基于風機基礎損傷前后的SCADA振動數據對比分析研究

黃 奇，劉哲鋒，2，朱新革，劉宜松，雷雪雯

(1.長沙理工大學土木工程學院，湖南 長沙 410004；2.長沙理工大學橋梁工程安全控制教育部重點實驗室，湖南 長沙 410004)

0 引 言

隨著傳統化石能源的日趨枯竭，能源供應安全與環境保護壓力越來越大，風能作為一種清潔的、可再生的新能源保持著快速發展的趨勢[1]。當前，國內內陸風機多數采用基礎環形式，將圓形鋼筒插入混凝土中的重力式基礎。由于施工局限性及風場環境的惡劣性，大多數風機基礎的安全性正日益受到關注。研究者們針對基礎安全的監控與預測做了大量工作，如白雪[2]等通過設計一種在基礎施工時安裝振弦式應變計，對基礎從養護到運行期間進行監測，對基礎缺陷的出現和演化進行量化分析。秦淑芳等[3]通過在塔筒不同位置處布置鋼板應變計，傾角儀等傳感器，監控塔筒撓度變化，建立風機結構安全監控系統；這些研究在一定程度上可以有效監測風機基礎的安全性。事實上，一個風場一般裝有幾十臺風機，其中許多風機基礎能正常服役，如果全部額外加裝傳感器，成本較大。

當前，風場風機一般都裝有數據采集與監控系統(SCADA)，該系統可以監控并采集風機運行時各類狀態參數，如風輪轉速、風速、振動加速度、槳距角、有功功率等。該系統數據中蘊含了大量的信息，SCADA數據成為當前研究的熱點。大量研究者主要的目光集中在用SCADA數據指示風電機組機械部件的安全狀態[4- 6]，對于SCADA振動數據的研究也有很多，如任巖[7]等通過對篩選SCADA數據并通過相關性分析找到與機組振動有關的因素；戴巨川[8]等通過分析SCADA系統數據分析風速、轉速、變槳距以及偏航等對振動的影響；這些研究主并未深入挖掘SCADA數據對整體塔筒結構及基礎安全的反映，尤其是SCADA系統中的振動加速度數據對風機結構的反映。本文將在前人的研究基礎上，針對某基礎損傷風機現有SCADA數據，通過繪制風機基礎出現損傷前后時間SCADA振動數據散點圖對比其差異性，篩選維護停機狀態下的加速度數據進行時頻分析，總結了基礎損傷對SCADA數據的變化規律，可在不加裝監測裝置的前提下初步預估風機基礎的安全性，為風機基礎的損傷預判提供參考。

1 風向分析及基礎損傷現狀

1.1 風向分析

本文所研究風機為湖南某風場P1號機，該風機為一臺2 MW直驅型風力發電機，其中有一葉片2017年發現配重失衡未修，風機基本參數為：風輪直徑95.9 m，機艙高度80 m，切入風速3 m/s，額定風速10.5 m/s，切出風速25 m/s。SCADA系統中采集的振動加速度方向有兩個，x方向和y方向，見圖1。機艙的振動是風機系統結構對外界激勵的響應，激勵主要來源于風載和風輪旋轉時產生的運行荷載，且該風機具有自動偏航功能，以最大程度地捕捉風能。因此，進行主風向的分析十分必要。為方便說明，對基礎平面進行分區編號，因須與SCADA系統中方向對應，以正北方向為起點順時針均分為16個區，編號為1～16，見圖3。因此根據統計學原理，剔除掉風速小于3 m/s時的風向值，對P1號風機2018年1月～11月SCADA系統采集的風向值進行統計分析如圖2所示。從圖可以看出，該時段內風向在第11、12、13區的風向頻率為43.7%，為該風機盛行風向，如圖3所示。

圖1 風機結構

圖2 風向分布頻率

圖3 基礎分區

1.2 基礎損傷描述

風機塔架結構屬于高聳結構，根據相關研究[9-11]表明，基礎環式風機基礎的疲勞損傷主要經歷以下幾個過程：風機運行對基礎產生巨大傾覆力矩和拉壓力，使基礎環與混凝土之間產生初始小裂縫；隨著防水層的失效，雨水滲入使得初始小裂縫深入擴大，使風機塔筒產生晃動，基礎環壁與混凝土反復研磨，出現冒漿現象；隨著晃動加劇，基礎環下法蘭處混凝土出現空腔，基礎表面混凝土沖壓破碎。如不及時停機加固，此類風機在極端條件下極易發生倒塌事故。

2018年11月下旬，經檢測發現，所有測區基礎環防水層失效。塔筒內部沿基礎環一周均有水泥漿冒出(見圖4)；塔筒外部第4、11、12、13、14區表層混凝土沖壓破碎，存在大量環向裂縫(見圖5)。其中第4區破損區域距塔筒邊緣最遠處0.2 m，第11測區破損區域距塔筒邊緣最遠處0.7 m，第12區破損區域距塔筒邊緣最遠處1 m，第13、14區破損區域距塔筒邊緣最遠處0.6 m。根據現場檢測情況及風向分析可知，風機基礎的壓潰破損區域主要集中在沿主風向方向上，在垂直主風向上基礎混凝土破損較輕。

圖4 塔筒內部冒漿

圖5 塔筒外部混凝土壓潰

圖6 風速—風輪轉速關系

2 振動加速度數據分析

根據葉素-動量(BEM)理論及相關文獻研究表明[7- 8]，機艙振動主要與風速、風輪轉速、槳距角等有關。風輪的驅動荷載來源于作用在葉片上的氣流，氣流運動的快慢用風速表示。風速一般是時變量，具有突變性，而風輪的轉速由于慣性的作用不會突變，且當風速小于額定風速時，風輪轉速與風速近似呈正相關關系(見圖6)，所以風輪轉速的大小可作為荷載大小的參照量。本節將研究風輪轉速與振動加速之間的關系，選取P1號風機2018年兩個不同時間段的數據，分別為損傷前(1月)，損傷期(10月)，經過數據的篩選，每個時期分別選取30 min數據作散點圖分析(見圖7～8)。為了更有效的說明問題，選取基礎正常、葉片配重正常的風機P2同時期數據進行對比分析(見圖9～10)。

