劉哲鋒,朱新革,徐志杰,李代軍,何婧琳
(1.長沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 長沙 410114;2.湖南華電郴州風(fēng)力發(fā)電有限公司,湖南 郴州 423000;3.湖南砼聯(lián)科技有限責(zé)任公司,湖南 長沙 410000)
基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)是我國風(fēng)機(jī)采用的主要基礎(chǔ)形式之一[1-3]。由于基礎(chǔ)環(huán)與混凝土的共同工作性能不佳,導(dǎo)致該類型風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在服役期出現(xiàn)問題的情況日益增多,給風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行造成了安全隱患[4-10]。
僅通過靜態(tài)位移檢測(cè)(基礎(chǔ)環(huán)水平度)并不能充分了解風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在運(yùn)行中的偏移變化過程,故需對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測(cè),研究分析風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在運(yùn)行階段的偏移變化過程及其變化規(guī)律,為基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程健康診斷提供必要的基礎(chǔ)。
針對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),國內(nèi)外學(xué)者已展開了一系列研究。如Currie等[11]對(duì)采用的瞄準(zhǔn)器和尺子監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)位移的方法進(jìn)行了革新,提出使用多個(gè)位移傳感器集成在簡單的SHM系統(tǒng)中,用來連續(xù)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)環(huán)的豎向位移,通過監(jiān)測(cè)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)真實(shí)的損傷狀態(tài),將風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)的動(dòng)態(tài)偏移量分為三個(gè)階段進(jìn)行預(yù)警。王騰洋等[12]將各種偏移量限值轉(zhuǎn)化為偏移角度限值進(jìn)行闡述,并提出了運(yùn)行風(fēng)機(jī)的最大安全偏移角度限值?,F(xiàn)有對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)動(dòng)態(tài)偏移的監(jiān)測(cè)手段都有賴于在基礎(chǔ)環(huán)環(huán)周布置較多的傳感器,但過多的傳感器布置會(huì)導(dǎo)致運(yùn)維成本的增加和長期可靠性的降低。
針對(duì)以上問題,本文通過對(duì)某風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)環(huán)實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),分析基礎(chǔ)環(huán)在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中的偏移特征,探討基礎(chǔ)環(huán)在機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下剛性假定的適用性,以及基礎(chǔ)環(huán)動(dòng)態(tài)偏移角的主要影響因素,為傳感器的精簡和優(yōu)化布置提供研究基礎(chǔ)。
試驗(yàn)以湖南某風(fēng)場(chǎng)P1號(hào)2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象,風(fēng)機(jī)基本參數(shù)為:風(fēng)輪直徑96 m,輪轂高度80 m,切入風(fēng)速3 m/s,額定風(fēng)速10.5 m/s,切出風(fēng)速25 m/s。P1號(hào)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)為基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ),通過基礎(chǔ)環(huán)與塔筒連接,基礎(chǔ)環(huán)和塔筒直徑為4.4 m,基礎(chǔ)環(huán)埋深2.0 m,基礎(chǔ)混凝土上部臺(tái)柱直徑為8.0 m,實(shí)測(cè)的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)具體尺寸如圖1所示。
圖1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)具體尺寸(單位:mm)
