劉 濤，張克功，郝 延，李恭斌，楊立平，楊 灝，蘇善斌，于滿源，王 東，王寶璽，嚴(yán)興成

（華能酒泉風(fēng)電有限責(zé)任公司，甘肅 酒泉 736100）

0 引言

新能源資源的逐步開(kāi)發(fā)，風(fēng)能開(kāi)發(fā)的主要對(duì)象開(kāi)始趨向于二、三類風(fēng)能資源。在一類風(fēng)能資源區(qū)域內(nèi)，不僅需要整機(jī)廠商給地區(qū)發(fā)風(fēng)電提供塔架，還需要提供較長(zhǎng)的葉片。隨著塔筒高度的逐漸提升，現(xiàn)階段塔筒的高度在50 ～ 120 m 是比較常見(jiàn)的，因?yàn)樗沧陨硇枰袚?dān)一定的重力，在風(fēng)力的推動(dòng)下葉輪會(huì)出現(xiàn)扭曲，在多負(fù)荷的壓力下，很容易受到氣象環(huán)境和地區(qū)地質(zhì)的影響，在不斷的擺動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)鋼體變形現(xiàn)象。且較大幅度的擺動(dòng)也會(huì)較大程度的降低塔筒的壽命，使得搭架出現(xiàn)傾斜的現(xiàn)象，出現(xiàn)安全隱患，在這樣的情況下，對(duì)塔筒健康情況的檢測(cè)尤為重要。而在線監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠持續(xù)的對(duì)塔筒和塔架進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)一系列的方案從原理角度監(jiān)測(cè)塔體的健康情況，但是目前的檢測(cè)技術(shù)并不能滿足對(duì)塔體的精準(zhǔn)檢測(cè)，主要表現(xiàn)為：

（1）精度無(wú)法保障風(fēng)險(xiǎn)及塔筒傾斜測(cè)量的毫米精度要求。

（2）在大量的GPS 方案設(shè)定過(guò)程中會(huì)增加成本，使得工期延后。目前GPS 檢測(cè)系統(tǒng)需要安裝在塔體的外部，通過(guò)傾斜傳感器對(duì)位置進(jìn)行測(cè)量，但是這種技術(shù)不能全面地考慮到塔體的變形特征，只能是在單一傾斜角度和變形假設(shè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上計(jì)算出位置移動(dòng)的距離。

（3）通過(guò)家屬傳感器確定位置的過(guò)程中，運(yùn)算可能受到干擾從而降低精度。

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(cè)的系統(tǒng)和方法還有待進(jìn)一步研究。