圖7 P1風機1月振動加速度

圖8 P1風機10月振動加速度

圖9 P2風機1月振動加速度

圖10 P2風機10月振動加速度

由圖7、8可以看出，P1風機損傷前后的風輪轉速與振動加速度之間趨勢關系基本一致，當轉速在11～13 r/min時，x方向與y方向的振動加速度幅度差別不大，y方向振動略大于x方向振動。當轉速在13～16 r/min時，y方向上的振動明顯大于x方向的振動。對比圖7、圖8，1月(基礎損傷前)x方向振動加速度幅度在-0.06～0.06 m/s2之間，y方向振動加速度幅度在-0.41～0.39 m/s2之間；而10月(基礎損傷后)x方向振動加速度幅度在-0.2～0.21 m/s2之間，y方向振動加速度幅度在-0.5～0.5 m/s2之間。由上述數據分析可知，損傷后機艙振動x方向加速度幅度較基礎損傷前變大約有3倍，y方向振動加速度變大了25%。

由圖9、10可以看出，x方向振動明顯強于y方向，當風輪轉速在13～16 r/min時，1月x方向振動加速度幅度在0.19～0.2 m/s2之間，y方向振動加速度幅度在-0.11～0.11 m/s2之間；10月x方向振動加速度幅度在-0.21～0.21 m/s2之間，較1月數據略為變大；y方向振動加速度幅度在-0.11～0.11 m/s2之間。顯然，P2風機前后時間的機艙振動加速度幅度變化不大。

通過上述分析，P1問題風機前后時間機艙的振動有明顯差異，尤其是x方向；而P2正常風機前后時間的機艙振動加速度幅度變化不大。對應P1風機基礎混凝土的損傷區域，這說明基礎混凝土的損傷對機艙振動的大小有影響，且因為機艙振動加速度的大小與荷載有關，所以一般正常風機的x方向(即主風向上)的振動較y方向更為敏感，而當風輪葉片配重失衡時，風輪旋轉而產生的離心力的作用效果更為明顯，且離心力方向與旋轉軸垂直向外，故P1風機y方向振動要明顯大于x方向。

3 時頻分析

風機塔筒結構可簡化為單自由度結構體系。基礎混凝土端可看作該結構的固定端約束，當基礎混凝土發生沖壓破碎后，該約束將變弱，從而整體結構剛度降低，使結構的抗振性能變弱[12-13]。為避免葉片揮舞振動、機械運轉及噪聲對振動數據的干擾，選取維護停機狀態且風速大于切入風速時的SCADA振動數據分析，此時風力發電機組采取偏航90°背風，y方向為來風風向。此時將發電機組與塔筒結構看作整體，y方向機艙振動加速度可認為是塔筒自由端在風載激勵下的振動響應。本節對P1風機1月、10月兩個時期經篩選后的y方向加速度響應進行傅里葉變換，提取主頻進行自適應最稀疏信號時頻分解，從而識別其派生系統的固有圓頻率ω。文獻[14]、[15]介紹了該方法的具體過程，在此不詳細贅述。

圖11為P1風機1月振動加速度數據經傅里葉變換后的頻譜圖，圖12為P1風機10月振動加速度經傅里葉變換后的頻譜圖，圖13為P1風機1月振動加速度的瞬時頻率圖，圖14為P1風機10月振動加速度的瞬時頻率圖。由圖11、12得到經傅里葉變換后兩個時期的一階主頻分別為0.342 Hz，0.340 Hz。對主頻進行自適應最稀疏分析，將得到的瞬時頻率經最小二乘法擬合，得到該結構1月該時段固

圖11 P1風機1月加速度頻譜

圖12 P1風機10月加速度頻譜

圖13 P1風機1月瞬時頻率

圖14 P1風機10月瞬時頻率

有圓頻率為ω1=2.18 rad/s，10月該時段固有圓頻率為ω10=2.119 rad/s，損傷前后該風機的固有圓頻率差異比為2.75%。加速度的采集頻率為1 Hz，采集頻率較低，但該方法有嚴格的數學基礎，故可作為預判風機基礎損傷的一個參考。

4 結論與建議

(1)風機基礎的破壞是在疲勞往復荷載作用下的一個長期累積效果，且發生破壞區域主要集中在主風向區域。風機基礎損傷前后時期的振動加速度數據有明顯差異，x、y兩個方向的振動幅度均會變大，尤其是x方向的振動變化更為明顯。P1風機基礎損傷嚴重，已不具備保障該風機的正常運行的條件，建議及時聘請具有相應資質的設計單位通過計算分析出具加固方案，由具有相應資質的施工單位進行加固施工。

(2)葉片配重的失衡使風輪旋轉產生的離心力效果明顯，將會使y方向的振動加劇。應及時修復或更換P1風機配重失衡葉片，以避免y方向的過大振動，加劇基礎的劣化。

(3)維護停機狀態下，基礎損傷后風機SCADA加速度數據經時頻分析后得到的固有圓頻率有所降低，降低幅度為2.75%。

(4)風場運維部門可通過分析長時期的SCADA振動數據對風機基礎的損傷進行預判，篩選出基礎結構相對劣化的風機，安裝監測設備，及早地發現并處理基礎存在的安全隱患。