风电机组塔筒在线监测技术的应用研究.docx

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风电机组塔筒在线监测技术的应用研究

风电机组塔筒在线监测技术的应用研究

作者：

刘峰

来源：

《风能》2014年第04期

        摘要：

以塔筒形态在线监测系统的研究为切入点，将倾斜传感器和加速度传感器的数据代入塔体变形的参数方程式，通过方程求解、现场工程实践等方法较准确地得到塔体的变形数据。

该系统可以广泛应用于风电机组塔体等高塔的倾斜及变形测量，实现在线安全监控。

        关键词：

风电机组；塔筒；在线监测；加速度；倾角；传感器

        中图分类号：

TM614文献标识码：

A文章编号：

1674-9219（2014）04-0098-06

        ResearchonOnlineMonitoringTechnologyofWindTurbineTower

        LiuFeng

        （BeijingMaintenanceBranchofChinaDatangCorporationRenewablePowerCo.，Ltd.，Beijing100071，China）

        Abstract：

Basedontheresearchoftowershapeonlinemonitoringsystem，substitutesensorandaccelerationsensordataareputintotheparameterequationsofthetowerbodydeformation，thengetthetowerbodydeformationdatabyequationsolvingfeldengineeringpractice，ect.Tesystemcanbewidelyusedinwindturbinetowerbodytiltofthetoweranddeformationmeasurement，realizingtheonlinesecuritymonitoring.

        Keywords：

windpower；tower；onlinemonitoring；acceleratedspeed；dip；sensor

        0引言

        新能源资源的不断开发利用，使二、三类风能资源成为风电开发的主要对象。

相对一类风能资源地区，在这些地区开发风电将需要整机厂商提供更长的叶片和更高的塔架。

塔筒高度在不断增加，目前陆上风电机组的塔筒高度大多在50m-120m之间，塔筒本身承受自身的重力、风的推力、叶轮的扭力等复杂多变的负荷，同时受气象及地质因素的影响，塔体作为一个弹性刚体会产生一定幅度的摇摆和扭曲等弹性变形。

过大的摆动将导致塔体结构的疲劳增大，或使塔架基础发生倾斜，产生安全隐患，因此需要对塔体的变形状态进行连续的在线监测。

        虽然可以通过很多方案从原理上实现塔体的倾斜和变形监测，但是这些方案仍存在诸多问题：

（1）GPS精度目前不能满足风电机组塔筒毫米级的倾斜测量要求；

（2）采用多个GPS的方案不仅成本高，同时受工程施工的限制，必须安装在塔体外壁，采用倾斜传感器测量位移量虽然可行，但是现有专利US7317260未能考虑塔体的非线性变形特点，基于单一倾角和刚体变形的假设所计算得到的位移量将远大于实际位移量；（3）采用加速度传感器进行两次积分的方法则存在初始位置无法准确获取，积分运算受干扰而精度较低等问题。

        目前，成本较低、可用于风电机组塔体之倾斜及变形状态在线监测的系统和方法还有待进一步研究。

        1研究过程

        1.1理论论证阶段

        为了分析塔筒在实际运行过程中的受力情况，我们在塔架上安装了多个传感器，结合附图1：

塔架线性变形与非线性变形的受力变形情况，对风电机组塔筒在线监测系统的研究过程进行详述。

        如图1（a）所示，现有技术中一般假设塔体为刚体，即假设塔体倾斜时位移为线性位移，因此根据塔顶的位移d和塔体高度H来评估塔体的倾角α，即

        但是反过来，如果根据倾斜传感器的测量值α计算塔顶的位移量d，容易获得错误的结果。

如图1（b）所示，由于塔体的变形为非线性变形，采用上述公式求出的d将远大于实际的位移值d’。

可见现有计算方法存在较大缺陷。

        如图2模拟塔架安放传感器位置和搭建塔体形态坐标图，（a）为塔体变形测量系统的一个实例。

图中所示，塔体为一个典型塔筒结构的风电机组塔体1，但是同样可应用于其他结构形式的塔体，例如桁架结构的塔体。

风电机组塔体通常由多段锥形塔筒连接而成，连接方式主要采用圆形法兰盘等形式。

为了便于后续表述，引入塔体坐标系：

其中x轴与发电机转子轴线平行，y轴与发电机转子轴线垂直，z轴与重力方向平行。

        研究采用最典型的塔体为例，在图2中，塔体1由上半段塔筒2和下半段塔筒3，两者之间通过法兰盘4a和4b连接。

倾斜传感器5安装在法兰盘4a的上方附近，例如通过刚性支架与法兰盘连接，或者直接安装在法兰盘上。

倾斜传感器5的内部具有一个水平加速度传感器5a。

加速度传感器5a至少是提供两个水平方向加速度测量的2轴加速度传感器，最好是支持三个方向加速度测量的3轴加速度传感器。

图2（b）和图2（c）为塔体变形测量系统的另外两个实例，即在塔体内部的不同高度上安装有多个加速度传感器。

在更多的不同高度位置上安装加速度传感器有利于提高塔体位姿及变形测量的精度。

        如图3所示，塔架各部位传感器设计安装点，为倾斜传感器和加速度传感器的一个安装实例，倾斜传感器5可以安装在靠近法兰盘的位置，也可以安装在塔体的中轴线附近，具体的安装方式将结合图4进行说明。

