复合传感器在风电机组塔筒晃动远程在线监测预警系统中的应用

张玉辉

（河北大唐国际新能源有限公司，河北 承德 067000）

0 引言

风力塔筒给风轮，机舱以及叶片提供满足要求的，可靠的稳定支撑力，提供安装，检修等工作平台。风电机组基础和塔筒不仅需要承受自身重力、风推力、叶轮扭力及复杂多变负荷的影响。国产风电机组占有比例将越来越大，设备质量良莠不齐。且目前为了获取优势风资源，塔筒的高度不断增加，因而基础更容易倾斜，塔筒挠曲变形更大。在实际的运行工况下风机必须适应在各种风速下运行，塔架螺栓和焊缝受各方向的剪切力，极有可能造成焊缝的应力集中或螺栓的过度疲劳，致使风机使用寿命降低。尤其少人值守的风电场，无法在第一时间通知管理人员调度检修人员在最短时间内修复风机设备。所以风力发电机塔筒振动监测是风电机安全监测的必不可少的部分。风电机组塔筒监测的方案很多：如激光测距技术、GPS测量技术、倾角测量技术等。激光测距和GPS存在成本、精度和安装问题。现有的倾角监测方案大都采用倾角传感器，进行塔筒和基础倾角的趋势和单一数值的监测，由于受传感器动态性能不佳的影响，只能算是静态测量技术。另一方面风电机组的塔筒受风力和重力影响呈现不规则晃动，使用静态测量技术去测量动态的塔筒，误差极大，不能很好的展示风电机组的实际工况，更加不能对塔筒动态性能进行全面分析和评价。

1 系统原理

风电机组其支撑结构包括塔筒和基础两个部分。基础是整个风电机组的承重固定部件，由此可将机组的基础看作为梁的固定端，塔筒当作梁的自由端，即机组塔筒成悬臂梁结构。塔筒由于受自身、机舱、叶片重力 G1和外力，会出现复杂挠曲变形。现有倾角监侧技术方案中，通过挠曲线方程获得塔筒任意高度截面X轴延Y轴的饶度厂（位移）和转角θ（倾角），来评估塔筒的工作状态，根据挠曲线方程可获得塔筒部位端面相对Z轴（塔筒初始垂直中心线）的饶度和转角：

式中：M—弯矩；El—塔筒杭弯刚度；而M（x）=-p（h-x）；p—作用在塔筒上的外力[2]；l—塔筒高度。由此可知，弯矩M与外力p及梁跨度（塔筒高度）有直接的关系。为了防止运行时塔筒与叶轮或其他部件发生的振动产生共振，计算出塔筒的固有频率和振型，是塔筒结构参数优化的参考依据[3]，也可以为振动信号采集设备的选择提供依据。机组在吊装完成后，由于机舱、叶片的重心与塔筒的中心线不重合，机组受自身重力G影响偏向轮毅侧，机舱和叶片的重力使塔筒受到一个固定的弯矩，塔筒会向叶片方向发生弯曲倾斜。在机组偏航时，通过监测动态倾角，就可获得不同偏航位置时塔筒相应高度端面静态倾斜数据，将不同偏航位置的倾斜数据进行拟合就可以获得塔筒相应测点部位的静态刚度圆。通过拟合机组正常运行并满发的一段时间的数据，便可得出图塔筒在该期间内的最大动态度圆。正常情况下，机组塔筒工作位置不应超过此圆。当塔筒变形的最大饶度和最大转角超过设计值时，就会使塔筒的刚度发生变化[4]。倾角监侧方案就是监测塔项最大饶度|f|max和最大转角|θ|max不超许可饶度[f]及许可转角[θ]通过建立刚度条件|f|max=[f]，|θ|max=[θ]判定塔筒工作状态。

2 硬件构成及算法

3 软件系统及应用

风电机组塔筒动态特性监测系统风机端的主画面，显示塔筒的静态变形、实时监测塔筒的倾斜度和塔基有角度，具有数据采集存储、报警功能。远程监控各个风机的塔筒运行状态，可以实现远程报警，历史数据提取等功能。塔筒的状态包括：塔筒的刚度圆（可监测塔筒变形、焊缝开裂、螺栓松动、断裂等故障）、塔筒晃动量（位移值）、塔筒同轴度、塔筒垂直度[8]。机组塔筒沿圆周各向刚度相等的特性、叶轮和机舱的重心偏离塔筒的几何中心的特点[9]，通过监测偏载引起塔筒顶部的倾斜角度，获得机舱在不同偏航位置的倾斜数据，从而计算出塔筒的顶部在风机停机状态、满发状态下的最大晃动边界曲线。利用这一技术理论，绘制出塔筒的静态、动态刚度圆，通过对比综合分析塔筒不同端面在不同时间段的刚度圆，得出刚度圆直径及同轴度变化情况，以此评价分析塔筒的刚度变化状态。通过对塔筒底部和顶部传感器数据的对比分析，有利于发现塔筒局部受力不均，变形不均的情况。通过每一次报警极限值的激活，可以记录在一定时期内塔筒触发最大振动要求的次数，对分析焊缝及螺栓的过度疲劳提供依据[10]。通过点堆积实时计算历史最大摆动度，根据其地形特点更加合理的设定振动保护触发值，让机组振动保护更科学。漫景风电场某台机组在开机正常运行时，其动态倾斜角度偏大；基础环不均匀沉降静态值已接近 0.003倾斜率标准值。分析对比发现基础环倾斜角度易受风速影响，且变化范围很大。综合塔底及塔顶测点罗盘轨迹图可以初步判定“机组基础环或基础可能存在松动现象”，由于数据变化区间过大，需检查基础环及基础是否存在异常情况。经检查发现塔筒部分螺栓确实存在松动情况，对分析判断塔筒运行状态提供了巨大帮助。

4 结论

利用复合传感器在风电机组塔筒晃动远程在线监测预警中的应用，通过软件系统实现了监测预警人机交互界面，对倾斜度的直观展示。系统具有布设便捷，监测全面，通信高效，便于在少人值守情况下进行风电机组故障预警和寿命预测，有助于为风电机组的预防性维修提供科学依据，减少故障发生率，从而降低风电机组的维修成本。