風電機組塔筒在線監測技術的應用研究

劉峰

(中國大唐集團新能源股份有限公司北京檢修分公司，北京 100071)

0 引言

新能源資源的不斷開發利用，使二、三類風能資源成為風電開發的主要對象。相對一類風能資源地區，在這些地區開發風電將需要整機廠商提供更長的葉片和更高的塔架。塔筒高度在不斷增加，目前陸上風電機組的塔筒高度大多在50m－120m之間，塔筒本身承受自身的重力、風的推力、葉輪的扭力等復雜多變的負荷，同時受氣象及地質因素的影響，塔體作為一個彈性剛體會產生一定幅度的搖擺和扭曲等彈性變形。過大的擺動將導致塔體結構的疲勞增大，或使塔架基礎發生傾斜，產生安全隱患，因此需要對塔體的變形狀態進行連續的在線監測。

雖然可以通過很多方案從原理上實現塔體的傾斜和變形監測，但是這些方案仍存在諸多問題：（1）GPS精度目前不能滿足風電機組塔筒毫米級的傾斜測量要求；（2）采用多個GPS的方案不僅成本高，同時受工程施工的限制，必須安裝在塔體外壁，采用傾斜傳感器測量位移量雖然可行，但是現有專利US7317260未能考慮塔體的非線性變形特點，基于單一傾角和剛體變形的假設所計算得到的位移量將遠大于實際位移量；（3）采用加速度傳感器進行兩次積分的方法則存在初始位置無法準確獲取，積分運算受干擾而精度較低等問題。

目前，成本較低、可用于風電機組塔體之傾斜及變形狀態在線監測的系統和方法還有待進一步研究。

1 研究過程

1.1 理論論證階段

為了分析塔筒在實際運行過程中的受力情況，我們在塔架上安裝了多個傳感器，結合附圖1：塔架線性變形與非線性變形的受力變形情況,對風電機組塔筒在線監測系統的研究過程進行詳述。

如圖1(a)所示，現有技術中一般假設塔體為剛體，即假設塔體傾斜時位移為線性位移，因此根據塔頂的位移d和塔體高度H來評估塔體的傾角α，即

但是反過來， 如果根據傾斜傳感器的測量值α計算塔頂的位移量d，容易獲得錯誤的結果。如圖1(b)所示，由于塔體的變形為非線性變形，采用上述公式求出的d將遠大于實際的位移值d'?？梢姮F有計算方法存在較大缺陷。

如圖2模擬塔架安放傳感器位置和搭建塔體形態坐標圖，(a)為塔體變形測量系統的一個實例。圖中所示，塔體為一個典型塔筒結構的風電機組塔體1，但是同樣可應用于其他結構形式的塔體，例如桁架結構的塔體。風電機組塔體通常由多段錐形塔筒連接而成，連接方式主要采用圓形法蘭盤等形式。為了便于后續表述，引入塔體坐標系：其中x軸與發電機轉子軸線平行，y軸與發電機轉子軸線垂直，z軸與重力方向平行。

研究采用最典型的塔體為例，在圖2中，塔體1由上半段塔筒2和下半段塔筒3，兩者之間通過法蘭盤4a和4b連接。傾斜傳感器5安裝在法蘭盤4a的上方附近，例如通過剛性支架與法蘭盤連接，或者直接安裝在法蘭盤上。傾斜傳感器5的內部具有一個水平加速度傳感器5a。加速度傳感器5a至少是提供兩個水平方向加速度測量的2軸加速度傳感器，最好是支持三個方向加速度測量的3軸加速度傳感器。圖2(b)和圖2(c)為塔體變形測量系統的另外兩個實例，即在塔體內部的不同高度上安裝有多個加速度傳感器。在更多的不同高度位置上安裝加速度傳感器有利于提高塔體位姿及變形測量的精度。

圖1 塔架線性變形與非線性變形的受力變形情況

圖2 模擬塔架安放傳感器位置和搭建塔體形態坐標圖

圖3 塔架各部位傳感器設計安裝點

圖4 塔筒法蘭安裝螺栓處傳感器變化情況

如圖3所示，塔架各部位傳感器設計安裝點，為傾斜傳感器和加速度傳感器的一個安裝實例，傾斜傳感器5可以安裝在靠近法蘭盤的位置，也可以安裝在塔體的中軸線附近，具體的安裝方式將結合圖4進行說明。對于加速度傳感器來說，對應每一個安裝高度，加速度傳感器的安裝方式主要有兩種方案。一種安裝方式為在位置8安裝一個兩軸加速度傳感器，用于測量x，y方向的加速度。這是因為在這一位置上，由于塔體繞z軸的轉動造成的平動加速度非常小，采用單個兩軸水平加速度傳感器即可實現水平加速度的測量。另一種安裝方式為在位置9安裝一個兩軸加速度傳感器，用于測量x，y方向的加速度，并在位置10安裝一個單軸加速度傳感器，用于測量y方向的加速度，根據同時測量得到的三個加速度值可以計算出塔體在該高度的x、y方向水平加速度，以及繞z軸旋轉的角加速度。此外，還可以采用多個單軸加速度傳感器實現上述測量。需要了解的是，加速度傳感器的水平安裝方向一般與風電機組塔筒的初始x，y方向一致，當頂艙有偏航運動時可以通過坐標變換進行換算。