1 風(fēng)電機(jī)組塔筒概述

塔筒是風(fēng)電機(jī)組的構(gòu)成組織之一，其在整個(gè)風(fēng)電機(jī)組中承擔(dān)著銜接機(jī)艙和地面的作用，水平軸葉輪的高度需要塔筒搭建，因此，塔筒不僅要承受風(fēng)速對(duì)其的所用力，還要有一定的承載能力。塔筒的首要所用就是讓軸葉輪保持在穩(wěn)定的風(fēng)俗，使得其保持在最佳的風(fēng)能位置。另外，塔筒也能夠滿足葉輪和機(jī)艙的需求，為其提供固定的作用，同時(shí)塔筒也是工人維修的平臺(tái)?，F(xiàn)階段我國(guó)比較常見(jiàn)的塔筒主要為以下三種形式，分別是錐筒式、析架式、混凝土式等。錐筒式塔筒大多被應(yīng)用于大型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，錐筒式塔筒的結(jié)構(gòu)通常為變截面薄壁。因?yàn)楸容^高，為了便于吊裝，提升生產(chǎn)效率，廠商通常會(huì)將塔體分開(kāi)幾段，高度在20 ～30 m 不等，分開(kāi)生產(chǎn)，而后利用法蘭把各個(gè)段落的塔筒銜接起來(lái)。塔底從下至上變小，整體上為圓臺(tái)狀，所以也有人把錐筒式塔筒稱之為圓臺(tái)式塔筒。這個(gè)種類的塔筒優(yōu)勢(shì)在于有較高的安全性，維修時(shí)相對(duì)方便。我國(guó)風(fēng)里發(fā)電機(jī)組分布在東北和西北、華北，這三個(gè)地區(qū)是風(fēng)能比較豐盈的地域，大概風(fēng)功率的密度在200 ～ 300 W/m2之上，大型的風(fēng)電機(jī)能夠達(dá)到500 W/m2以上，可以利用和開(kāi)發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)備量大概在2億kW，是我國(guó)全部?jī)?chǔ)存量的80%。這3個(gè)地區(qū)有顯著的特點(diǎn)就是地形相對(duì)平坦，且交通十分便利，較少有破壞性的風(fēng)速，是我國(guó)目前連片的風(fēng)能資源區(qū)域，也是較大規(guī)模開(kāi)發(fā)風(fēng)能的磁場(chǎng)。通常情況下，風(fēng)里發(fā)電機(jī)組的使用時(shí)間周期在20年左右，國(guó)內(nèi)外目前已經(jīng)開(kāi)始大量的生產(chǎn)和投入風(fēng)能機(jī)組，主要有1.0 MW，1.5 MW，2.0 MW，2.5 MW 等發(fā)電容量規(guī)格，在我國(guó)大陸上，高度不同風(fēng)速也有所不同，高度越高風(fēng)速越大。因此，一個(gè)大陸上的風(fēng)里發(fā)電機(jī)組的發(fā)電容量越大其對(duì)塔筒高度的需求越大，相對(duì)的，塔筒的筒壁厚度增加，直徑增加。常見(jiàn)的路上大點(diǎn)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為平板、樁式、析架式，其中平板塊式使用比較廣泛。

2 塔筒在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的必要性

在風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行設(shè)備管理的過(guò)程中，風(fēng)電基礎(chǔ)安全性是設(shè)備管理人員必須要考慮到的問(wèn)題，因?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組大多在野外，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組外觀及設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與檢查，尤其是對(duì)于地質(zhì)相對(duì)隱患的區(qū)域，如礦山和地震等自然災(zāi)害無(wú)法到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行事前監(jiān)測(cè)。在這樣的情況下，風(fēng)電機(jī)組的主要設(shè)備大多在十幾米的塔架上方運(yùn)行，風(fēng)速和重力的作用下一輪扭力幅度增加，導(dǎo)致風(fēng)電塔臺(tái)風(fēng)電塔筒的螺絲和焊縫承載力加重，若是在極端風(fēng)速的影響下，極有可能導(dǎo)致停定，這種隱患已經(jīng)成為風(fēng)電行業(yè)期待引起重視的問(wèn)題。面對(duì)安全問(wèn)題，提高設(shè)備的利用效率是保障功率和系數(shù)一致性的條件。

單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的造價(jià)較高，大多情況下少則百萬(wàn)多則千萬(wàn)，甚至有一些海上的風(fēng)電機(jī)，綜合造價(jià)超過(guò)了億元，面對(duì)以上的種種情況，在高額的投資風(fēng)險(xiǎn)，安全和管理已經(jīng)成為風(fēng)電場(chǎng)必須重視的問(wèn)題。尤其是塔架和風(fēng)機(jī)這兩個(gè)安全隱患，若是塔筒的安全性有所降低，勢(shì)必會(huì)影響整個(gè)風(fēng)電機(jī)使用壽命。而風(fēng)電機(jī)組目前采取的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)，雖然已經(jīng)有多年的經(jīng)驗(yàn)，但是在運(yùn)行環(huán)境惡劣的情況下以及設(shè)備健康狀態(tài)不佳的情況下，體檢測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)有所偏差，詳情如下：

2.1 可進(jìn)行針對(duì)性排查監(jiān)測(cè)