对于加速度传感器来说，对应每一个安装高度，加速度传感器的安装方式主要有两种方案。

一种安装方式为在位置8安装一个两轴加速度传感器，用于测量x，y方向的加速度。

这是因为在这一位置上，由于塔体绕z轴的转动造成的平动加速度非常小，采用单个两轴水平加速度传感器即可实现水平加速度的测量。

另一种安装方式为在位置9安装一个两轴加速度传感器，用于测量x，y方向的加速度，并在位置10安装一个单轴加速度传感器，用于测量y方向的加速度，根据同时测量得到的三个加速度值可以计算出塔体在该高度的x、y方向水平加速度，以及绕z轴旋转的角加速度。

此外，还可以采用多个单轴加速度传感器实现上述测量。

需要了解的是，加速度传感器的水平安装方向一般与风电机组塔筒的初始x，y方向一致，当顶舱有偏航运动时可以通过坐标变换进行换算。

        如图4塔筒法兰安装螺栓处传感器变化情况的细部描述，（a）所示为倾斜传感器安装方式的一个实例，在法兰盘4a上吸附有永磁铁12，刚性支架13通过螺钉等方式与永磁铁12固连，倾斜传感器5固定安装在刚性支架13的另一端。

刚性支架13的长度l一般选择接近法兰半径，但是也可以更短或更长。

如图4（a）所示，法兰4a和4b之间通常采用大量螺栓14进行联接。

需要指出的是，由于法兰盘4a，4b的厚度通常远厚于塔筒壁15的厚度，因此将刚性支架13固定安装在法兰上更加稳固，但是倾斜传感器5也可以通过其他方式安装在法兰盘4a上方的塔筒壁上。

        图4（b）中还显示了法兰盘在复杂外部载荷的作用下发生了倾斜，同时螺栓14出现拉伸和弯曲变形。

由于螺栓在反复拉伸一段时期后可能会产生塑形变形，对塔体安全带来重大隐患，因此及时发现螺栓的异常具有重要意义。

采用刚性支架13和加速度传感器5a，可以将法兰盘4a的角加速度波动放大为z轴方向的直线加速度，通过测量z轴方向加速度波动，即可以检测出法兰盘4a异常倾斜造成的角加速度波动，进而发出警报通知维护人员。

        1.2现场实践阶段

        基于以上研究，我们设计了一款专门针对塔筒形态在线监测的自动装置，通过试验各种原理传感器的灵敏度、改变传感器的安装位置、安装工艺等方式，发现在塔顶和塔基各安装一个传感器是较合理、经济的方案，这样既可以得到塔顶的摆动瞬时值，还可以得到基础环法兰的水平数据，实现了塔顶摆动度和塔基有角度沉降的在线监测。

        根据设备的实际情况，我们对采集到的数据传输路径进行了多种方案的设计，一是利用原有风电机组间的光纤通道将数据传输到风电场主控制室，这种施工方案在现场需要熔接光纤，因为部分风电机组间的备用光纤通道已经损坏，施工周期较长；二是利用无线传输技术将数据送到主控制室，发现在塔架内装设无线发射系统受金属屏蔽和风电场电磁干扰，信号有所失真；基于以上困难，我们采用了一种就地存储、硬件关联报警的处理思路解决了通讯方面带来的技术难题。

当运行人员发现风电机组报“安全链打开”类似的严重故障停机后，到现场检查可以发现“本系统处于报警输出状态”，提示检查摆动最大值，拷贝故障波形。

对监测系统的波形拷贝完毕后可以通过手动复位，风电机组安全链恢复正常[1]。

        通过安装在塔筒底部的在线监测装置画面可以实时监测顶部与底部的数据变化，同样若在风电场控制室安装了在线监测系统工控机，运行人员在控制室既可以观测到每台风电机组的塔体变形情况，风电机组维护人员可以在线观察塔筒的动态变形。

需要指出的是，当处理过程中发出黄色警报时，可以为风电机组监控人员提供参考。

风电机组监控人员根据塔体的变形特征和报警数量及持续时间作出调整叶片角度或停机的决策。

        1.3实际案例分析

        如图6中采集到的风电机组由“运行”到“收到停机指令”进行变桨，再到“变桨到90度”变化过程，全程检测出了停机过程中塔筒的摆动情况，说明风电机组在收到停机指令后的1s内是摆动最严重的情况，以塔高52m、风速11.2m/s时停机为例，系统捕捉到的塔筒顶部最大摆动值为径向1.19m。

        图7为通过对现场一个80m高塔筒进行在线监测系统采集到的数据进行分析，塔基底部数据变化范围微小，基本集中在中心没有变化，可以说明数据在靶心几乎无偏移，即塔筒底部基础没有发生有角度的沉降和倾斜。