如圖4塔筒法蘭安裝螺栓處傳感器變化情況的細部描述， (a)所示為傾斜傳感器安裝方式的一個實例，在法蘭盤4a上吸附有永磁鐵12，剛性支架13通過螺釘等方式與永磁鐵12固連，傾斜傳感器5固定安裝在剛性支架13的另一端。剛性支架13的長度l一般選擇接近法蘭半徑，但是也可以更短或更長。如圖4(a)所示，法蘭4a和4b之間通常采用大量螺栓14進行聯接。需要指出的是，由于法蘭盤4a，4b的厚度通常遠厚于塔筒壁15的厚度，因此將剛性支架13固定安裝在法蘭上更加穩固，但是傾斜傳感器5也可以通過其他方式安裝在法蘭盤4a上方的塔筒壁上。

圖4(b)中還顯示了法蘭盤在復雜外部載荷的作用下發生了傾斜，同時螺栓14出現拉伸和彎曲變形。由于螺栓在反復拉伸一段時期后可能會產生塑形變形，對塔體安全帶來重大隱患，因此及時發現螺栓的異常具有重要意義。采用剛性支架13和加速度傳感器5a，可以將法蘭盤4a的角加速度波動放大為z軸方向的直線加速度，通過測量z軸方向加速度波動，即可以檢測出法蘭盤4a異常傾斜造成的角加速度波動，進而發出警報通知維護人員。

1.2 現場實踐階段

基于以上研究，我們設計了一款專門針對塔筒形態在線監測的自動裝置，通過試驗各種原理傳感器的靈敏度、改變傳感器的安裝位置、安裝工藝等方式，發現在塔頂和塔基各安裝一個傳感器是較合理、經濟的方案，這樣既可以得到塔頂的擺動瞬時值，還可以得到基礎環法蘭的水平數據，實現了塔頂擺動度和塔基有角度沉降的在線監測。

圖5 塔筒形態監測系統

根據設備的實際情況，我們對采集到的數據傳輸路徑進行了多種方案的設計，一是利用原有風電機組間的光纖通道將數據傳輸到風電場主控制室，這種施工方案在現場需要熔接光纖，因為部分風電機組間的備用光纖通道已經損壞，施工周期較長；二是利用無線傳輸技術將數據送到主控制室，發現在塔架內裝設無線發射系統受金屬屏蔽和風電場電磁干擾，信號有所失真；基于以上困難，我們采用了一種就地存儲、硬件關聯報警的處理思路解決了通訊方面帶來的技術難題。當運行人員發現風電機組報“安全鏈打開”類似的嚴重故障停機后，到現場檢查可以發現“本系統處于報警輸出狀態”，提示檢查擺動最大值，拷貝故障波形。對監測系統的波形拷貝完畢后可以通過手動復位，風電機組安全鏈恢復正常[1]。

通過安裝在塔筒底部的在線監測裝置畫面可以實時監測頂部與底部的數據變化，同樣若在風電場控制室安裝了在線監測系統工控機，運行人員在控制室既可以觀測到每臺風電機組的塔體變形情況，風電機組維護人員可以在線觀察塔筒的動態變形。需要指出的是，當處理過程中發出黃色警報時，可以為風電機組監控人員提供參考。風電機組監控人員根據塔體的變形特征和報警數量及持續時間作出調整葉片角度或停機的決策。

1.3 實際案例分析

如圖6中采集到的風電機組由“運行”到“收到停機指令”進行變槳，再到“變槳到90度”變化過程，全程檢測出了停機過程中塔筒的擺動情況，說明風電機組在收到停機指令后的1s內是擺動最嚴重的情況，以塔高52m、風速11.2m/s時停機為例，系統捕捉到的塔筒頂部最大擺動值為徑向1.19m。

圖7為通過對現場一個80m高塔筒進行在線監測系統采集到的數據進行分析，塔基底部數據變化范圍微小，基本集中在中心沒有變化，可以說明數據在靶心幾乎無偏移，即塔筒底部基礎沒有發生有角度的沉降和傾斜。

圖6 風電機組在手動急停過程中的擺動及傾斜量變化波形

圖7 底部傳感器徑向傾角點堆積圖

通過位移變化曲線，也能發現曲線在微米級范圍內波動，徑向最大瞬時沉降量為400um（圖8中藍色曲線），變化很微小，基礎穩定，暫無沉降趨勢。

通過圖9可知：塔筒頂部徑向瞬時擺動極限散點圖，徑向傾角散點分析，可以發現數據在北偏東、南偏西方向偏移量較大，此方向螺栓受力頻繁易疲勞，在巡檢的時候對這部分螺栓應重點檢查。

