风机基础沉降监测系统应用研究

纪琨，余荣祖，毛璐明，韩彦宝

（1.北京木联能软件技术有限公司，西安 710065；2.陕西省电力公司规划评审中心，陕西西安 710065）

近年来，风电产业持续快速发展。“十一五”期间风电装机容量连续5年翻番，我国成为全球的风电装机规模第一大国。同时，风电企业、风电设备制造企业迅速成长，配套电网建设逐步加强，风电场整体运行态势良好。但风电场安全运行管理工作仍是重中之重。在风电场运营过程中，风机基础沉降状况直接关系到风机运行过程中的安全性。地层不均匀、设计方案不合理、施工工艺不当等因素都会造成建筑物产生不均匀沉降或沉降过大[1]。本文提出的风机基础沉降监测系统，结合了微电子机械式测斜仪对风电机组基础沉降进行实时监测，出现异常情况后，发出报警信号并启动加密监测程序，为风电场管理人员处理影响风电机组正常运行的危险信息提供足够的时间，从而能够有效提高风电机组发电量，同时提高了风电场年发电量和办公信息自动化水平，加强了风电场安全运行管理水平。

1 风机基础沉降监测系统分析

风机对基础不均匀沉降有较强的敏感性，风机基础沉降监测系统的开发，能及时反馈风机本身因基础不均匀沉降而产生的偏移情况，有效预防了出现不均匀沉降对风电机组安全生产运行造成的危害。同时，避免因不均匀沉降原因造成风机主体结构的破坏或产生影响风机正常运行而造成的巨大经济损失，从而保证风机的正常使用和安全性，并为以后的勘察设计施工提供可靠的资料及相应的不均匀沉降信息。

1.1 系统设计及工作原理

CFD风力发电工程——塔筒基础沉降安全监测系统是一个集数据采集与处理、信息存储与输出、状态报警功能为一体的多任务处理系统，可同时打开多个模块，后台定时采集数据，定时计算数据结果。系统充分利用传感器检测，信号处理，计算机技术，数据通讯技术和风机的有关技术，对风机运行过程中进行实时监控及沉降故障报警。它由上位机监控系统软件、采集设备、传感器等组成。系统具有测点、仪器、公式管理，实时采集及手动采集数据、成果计算、过程线、布置图、报警显示查询、报警阀值设定、用户管理、日志查询、在线联机帮助等丰富功能。由监测软件发出数据采集信号，信号通过串口服务器到达数据采集器，然后，数据采集模块将从传感器收集到的监测参数，通过串口服务器TCP/IP协议及光缆远程传输到上位机监测系统软件中，进行数据处理。系统设计思路如图1所示。

图1 系统设计思路Fig.1 System design ideas

整个系统主要由下位机和上位机2部分组成，下位机包括测试记录仪、微电子机械式测斜仪，主要实现数据采集功能，是针对监测对象的相关数据采集、传输功能。上位机包括数据库、系统软件，实现风机沉降监测的功能，包括各个风机监测值的实时显示、数据计算和沉降报警、数据查询等模块。整个系统软件采用delphi7.0开发，数据库系统基于SQL Server 2005express。CFD风力发电工程——塔筒基础沉降安全监测系统工作原理如下：测试记录仪、微电子机械式测斜仪安装在风机塔筒内部的砼水平地面上，完成监测数据的采集功能；数据信号通过TCP/IP协议及通信光缆远程传输给上位机，在上位机系统软件中完成数据计算及报警诊断等功能。

1）CFD风力发电工程——塔筒基础沉降安全监测系统下位机。

主要采用的是SC1230B数据采集模块和微电子机械式测斜仪。微电子机械式测斜仪基本原理：结构物产生的倾斜变形，通过安装支架传递给倾斜传感器。传感器内装有电解液和导电触点，当传感器发生倾斜变化时，电解液的液面始终处于水平，但液面相对触点的部位发生了改变，也同时引起了输出电量的改变。倾斜仪随结构物的倾斜变形量与输出的电量呈对应关系，以此可得出被测结构物的倾斜角度，同时它的测量值可显示出以零点为基准值的倾斜角变化的正负方向。每个监测系统下位机构成见图2。

图2 下位机集成系统构成示意图Fig.2 Schematic diagram of lower PC integrated system

2）CFD风力发电工程——塔筒基础沉降安全监测系统上位机。

系统监测软件实现数据的实时存储，沉降数据诊断、实时监视等功能。上位机软件系统设置示意图，如图3所示。客户端端软件系统主要由数据库、监测参数获取、沉降数据查询计算及响应程序组成。客户端软件主要负责客户端请求及响应、沉降数据查询计算及报警诊断等功能。