        通过位移变化曲线，也能发现曲线在微米级范围内波动，径向最大瞬时沉降量为400um（图8中蓝色曲线），变化很微小，基础稳定，暂无沉降趋势。

        通过图9可知：

塔筒顶部径向瞬时摆动极限散点图，径向倾角散点分析，可以发现数据在北偏东、南偏西方向偏移量较大，此方向螺栓受力频繁易疲劳，在巡检的时候对这部分螺栓应重点检查。

        通过图10可知：

塔筒顶部实时摆动变化曲线，可以清晰看出塔顶的位移变化，其中，红色曲线是塔顶角度在X轴方向的绝对值，黄色曲线是在Y轴方向的绝对值，蓝色曲线是X轴与Y轴的合成最大值。

从图中可以发现塔筒顶部曲线在米级范围内波动，径向最大瞬时倾斜度为1.7m，平均偏移程度为0.4m（图中蓝色曲线），利用曲线的实时分析可以判断塔架的晃动幅度，并对塔架受力和螺栓受力进行专项分析。

同时根据趋势变化可以分析弹性变形是否回到原点，判断塔架是否发生倾斜或塑性变形[2]。

        2技术价值及现场应用收获

        2.1系统构成及灵敏度

        塔筒形态实时监测系统是用于实时监测风电机组塔筒底部有角度的沉降量和塔架顶部摆动范围的自动仪器，有效实现塔筒基础沉降的观测和塔架振动幅值的实时监测设备。

        塔筒形态在线监测系统主要由顶部传感器、底部传感器、数据存储及处理器、输入输出接口四部分组成。

系统通过安装到在役风电机组塔架上的传感器，定点采集塔架振动和倾斜数据，并将数据传输到安装在塔架底部主机的处理单元，处理单元负责将数据进行存储和分析分析。

现场人员可以在风电机组定期巡检时拷贝数据，为提高数据精度，可以采取每秒一次的采样频率，利用数据专家诊断系统进行分析。

        由图11可知：

塔基传感器在外部强烈振动时采集到的波形，是现场采集到的一次风电机组附近经过重型装载机时形成的波形变化，通过实际工况采集到的波形验证了传感器的灵敏度，对现场发生地震、泥石流等严重地质灾害可以实现超前预防。

        2.2数据分析系统的实用价值

        风电机组塔筒形态监测系统可以实时监测塔筒的倾斜度和塔基有角度的沉降量，通过高性能倾角传感器感知每一秒内塔筒顶部的晃动幅度和方向。

同时根据系统设定的边界条件，可以自动计算每一次小风条件下塔架的的稳态变形，即倾斜度。

（1）通过对年度塔筒摆动轨迹的点堆积，可以分析出塔架一整年内的受力情况，对受力较大方向的关键部位螺栓可以提出进行特殊检查，为风电机组定检提供技术指导；

（2）通过分析传感器实测的瞬时数据，分析塔架暂态倾斜度，在恶劣天气、地质条件下，防止发生或扩大事故，主要通过处理器输出继电器接点，实现报警或停机功能；

        （3）通过对塔筒底部和顶部传感器数据的对比分析，有利于发现塔架局部受力不均、变形不均的情况；

        （4）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；

        （5）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，让塔筒振动保护更科学；

        （6）通过对风电机组塔筒一段时间内的在线监测，可

        以掌握风电机组在不同风速、不同负荷下的摆动情况，特别是在紧急停机时塔架的最大摆动幅度。

可以实现对每台风电机组最大摆动度的测试，可以作为保证风电机组安全的有效定值，每台风电机组的实测最大摆动度将有所不同，我们的定值是根据机组基础、塔筒螺栓、焊缝等诸多因素实测的机组能够承受的最大摆动度。

这些对于提高风电机组运行寿命均有显示意义[3]。

        3结语

        风电机组的塔架安全和机组防火已经成为威胁机组安全、寿命的两大致命因素，相比动辄几千万的风电机组设备，推行塔筒在线监测技术与自动火灾监测灭火系统将成为风电设备管理者的有效手段。

在风电发展更加重视设备质量和安全发展的时代，积极推进风电机组塔筒在线监测技术、风电机组火灾监测与灭火技术等先进技术的应用，可以有效弥补风电机组自身设计不足带来的安全隐患，并发现由于维护不及时带来的设备隐患问题。

        参考文献

        [1]叶杭冶.风力发电机组监测与控制[M].北京：

机械工业出版社，2011.

        [2]诺迈士.风电传动系统的设计与分析[M].上海：

上海科学技术出版社，2013.

        [3]国家能源局.NB/T31001-2010风电机组筒形塔制造技术条件[S].中华人民共和国能源行业标准，2010.

        收稿日期：

2014-03-08。

        作者简介：

        刘峰（1976-），男，大专学历，工程师，大唐新能源北京检修分公司培训中心主任，1997年参加工作，有8年继电保护工作经验，5年风电检修维护、技术监控试验经验。

在工作中主要负责风电专业技术人员培训、研究风电机组控制技术和开展风电技术支持等工作。