該風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土抗壓強(qiáng)度推定值為37.4 MPa,塔筒外部混凝土存在徑向裂縫,最大裂縫寬度為1.5 mm,混凝土裂縫寬度不滿足NB/T 10311—2019《陸上風(fēng)電場(chǎng)工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]要求,基礎(chǔ)環(huán)靜態(tài)水平度為1.9 mm,滿足規(guī)范GB/T 19568—2017《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝配和安裝規(guī)范》[14]要求。
風(fēng)機(jī)靜止時(shí),基礎(chǔ)環(huán)相對(duì)于大地水平面存在靜態(tài)偏移,風(fēng)機(jī)運(yùn)行后,基礎(chǔ)環(huán)在外部激勵(lì)下產(chǎn)生動(dòng)態(tài)偏移,基礎(chǔ)環(huán)上某一點(diǎn)在某時(shí)刻相對(duì)其靜止時(shí)刻的垂直位移變化量稱為該點(diǎn)在此時(shí)刻的動(dòng)態(tài)位移量Z。在基礎(chǔ)環(huán)待測(cè)點(diǎn)安裝位移傳感器,傳感器測(cè)得的該點(diǎn)相對(duì)于混凝土的垂直距離的變化即為該點(diǎn)的動(dòng)態(tài)位移,如圖2所示。
圖2 基礎(chǔ)環(huán)的動(dòng)態(tài)位移
基礎(chǔ)環(huán)的艙門中心線位置設(shè)為1號(hào)軸線,按逆時(shí)針方向沿基礎(chǔ)環(huán)環(huán)向均分形成16個(gè)軸線位,分別命名為1~16號(hào)軸線,然后在對(duì)應(yīng)軸線處設(shè)置測(cè)點(diǎn),如圖3所示。分別在2、4、6、8、10、12、14、16軸線處布置a、b、c、d、e、f、g、h號(hào)位移監(jiān)測(cè)裝置。在基礎(chǔ)環(huán)上法蘭,放置L形金屬接收端,在塔筒內(nèi)部混凝土地面放置位移傳感器,塔筒內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)裝置簡化模型如圖4所示。
圖3 風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置
圖4 位移監(jiān)測(cè)裝置簡化模型
本試驗(yàn)采用一種非接觸式電感位移傳感器,在每一個(gè)傳感器處理模塊加裝計(jì)時(shí)裝置,采集頻率為1 Hz,通過8個(gè)傳感器連續(xù)同步采集7 d。傳感器的量程為5 mm,工作溫度在-20~+80 ℃,靈敏度高且不受油脂等介質(zhì)干擾,適用于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的監(jiān)測(cè)。
2.1.1 SCADA數(shù)據(jù)
本文通過對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行7 d的動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測(cè)成果,采用編程軟件對(duì)動(dòng)態(tài)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,提取出若干時(shí)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究,探討基礎(chǔ)環(huán)在正常運(yùn)行階段的運(yùn)動(dòng)形式。
圖5為P1號(hào)風(fēng)機(jī)的輪轂轉(zhuǎn)速時(shí)程。從圖5可見,在2 900~6 800 s時(shí)段內(nèi),輪轂轉(zhuǎn)速為中轉(zhuǎn)速(8~11.5 r/min);在6 800~8 280 s時(shí)段內(nèi),輪轂轉(zhuǎn)速從中轉(zhuǎn)速增加至高轉(zhuǎn)速(15~16 r/min);在8 280~15 600 s時(shí)段內(nèi),輪轂轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定在高轉(zhuǎn)速。
圖5 輪轂轉(zhuǎn)速時(shí)程
圖6為P1號(hào)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速時(shí)程。從圖6可見,在6 600~8 200 s時(shí)段內(nèi),風(fēng)速呈線性增長;在8 200~15 800 s時(shí)段內(nèi),風(fēng)速主要集中于7~9 m/s區(qū)間。
圖6 風(fēng)速時(shí)程
圖7為P1號(hào)風(fēng)機(jī)的風(fēng)向絕對(duì)值時(shí)程。從圖7可見,在2 500~17 200 s時(shí)段內(nèi),風(fēng)向絕對(duì)值基本穩(wěn)定在150°,即在高轉(zhuǎn)速和高風(fēng)速時(shí)段風(fēng)向絕對(duì)值基本穩(wěn)定。圖8為P1號(hào)風(fēng)機(jī)近一年風(fēng)向頻率分布,該圖為剔除風(fēng)速小于3 m/s時(shí)的風(fēng)向絕對(duì)值。從圖8可知,P1號(hào)風(fēng)機(jī)風(fēng)向在統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)第11和12區(qū)的風(fēng)向頻率合計(jì)為49.89%,第11和12區(qū)為P1號(hào)風(fēng)機(jī)的盛行風(fēng)向。
圖7 風(fēng)向絕對(duì)值時(shí)程