通過圖10可知：塔筒頂部實時擺動變化曲線，可以清晰看出塔頂的位移變化，其中，紅色曲線是塔頂角度在X軸方向的絕對值，黃色曲線是在Y軸方向的絕對值，藍色曲線是X軸與Y軸的合成最大值。從圖中可以發現塔筒頂部曲線在米級范圍內波動，徑向最大瞬時傾斜度為1.7m,平均偏移程度為0.4m（圖中藍色曲線），利用曲線的實時分析可以判斷塔架的晃動幅度，并對塔架受力和螺栓受力進行專項分析。同時根據趨勢變化可以分析彈性變形是否回到原點，判斷塔架是否發生傾斜或塑性變形[2]。

2 技術價值及現場應用收獲

2.1 系統構成及靈敏度

塔筒形態實時監測系統是用于實時監測風電機組塔筒底部有角度的沉降量和塔架頂部擺動范圍的自動儀器，有效實現塔筒基礎沉降的觀測和塔架振動幅值的實時監測設備。

塔筒形態在線監測系統主要由頂部傳感器、底部傳感器、數據存儲及處理器、輸入輸出接口四部分組成。系統通過安裝到在役風電機組塔架上的傳感器，定點采集塔架振動和傾斜數據，并將數據傳輸到安裝在塔架底部主機的處理單元，處理單元負責將數據進行存儲和分析分析?，F場人員可以在風電機組定期巡檢時拷貝數據，為提高數據精度，可以采取每秒一次的采樣頻率，利用數據專家診斷系統進行分析。

由圖11可知：塔基傳感器在外部強烈振動時采集到的波形，是現場采集到的一次風電機組附近經過重型裝載機時形成的波形變化，通過實際工況采集到的波形驗證了傳感器的靈敏度，對現場發生地震、泥石流等嚴重地質災害可以實現超前預防。

2.2 數據分析系統的實用價值

風電機組塔筒形態監測系統可以實時監測塔筒的傾斜度和塔基有角度的沉降量，通過高性能傾角傳感器感知每一秒內塔筒頂部的晃動幅度和方向。同時根據系統設定的邊界條件，可以自動計算每一次小風條件下塔架的的穩態變形，即傾斜度。

（1）通過對年度塔筒擺動軌跡的點堆積，可以分析出塔架一整年內的受力情況，對受力較大方向的關鍵部位螺栓可以提出進行特殊檢查，為風電機組定檢提供技術指導；

（2）通過分析傳感器實測的瞬時數據，分析塔架暫態傾斜度，在惡劣天氣、地質條件下，防止發生或擴大事故，主要通過處理器輸出繼電器接點，實現報警或停機功能；

（3）通過對塔筒底部和頂部傳感器數據的對比分析，有利于發現塔架局部受力不均、變形不均的情況；

（4）通過每一次報警極限值的激活，可以記錄在一定時期內塔筒觸發最大振動要求的次數，對分析焊縫及螺栓的過度疲勞提供依據；

（5）通過點堆積實時計算歷史最大擺動度，根據其地形特點更加合理的設定振動保護觸發值，讓塔筒振動保護更科學；

圖8 塔底基礎環法蘭外部偏移變化曲線

圖9 塔筒頂部徑向瞬時擺動極限點堆積圖

圖10 塔筒頂部實時擺動變化曲線

圖11 塔基傳感器在外部強烈振動時采集到的波形

（6）通過對風電機組塔筒一段時間內的在線監測，可以掌握風電機組在不同風速、不同負荷下的擺動情況，特別是在緊急停機時塔架的最大擺動幅度?？梢詫崿F對每臺風電機組最大擺動度的測試，可以作為保證風電機組安全的有效定值，每臺風電機組的實測最大擺動度將有所不同，我們的定值是根據機組基礎、塔筒螺栓、焊縫等諸多因素實測的機組能夠承受的最大擺動度。這些對于提高風電機組運行壽命均有顯示意義[3]。

3 結語

風電機組的塔架安全和機組防火已經成為威脅機組安全、壽命的兩大致命因素，相比動輒幾千萬的風電機組設備，推行塔筒在線監測技術與自動火災監測滅火系統將成為風電設備管理者的有效手段。在風電發展更加重視設備質量和安全發展的時代，積極推進風電機組塔筒在線監測技術、風電機組火災監測與滅火技術等先進技術的應用，可以有效彌補風電機組自身設計不足帶來的安全隱患，并發現由于維護不及時帶來的設備隱患問題。

[1] 葉杭冶.風力發電機組監測與控制[M].北京:機械工業出版社,2011.

[2] 諾邁士.風電傳動系統的設計與分析[M].上海:上?？茖W技術出版社,2013.

[3] 國家能源局.NB/T 31001-2010風電機組筒形塔制造技術條件[S].中華人民共和國能源行業標準，2010.