或等于閾值則為正常振動，以完成對風(fēng)電塔筒的異常組合檢測。

將上述閾值超標(biāo)的風(fēng)電塔筒組合進(jìn)行選取，將其融入正常振動的風(fēng)電塔筒，即將所有風(fēng)電塔筒組合的風(fēng)速-振動表進(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)超過風(fēng)電塔筒平均風(fēng)速-振動閾值的風(fēng)電塔筒時(shí)，進(jìn)行異常振動方案處理并及時(shí)發(fā)出預(yù)警報(bào)告。

2.3 定期檢修安裝

定期維護(hù)與檢修能對塔筒內(nèi)部發(fā)生的零件損壞、軟件故障等問題進(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)部安裝被動減振裝置能大幅提高由于過度風(fēng)力振動引起零件撞擊現(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減少風(fēng)電塔筒過度旋轉(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)量優(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，是未來風(fēng)力發(fā)電塔筒發(fā)展的可靠前景。

3 結(jié)語

綜上，可再生能源是國家未來發(fā)展的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，風(fēng)力發(fā)電則是其中開放潛力最大、危害最小的能源，目前我國在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域已取得重大成功，但不能因此就對風(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)電塔筒的異常振動現(xiàn)象屢有發(fā)生，從優(yōu)化韌性、優(yōu)化檢測技術(shù)與定期檢測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)推動風(fēng)力發(fā)電的全面應(yīng)用提供深入借鑒的經(jīng)驗(yàn)。