图3 上位机软件系统设置示意图Fig.3 Schematic diagram of upper PC software system settings

1.2 数据采集、报警等

CFD风力发电工程——塔筒基础沉降安全监测系统采用的应答模式为：上位机通过modbus协议控制SC1230B采集模块，采集到的数据又返回给上位机。数据采集系统主要实现监测沉降数据的拾取以及监测条件参数（采样通道选择、采样频率设定等）的控制。由数据采集模块采集将电压信号送入串口服务器，交由软件做后续处理。

2 风机基础沉降监测系统应用

将CFD风力发电工程——塔筒基础沉降安全监测系统应用到国内某风电场建设项目中，该项目安装了1 500 kW风力发电机组若干台，风电场场址区域风能资源丰富，地质构造稳定，但由于附近采矿活动频繁，因此为保证风电场安全运营，每台风电机组均安装了该监测系统。系统的下位机安装在各个风电机组塔筒内部，如图4为风机塔筒内部安装图。系统的上位机客户端软件需要安装在业主单位的计算机上。系统安装调试好以后，即可进行风机基础的不均匀沉降监测。

图4 风机塔筒内部安装图Fig.4 Installation diagram of the internal fan tower tube

2.1 沉降监测系统理论基础

风机基础产生沉降主要体现在基础浇筑、回填及风机吊装等方面。一般来说，在不同阶段风机基础的均匀沉降幅度大于不均匀沉降幅度，见图5均匀沉降与不均匀沉降对比示意图[1]。

但是，随着时间的推移，风机基础的均匀沉降和不均匀沉降量都有所增加，见图6均匀沉降与不均匀沉降随时间变化示意图。

均匀性沉降在风机安装使用过程中变化幅度稳定；不均匀性沉降在风机基础回填及风机吊装完成当天均产生较高的沉降量，且在使用过程中不均匀沉降量不断增加。而风机本身属于高耸建筑物（一般1 500 kW容量的风机，风机轮毂高度在60 m以上），轻微的地基不均匀沉降，会使风机产生较大的水平偏差。同时在机舱、叶片等荷载作用下，风机产生较大的偏心弯矩，又使在水平方向上已经产生偏差的风机更加倾斜，给风机运行带来了较大的安全隐患[2]。

因此，CFD风力发电工程——塔筒基础沉降安全监测系统主要针对风机基础不均匀沉降情况进行监测。当风机基础产生轻微的不均匀沉降时，风机塔筒连同风机基础沿水平面产生倾斜，导致塔筒内部安装的传感器内电解液水平面产生变化，采集器收集到由这种变化引起的电压波动信号通过串口服务器上传到客户端软件中。通过给定的公式计算出不均匀沉降引起的角度偏移，根据规定的角度偏移范围判定风机塔筒的安全性。

图5 均匀沉降与不均匀沉降对比示意图Fig.5 Comparison of even and uneven settlements

图6 均匀沉降与不均匀沉降随时间变化示意图Fig.6 Diagram of changes of even and uneven settlements with time

2.2 系统报警功能应用

本文提出的风机基础沉降监测系统对风电机组进行实时监测，出现异常情况后，发出报警信号并启动加密监测程序，主要体现在系统菜单中的系统参数功能：当所测数据计算结果超出了风机设计偏移角度范围时，系统进行报警处理，在布置图上的各个风机标识自动闪烁，并可以在系统参数设置界面上，启动加密观测程序。见图7风机布置效果示意图。

2.3 系统应用步骤

CFD风力发电工程——塔筒基础沉降安全监测系统在实际风电场风机基础沉降监测中的应用步骤如下：

1）系统上位机和下位机的安装调试。

2）客户端软件系统基础参数配置。

3）设定采集任务，选择采集方式。

4）监测数据计算结果查看，过程图查看。

5）报警后数据处理，布置图报警信号查看。

该系统实时在线对风机基础沉降情况进行监测，配合风电场安全管理人员随时调用查看风机基础沉降情况，充分提高了工作效率，有效防止风电场运行过程中危险事故的发生。

3 结语

CFD风力发电工程——塔筒基础沉降安全监测系统的广泛应用对风电场安全运行管理具有重大意义。本文介绍了风机基础沉降监测系统从开发到应用的主要内容。该系统实现了风电场安全运行的信息化管理要求，在实际项目应用中能够充分考虑到风电场安全管理人员的主观需求，增加了监测系统使用的灵活性。根据系统在实际项目中得应用情况，提出如下2点建议：

1）针对数据采集器里面储存的历史数据，实现在系统软件中调用、查看、计算比对功能。

2）优化系统数据后台管理功能，便于风电场安全管理人员对监测结果查看、调用等工作。

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