風(fēng)電機(jī)組通常在山地戈壁和沙漠等野外環(huán)境中，要承受風(fēng)吹日曬和延誤等，這會(huì)加速風(fēng)電機(jī)組的腐蝕，使得因此風(fēng)電機(jī)組防腐方面需要風(fēng)電場(chǎng)的管理人員格外重視。風(fēng)電機(jī)廠管理人員尤其重視防腐問(wèn)題，日前，我國(guó)對(duì)風(fēng)電塔底部的防腐設(shè)計(jì)尚未達(dá)到世界標(biāo)準(zhǔn)，大部分塔底的防腐都有縫隙，因?yàn)楹芏喾姍C(jī)組所處的環(huán)境晝夜溫差較大，負(fù)荷變化比較快，風(fēng)電機(jī)組分散性不同，地質(zhì)環(huán)境也不相同，基于上述種種原因，想要在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基風(fēng)電機(jī)組的損壞程度必須根據(jù)每個(gè)風(fēng)電機(jī)組的地理環(huán)境和氣候不同，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)重排列組合。

2.2 提高塔筒壽命

風(fēng)電機(jī)組塔筒的檢測(cè)，在線檢測(cè)技術(shù)存在薄弱環(huán)節(jié)，主要體現(xiàn)在風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)時(shí)間周期為20年左右。在這期間內(nèi)，每一個(gè)塔架的螺栓幾乎都要被用力手拉約40 次，這使得螺栓在設(shè)計(jì)之初就要考慮到其疲勞期的出現(xiàn)。因此，在實(shí)際的塔筒運(yùn)行下，塔架螺栓和焊縫必須能夠有一定的承受，和有一定的剪切力，并且將其可能出現(xiàn)的疲勞期進(jìn)行預(yù)算，將這些數(shù)據(jù)融合到在線檢測(cè)技術(shù)中，才能有效提高風(fēng)電機(jī)組的用壽命。

2.3 提升塔筒健康質(zhì)量

風(fēng)電機(jī)組截止到2021年，我國(guó)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)口材數(shù)約為9000 臺(tái)，占全部風(fēng)電機(jī)組的20%，國(guó)產(chǎn)的風(fēng)電技術(shù)比例逐年遞增，設(shè)備質(zhì)量也開(kāi)始提升。但是，在世界標(biāo)準(zhǔn)但是仍舊不在世界風(fēng)電機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)下，產(chǎn)能過(guò)剩導(dǎo)致設(shè)備質(zhì)量降低，相對(duì)于國(guó)外進(jìn)口的風(fēng)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，我國(guó)的設(shè)備質(zhì)量仍舊不是很高，且技術(shù)壁壘嚴(yán)重滯后于國(guó)外，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行健康情況堪憂。

3 實(shí)際案例分析

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毅”變化過(guò)程，全程檢測(cè)出了停機(jī)過(guò)程中塔筒的擺動(dòng)情況，說(shuō)明風(fēng)電機(jī)組在收到停機(jī)指令后是擺動(dòng)最嚴(yán)重的情況，當(dāng)在塔高52 m、風(fēng)速11.2 m/s時(shí)停機(jī)，系統(tǒng)捕捉到的塔筒頂部最大擺動(dòng)值為徑向1.19 m。

圖1 所示的風(fēng)電塔筒運(yùn)行能力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)處理單元和服務(wù)器組成。傳感器部分包含用于測(cè)量風(fēng)電塔筒內(nèi)坡度、偏轉(zhuǎn)角和振動(dòng)測(cè)量的振動(dòng)傳感器，設(shè)計(jì)用于將風(fēng)電塔筒內(nèi)原始物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集過(guò)程可識(shí)別的模擬信號(hào)。信號(hào)處理程序設(shè)計(jì)用于放大、濾波、隔離傳感器輸出的模擬信號(hào)，去除未使用和冗余的干擾信號(hào)。數(shù)據(jù)采集設(shè)備用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（A/D 轉(zhuǎn)換）和將計(jì)算機(jī)編輯的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)（A/D 轉(zhuǎn)換）。對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸，選擇電纜傳輸，主要使用備用光纖通道設(shè)備捕獲風(fēng)扇外殼中包含的遠(yuǎn)程連接數(shù)據(jù)。