圖8 風(fēng)向頻率分布
2.1.2 位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)
圖9為2-10軸、4-12軸、6-14軸和8-16軸測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)位移時(shí)程。從圖9可見,動(dòng)態(tài)位移量的變化趨勢(shì)與輪轂轉(zhuǎn)速有一致性。在低轉(zhuǎn)速時(shí)段內(nèi),基礎(chǔ)環(huán)的動(dòng)態(tài)位移?。辉诟咿D(zhuǎn)速時(shí)段內(nèi),基礎(chǔ)環(huán)的動(dòng)態(tài)位移大。這說明基礎(chǔ)環(huán)的振動(dòng)與輪轂轉(zhuǎn)速有正相關(guān)關(guān)系。
2.2.1 基礎(chǔ)環(huán)剛性假定的討論
從圖9可知,同一直徑上兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)位移呈反對(duì)稱分布,這表明風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中基礎(chǔ)環(huán)在
圖9 測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)位移時(shí)程
混凝土中的運(yùn)動(dòng)類似于剛體運(yùn)動(dòng)。為進(jìn)一步論證基礎(chǔ)環(huán)的剛體假設(shè),采用3種方式(見圖10)計(jì)算基礎(chǔ)環(huán)的動(dòng)態(tài)偏移并進(jìn)行比較。在主風(fēng)向位置分別選取b,e,g測(cè)點(diǎn)和a,c,f測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù),通過3點(diǎn)確定平面的方式確定出t時(shí)刻最大偏移軸所在位置,并計(jì)算出該軸兩端點(diǎn)動(dòng)態(tài)位移量絕對(duì)值之和,即t時(shí)刻基礎(chǔ)環(huán)的動(dòng)態(tài)偏移量;第3種方式是分別計(jì)算a-e軸、b-f軸、c-g軸、d-h軸兩端點(diǎn)在t時(shí)刻動(dòng)態(tài)位移量絕對(duì)值之和,取其中的最大值作為t時(shí)刻計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。
圖10 動(dòng)態(tài)偏移量的3種計(jì)算方式
3種方式計(jì)算獲得的最大動(dòng)態(tài)偏移量比較如圖11所示。從圖11可見,在整個(gè)時(shí)間段內(nèi),3種方式獲得的最大動(dòng)態(tài)偏移量時(shí)程基本一致,其中第1種計(jì)算所得數(shù)據(jù)基本小于第2和第3種方式所得數(shù)據(jù)點(diǎn),這是因?yàn)樽畲髣?dòng)態(tài)偏移位置一般不會(huì)在所取的4條直徑處,故4條直徑處相對(duì)高差的最大值定會(huì)略小于或等于動(dòng)態(tài)偏移量。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行階段,基礎(chǔ)環(huán)相對(duì)于混凝土基礎(chǔ)發(fā)生剛體運(yùn)動(dòng)。
圖11 3種方式計(jì)算獲得的動(dòng)態(tài)偏移量的比較
2.2.2 基礎(chǔ)環(huán)動(dòng)態(tài)偏移方向的討論
基礎(chǔ)環(huán)在t時(shí)刻的最大偏移軸與艙門位置形成的夾角稱為t時(shí)刻基礎(chǔ)環(huán)的動(dòng)態(tài)偏移角(由艙門逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至最大偏移軸)。選取風(fēng)速大于8 m/s時(shí)刻的基礎(chǔ)環(huán)動(dòng)態(tài)偏移角和風(fēng)向絕對(duì)值,分別以基礎(chǔ)分區(qū)和百分率為橫縱坐標(biāo),對(duì)比分析動(dòng)態(tài)偏移角與風(fēng)向
絕對(duì)值在基礎(chǔ)分區(qū)的頻率分布(見圖12)。
圖12 動(dòng)態(tài)偏移角和風(fēng)向絕對(duì)值頻率分布對(duì)比
由圖12可知,11月2日~4日動(dòng)態(tài)偏移角與風(fēng)向絕對(duì)值均相對(duì)集中分布,11月5日動(dòng)態(tài)偏移角與風(fēng)向絕對(duì)值分布相對(duì)分散,隨著風(fēng)向絕對(duì)值變化幅度的不斷增加,動(dòng)態(tài)偏移角的分布逐漸分散,故動(dòng)態(tài)偏移方向與風(fēng)向絕對(duì)值有一致性。
基于某一基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),通過論證分析得出結(jié)論如下:
(1)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行階段,基礎(chǔ)環(huán)同一直徑上兩個(gè)點(diǎn)的垂直位移變化呈反對(duì)稱分布,基礎(chǔ)環(huán)相對(duì)于混凝土發(fā)生的運(yùn)動(dòng)可近似為剛體運(yùn)動(dòng)。
(2)基礎(chǔ)環(huán)的動(dòng)態(tài)偏移大小與輪轂轉(zhuǎn)速正相關(guān),動(dòng)態(tài)偏移方向與風(fēng)向有一致性。