風電塔筒異常振動優化方案研究

中國電能成套設備有限公司 汪晗宇

我國作為一個能源生產與能源消費的大國，傳統不可再生能源的開采已接近瓶頸期，過度開采會引發環境一系列問題的發生，可再生資源的開發是解決能源需求緊張的重要辦法，在新世紀以來頒布《可再生能源開發法》并在全國人民代表大會多次重申實施可再生能源的開發等。風力發電作為我國比較成熟與開發潛力大的能源項目一直備受關注，在本世紀初對全國各地風力資源的開發居世界前列。

近年來，隨著自然災害的頻繁發生風電行業發生了許多嚴重事故。日本北海道6座電力發動塔在經歷臺風后異常振動導致整體受損，運行速率變慢，其中一座風力發電塔發生倒塌，經現場檢查發現由于風電塔的塔筒在經歷惡劣天氣之后負荷過大，發出異常振動導致風電塔損壞。風電塔筒作為支撐整個風力發電塔的結構，一旦發生問題會傳遞到整個風電塔的各個部位，導致風機、電轉扇出現超負荷運行，從而引起事故發生。

1 傳統風力發電塔筒振動檢測方式與設備

風電塔筒是連接風力發電的桿杠，通過數碼操控的程序切割機進行切割，在材料上形成開坡口，結合電焊，定位處理后由內外部進行縫合操作，經過圓度督測后就可噴漆投入使用。風力發電塔的底部艙座一般位于塔筒上部，并在頂部的連接過程中與輪轂相互聯系，將其定位在風電塔的葉片之上，此時風力發電塔的全部重心、包括運行過程中的能源動力擬載荷的重心也會全部集中于風電塔筒之上，由此可看出塔筒是整個風力發電塔的保障，是能否安全運行的關鍵點。通常對風力發電塔塔筒異常振動的檢測是通過對振動所觀測到的觀測值是否超過國際標準的固定值為主進行檢測，此外在風電塔筒的內部施加應力傳感裝置，通過風電塔在運行過程中的負荷力與重心力進行標準檢測，以此來保證風電塔筒是否尚在安全范圍內運行[1]。

在風力發電塔筒內部設立多個塔筒振動檢測器，通過連接塔筒振動的電源開關，在塔筒底部設置動力振動傳感設備，將檢測的數據信息傳遞到振動預估板塊進行分析查驗，推測出相關數據是否符合標準數值，用于預估的方法是通過設置外加的加權值和總體加權公式進行計算處理，以便能在最短時間內獲得風電塔筒振動的數據信息、狀態好壞等，除上述設備外，還會在傳感器的內部添加標準振動值，最大程度上加快了異常振動的發現速率，并及時啟動異常振動保障計劃。

在風力發電塔筒建造振動信號源，通過風電塔在工作時的加速度進行信息采集，從而分析出相關風電塔筒的振動頻率，結合振動信號大小程度對風力發電塔進行組合狀的低頻率振動檢測；此外在風電塔筒內設置能檢測異常振動的分析儀器，包括過濾波紋的振動儀器及檢測波紋的振動儀器，通過對波紋的過濾與篩選，從而能獲得風電塔筒的相關振動信息，并連接總控制室內部的PLC控制系統對風電塔筒的信號振動源進行相應的電源處理，在經過比較振動源的數據信息與監測站點的標準閾值后，從而得出正確的結論，進一筆保障風電塔筒的正常運行[2]。

在風力發電塔筒的內部公開進行預警機制的建設，其中包括多方向加速率傳感裝置、實時協調異常振動信號系統、實時收納振動信息模型設計系統、實時模型分析系統、內外部傳感器裝置、內外部實時信號傳遞裝置、實時振動信息分析裝置、實時應急閾值比較裝置與振動信息資源輸出裝置等。此外還采用與上述類似的預警督查系統，即通過對內部預警機制的振動信息與標準預警閾值進行比較分析得出是否啟動應急預警機制，以便維護風力發電塔的安全運行。

結合上述三種有關風力發電塔筒振動的監測預警機制不難發現，傳統風力發電塔筒的異常振動檢測一般是通過對風電塔筒的振動頻率、大小是否高于風電塔筒內部的振動閾值來實現預警機制的啟動，此外是施加動力傳感設備或利用振動符合力度是否超標進行檢測風電塔筒是否處于安全運行的范圍內。