圖1 筒狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本過(guò)程是：首先通過(guò)柱內(nèi)傾斜傳感器和振動(dòng)傳感器采集相關(guān)數(shù)據(jù)；其次通過(guò)光纜、遙控放大、濾波等方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺臻g數(shù)據(jù)采集裝置；最后，通過(guò)數(shù)據(jù)采集裝置模塊，轉(zhuǎn)換為有效范圍外參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)。

4 技術(shù)價(jià)值及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用收獲

4.1 系統(tǒng)構(gòu)成及靈敏度

塔筒試試檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)︼L(fēng)電記住的塔筒底部進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的范圍在塔筒底部的沉降量和塔架頂部，這種自動(dòng)檢測(cè)儀器可以保障塔筒的基礎(chǔ)沉降得到有效的觀察，掌握塔架的震動(dòng)幅度。

塔筒形態(tài)的在線監(jiān)控系統(tǒng)主要由上傳感器、下傳感器、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和處理器四部分以及輸入輸出連接器組成。該系統(tǒng)收集柱的振動(dòng)和坡度數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)發(fā)到安裝在柱底的加工單元中，處置單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析。為了提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，現(xiàn)場(chǎng)工作人員可以在對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行定期檢查的同時(shí)復(fù)制數(shù)據(jù)，使用數(shù)據(jù)專家診斷系統(tǒng)來(lái)分析掃描速度。

塔基傳感器在強(qiáng)外部振動(dòng)下采集的波形變化發(fā)生在現(xiàn)場(chǎng)采集的風(fēng)扇附近的重型充電器上，用實(shí)際采集的波形對(duì)傳感器的靈敏度進(jìn)行驗(yàn)證，在地震、泥石流等重大地質(zhì)災(zāi)害中提供主動(dòng)預(yù)防。

4.2 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(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)塔筒的傾斜度和塔基有角度的沉降量，通過(guò)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)條件下塔架的穩(wěn)態(tài)變形，即傾斜度。

（1）通過(guò)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(guò)分析傳感器實(shí)測(cè)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(guò)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(guò)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。在風(fēng)力機(jī)塔筒設(shè)計(jì)中，主要應(yīng)用速度傳感器和加速度計(jì)采集振動(dòng)信號(hào)。速度傳感器安裝相對(duì)簡(jiǎn)單，但體積大、質(zhì)量高、低頻范圍差，頻率范圍10～1000 Hz，測(cè)量頻率低于10 Hz 時(shí)的振幅和相位誤差需要平衡。加速度傳感器體積小且容易出錯(cuò)，特別具有良好的低頻性能.在這種情況下，加速度傳感器用于捕獲柱的振動(dòng)信號(hào)。加速度傳感器是測(cè)量加速度的傳感器。它通常由質(zhì)量塊、阻尼器、柔性部件、敏感部件和自適應(yīng)回路等部件組成。本傳感器利用牛頓第二加速度定律，通過(guò)測(cè)量質(zhì)量塊作用的慣性力來(lái)確定加速度值。常用的加速度傳感器包括電壓、電容、電感、電阻、電阻和力平衡。FBA 力平衡加速度傳感器具有靈敏度高、頻率低、功耗低、固有頻率低等特點(diǎn)，滿足信號(hào)采集要求。它非?？煽?，可以在困難的條件下以低成本運(yùn)行。

FBA 力平衡加速度傳感器的敏感部件是一個(gè)可變電容器，它固定在彈簧控制的質(zhì)量塊上，當(dāng)被測(cè)物體移動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致板與電容器位置的相對(duì)位移，如圖2所示。

