风电塔筒异常振动优化方案研究

中国电能成套设备有限公司 汪晗宇

我国作为一个能源生产与能源消费的大国，传统不可再生能源的开采已接近瓶颈期，过度开采会引发环境一系列问题的发生，可再生资源的开发是解决能源需求紧张的重要办法，在新世纪以来颁布《可再生能源开发法》并在全国人民代表大会多次重申实施可再生能源的开发等。风力发电作为我国比较成熟与开发潜力大的能源项目一直备受关注，在本世纪初对全国各地风力资源的开发居世界前列。

近年来，随着自然灾害的频繁发生风电行业发生了许多严重事故。日本北海道6座电力发动塔在经历台风后异常振动导致整体受损，运行速率变慢，其中一座风力发电塔发生倒塌，经现场检查发现由于风电塔的塔筒在经历恶劣天气之后负荷过大，发出异常振动导致风电塔损坏。风电塔筒作为支撑整个风力发电塔的结构，一旦发生问题会传递到整个风电塔的各个部位，导致风机、电转扇出现超负荷运行，从而引起事故发生。

1 传统风力发电塔筒振动检测方式与设备

风电塔筒是连接风力发电的杆杠，通过数码操控的程序切割机进行切割，在材料上形成开坡口，结合电焊，定位处理后由内外部进行缝合操作，经过圆度督测后就可喷漆投入使用。风力发电塔的底部舱座一般位于塔筒上部，并在顶部的连接过程中与轮毂相互联系，将其定位在风电塔的叶片之上，此时风力发电塔的全部重心、包括运行过程中的能源动力拟载荷的重心也会全部集中于风电塔筒之上，由此可看出塔筒是整个风力发电塔的保障，是能否安全运行的关键点。通常对风力发电塔塔筒异常振动的检测是通过对振动所观测到的观测值是否超过国际标准的固定值为主进行检测，此外在风电塔筒的内部施加应力传感装置，通过风电塔在运行过程中的负荷力与重心力进行标准检测，以此来保证风电塔筒是否尚在安全范围内运行[1]。

在风力发电塔筒内部设立多个塔筒振动检测器，通过连接塔筒振动的电源开关，在塔筒底部设置动力振动传感设备，将检测的数据信息传递到振动预估板块进行分析查验，推测出相关数据是否符合标准数值，用于预估的方法是通过设置外加的加权值和总体加权公式进行计算处理，以便能在最短时间内获得风电塔筒振动的数据信息、状态好坏等，除上述设备外，还会在传感器的内部添加标准振动值，最大程度上加快了异常振动的发现速率，并及时启动异常振动保障计划。

在风力发电塔筒建造振动信号源，通过风电塔在工作时的加速度进行信息采集，从而分析出相关风电塔筒的振动频率，结合振动信号大小程度对风力发电塔进行组合状的低频率振动检测；此外在风电塔筒内设置能检测异常振动的分析仪器，包括过滤波纹的振动仪器及检测波纹的振动仪器，通过对波纹的过滤与筛选，从而能获得风电塔筒的相关振动信息，并连接总控制室内部的PLC控制系统对风电塔筒的信号振动源进行相应的电源处理，在经过比较振动源的数据信息与监测站点的标准阈值后，从而得出正确的结论，进一笔保障风电塔筒的正常运行[2]。

在风力发电塔筒的内部公开进行预警机制的建设，其中包括多方向加速率传感装置、实时协调异常振动信号系统、实时收纳振动信息模型设计系统、实时模型分析系统、内外部传感器装置、内外部实时信号传递装置、实时振动信息分析装置、实时应急阈值比较装置与振动信息资源输出装置等。此外还采用与上述类似的预警督查系统，即通过对内部预警机制的振动信息与标准预警阈值进行比较分析得出是否启动应急预警机制，以便维护风力发电塔的安全运行。

结合上述三种有关风力发电塔筒振动的监测预警机制不难发现，传统风力发电塔筒的异常振动检测一般是通过对风电塔筒的振动频率、大小是否高于风电塔筒内部的振动阈值来实现预警机制的启动，此外是施加动力传感设备或利用振动符合力度是否超标进行检测风电塔筒是否处于安全运行的范围内。

传统监测预警机制从理论来说并没有太大的问题，都是通过检测观察风电塔筒的振动信息与风电塔筒的振动频率阈值进行比较分析，从而的出风电塔筒是否处于安全运行的范围内，但却没有和实际相互结合，在实际风电塔筒工作运转时，由于实际场地的风频、风力流速、流向、当地地形地质特点及传统传感器在恶劣天气下能否实现正确信息的采集分析、传感器是否能适应恶劣环境等问题，是否会引起风电塔筒的异常振动，是传统风电塔筒振动检测的尚待解决难题[3]。