圖2 力平衡加速度傳感器原理圖

用KA 放大器將偏移信號(hào)放大到C，平行反饋回路C，防止質(zhì)量的相對(duì)位移，因?yàn)榛亓魍ㄟ^(guò)電阻R 和P。并且R 值及其關(guān)系決定了放大器的反饋深度。這導(dǎo)致系統(tǒng)剛度的變化和系統(tǒng)固有頻率的增加（高達(dá)50 Hz）。電阻矩R 和電容C。控制器的阻尼系數(shù)通常設(shè)置為阻尼電阻70701，加速度由數(shù)據(jù)輸出增益決定。由于風(fēng)扇底座小，采樣速度設(shè)置為16 Hz，使峰值振動(dòng)水平保持不變，并準(zhǔn)確識(shí)別柱正面固有振動(dòng)頻率的第一級(jí)。

（4）通過(guò)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(guò)度疲勞提供依據(jù)。

（5）通過(guò)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)。

（6）在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)風(fēng)電機(jī)組塔筒進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，可以控制風(fēng)電機(jī)組塔筒在不同風(fēng)速和負(fù)載下的振動(dòng)，特別是緊急停機(jī)時(shí)塔振動(dòng)的最大幅度。振動(dòng)試驗(yàn)可以保證風(fēng)力機(jī)在安全的允許值內(nèi)進(jìn)行，實(shí)際最大振動(dòng)取決于最大擺動(dòng)服務(wù)。定值是按照機(jī)器所能承受的最大擺動(dòng)幅度設(shè)定，這取決于組織的基礎(chǔ)、圓柱形螺釘、焊縫等元素，這對(duì)增加風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行時(shí)間很重要。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐階段

設(shè)計(jì)針對(duì)塔筒形態(tài)在線監(jiān)測(cè)的自動(dòng)裝置，利用實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)現(xiàn)傳感器的靈敏度，以期將傳感器的安裝位置加以改變，重新設(shè)計(jì)安裝工藝，了解到在塔頂和塔基中各自安裝傳感器，是相對(duì)合理且成本較低的方案，這樣不僅可以使得塔頂?shù)臄[動(dòng)瞬時(shí)值，還能夠獲得基礎(chǔ)環(huán)法蘭相關(guān)數(shù)據(jù)，保障了塔頂擺動(dòng)度和塔基有角度沉降的在線監(jiān)測(cè)。

按照設(shè)備的使用情況，對(duì)已有的數(shù)據(jù)傳輸路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先，通過(guò)之前的風(fēng)電機(jī)組間的光纖通道，控制數(shù)據(jù)傳輸，使得其傳輸?shù)街骺刂剖?，這樣的設(shè)計(jì)需要在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行熔接光纖，施工的時(shí)間相對(duì)漫長(zhǎng)。其次，通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺刂剖?，但是在?shí)現(xiàn)過(guò)程中能夠了解到這一設(shè)計(jì)會(huì)使得塔架內(nèi)裝設(shè)無(wú)線發(fā)射系統(tǒng)傳輸結(jié)果失真，造成這種現(xiàn)象的主要原因是金屬屏蔽和風(fēng)電場(chǎng)電磁干擾。面對(duì)上述問(wèn)題，我們?cè)噲D通過(guò)就地存儲(chǔ)、硬件關(guān)聯(lián)報(bào)警的處理思路將上述難題解決。一旦發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)報(bào)“安全鏈打開(kāi)”類似的嚴(yán)重故障停機(jī)后，到現(xiàn)場(chǎng)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(cè)系統(tǒng)的波形拷貝完畢后可以通過(guò)手動(dòng)復(fù)位，風(fēng)機(jī)安全鏈恢復(fù)正常。

5 結(jié)語(yǔ)

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(wàn)的風(fēng)電機(jī)組設(shè)備，推行塔筒在線監(jiān)測(cè)技術(shù)與自動(dòng)火災(zāi)監(jiān)測(cè)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(cè)技術(shù)。