2 风电塔筒异常振动优化方案

风力发电塔异常振动的现状经常发生，对风电塔筒进行振动频率分析是解决风力发电塔发生重大变化最为有效的方法。

2.1 塔筒韧性优化

风电塔筒的优化设计是为了能在市场上获得更大利益，提高产品的竞争力，同时也能避免出现异常振动的现象发生：通过对风电塔筒的材料进行优化降低塔筒重量，即通过对风电塔筒的整体大小进行削减，在维持原有强度基础上通过对塔筒内部尺寸与替代材料进行优化，即可承受范围内的应力值σ≤［σ］，材料损耗损伤因子D≤1、D＜0.5(焊接形成)，在一定程度上实现降量增优构想的实现；对风电塔筒的制作工艺进行改善。例如，对振动检测装置的表面打磨更加光滑，即从表面的光滑程度由3μm提高到9μm，避免出现由于表面褶皱出现振动数据偏差情况的出现，在一定程度上降低塑造成本，将原有熔锻形成的塔筒转变为铸造模型，以便投入市场更多的风电塔筒产品。此外还应当结合塔筒结构的稳固性，即满足稳固因子D＜1、D＜0.5(焊缝位置)。

2.2 技术检测优化

在传统风电塔筒检测预警机制的基础上，针对风力发电塔内部的运行数据进行综合统计，根据所有实际风电塔的风速振动进行参数估计分析，通过得出的数据信息描绘出同一时间段所有风电塔筒的振动曲线图，并在其中找出发生异常振动的风电塔筒组合。此外，还需把振动异常的塔筒与振动正常的风电塔筒组合形成的风速振动标准表进行对比，结合当天的风速状况整合分析，找出其中存在的差异性，以达到实现逐日风电塔筒异常振动的检测。技术检测优化的方案如下：

选取实验场地进三个月、半年乃至一年的风电塔筒振动运行的数据信息，将风速等级进行划分为风速五分钟均值、塔筒振动五分钟有效均值、风速十分钟均值、塔筒振动十分钟有效均值等，其中塔筒振动的有效均值是指风电塔筒瞬间振动数值在维系一个风电塔筒运行振动循环的均方根；将由上述统计拟合得出的结果作用于所有风电塔筒组合，将风速等级五分钟、十分钟进行有效振动指数的参数拟合，形成各自风力发电塔筒的风速-振动表；得出风速-振动表后结合箱型曲线图表对异常振动的数据信息进行分析求算，得到所有风电塔筒的振动数值，随后与风电塔筒的振动阈值进行分析比较，大于阈值为异常振动的风电塔筒，小于或等于阈值则为正常振动，以完成对风电塔筒的异常组合检测。

将上述阈值超标的风电塔筒组合进行选取，将其融入正常振动的风电塔筒，即将所有风电塔筒组合的风速-振动表进行相加、在除以所选取的风电塔筒总和数量，得到平均风电塔筒的风速-振动数据表格；风力发电塔筒进行工作时，选取时间段对风速达到五分钟、十分钟均值的风电塔筒进行单独排查，发现出现超过风电塔筒平均风速-振动阈值的风电塔筒时，进行异常振动方案处理并及时发出预警报告。

2.3 定期检修安装

定期维护与检修能对塔筒内部发生的零件损坏、软件故障等问题进行及时解决，减少出现风电塔筒结构疲软，松化现象的出现。此外，在风电塔筒内部安装被动减振装置能大幅提高由于过度风力振动引起零件撞击现象。首先根据风电塔筒风叶片的转速情况分析，着重在塔筒的上端建立阻尼器来减少风电塔筒过度旋转造成的叶片离位现象的发生，进一步协调了风电塔筒叶片的质量优化；安装的阻尼器不能是传统依靠爬梯、电闸等方式进行操作的设备，应根据变频阻尼器达到对风电塔筒内部气压环境的分析处理，利用颗粒之间的微弱摩擦力来实现风电塔筒的耐用性与实用性，并能掌控风电塔筒内部的温度调节等，是未来风力发电塔筒发展的可靠前景。

3 结语

综上，可再生能源是国家未来发展的坚实基础，风力发电则是其中开放潜力最大、危害最小的能源，目前我国在风力发电领域已取得重大成功，但不能因此就对风力发电站的设计研究停滞不前。风力发电塔筒作为支撑整体风力发电塔的关键杆杠，更能为风电塔的安全性能进行预警提示，强化对风电塔筒的研发设计应当继续钻研。现今风力发电塔筒的异常振动现象屡有发生，从优化韧性、优化检测技术与定期检测维修等方面全面提高风电塔筒的性能不失为一个良好的优化方案，为后续推动风力发电的全面应用提供深入借鉴的经验。