傳統監測預警機制從理論來說并沒有太大的問題，都是通過檢測觀察風電塔筒的振動信息與風電塔筒的振動頻率閾值進行比較分析，從而的出風電塔筒是否處于安全運行的范圍內，但卻沒有和實際相互結合，在實際風電塔筒工作運轉時，由于實際場地的風頻、風力流速、流向、當地地形地質特點及傳統傳感器在惡劣天氣下能否實現正確信息的采集分析、傳感器是否能適應惡劣環境等問題，是否會引起風電塔筒的異常振動，是傳統風電塔筒振動檢測的尚待解決難題[3]。

2 風電塔筒異常振動優化方案

風力發電塔異常振動的現狀經常發生，對風電塔筒進行振動頻率分析是解決風力發電塔發生重大變化最為有效的方法。

2.1 塔筒韌性優化

風電塔筒的優化設計是為了能在市場上獲得更大利益，提高產品的競爭力，同時也能避免出現異常振動的現象發生：通過對風電塔筒的材料進行優化降低塔筒重量，即通過對風電塔筒的整體大小進行削減，在維持原有強度基礎上通過對塔筒內部尺寸與替代材料進行優化，即可承受范圍內的應力值σ≤［σ］，材料損耗損傷因子D≤1、D＜0.5(焊接形成)，在一定程度上實現降量增優構想的實現；對風電塔筒的制作工藝進行改善。例如，對振動檢測裝置的表面打磨更加光滑，即從表面的光滑程度由3μm提高到9μm，避免出現由于表面褶皺出現振動數據偏差情況的出現，在一定程度上降低塑造成本，將原有熔鍛形成的塔筒轉變為鑄造模型，以便投入市場更多的風電塔筒產品。此外還應當結合塔筒結構的穩固性，即滿足穩固因子D＜1、D＜0.5(焊縫位置)。

2.2 技術檢測優化

在傳統風電塔筒檢測預警機制的基礎上，針對風力發電塔內部的運行數據進行綜合統計，根據所有實際風電塔的風速振動進行參數估計分析，通過得出的數據信息描繪出同一時間段所有風電塔筒的振動曲線圖，并在其中找出發生異常振動的風電塔筒組合。此外，還需把振動異常的塔筒與振動正常的風電塔筒組合形成的風速振動標準表進行對比，結合當天的風速狀況整合分析，找出其中存在的差異性，以達到實現逐日風電塔筒異常振動的檢測。技術檢測優化的方案如下：

選取實驗場地進三個月、半年乃至一年的風電塔筒振動運行的數據信息，將風速等級進行劃分為風速五分鐘均值、塔筒振動五分鐘有效均值、風速十分鐘均值、塔筒振動十分鐘有效均值等，其中塔筒振動的有效均值是指風電塔筒瞬間振動數值在維系一個風電塔筒運行振動循環的均方根；將由上述統計擬合得出的結果作用于所有風電塔筒組合，將風速等級五分鐘、十分鐘進行有效振動指數的參數擬合，形成各自風力發電塔筒的風速-振動表；得出風速-振動表后結合箱型曲線圖表對異常振動的數據信息進行分析求算，得到所有風電塔筒的振動數值，隨后與風電塔筒的振動閾值進行分析比較，大于閾值為異常振動的風電塔筒，小于或等于閾值則為正常振動，以完成對風電塔筒的異常組合檢測。

將上述閾值超標的風電塔筒組合進行選取，將其融入正常振動的風電塔筒，即將所有風電塔筒組合的風速-振動表進行相加、在除以所選取的風電塔筒總和數量，得到平均風電塔筒的風速-振動數據表格；風力發電塔筒進行工作時，選取時間段對風速達到五分鐘、十分鐘均值的風電塔筒進行單獨排查，發現出現超過風電塔筒平均風速-振動閾值的風電塔筒時，進行異常振動方案處理并及時發出預警報告。

2.3 定期檢修安裝

定期維護與檢修能對塔筒內部發生的零件損壞、軟件故障等問題進行及時解決，減少出現風電塔筒結構疲軟，松化現象的出現。此外，在風電塔筒內部安裝被動減振裝置能大幅提高由于過度風力振動引起零件撞擊現象。首先根據風電塔筒風葉片的轉速情況分析，著重在塔筒的上端建立阻尼器來減少風電塔筒過度旋轉造成的葉片離位現象的發生，進一步協調了風電塔筒葉片的質量優化；安裝的阻尼器不能是傳統依靠爬梯、電閘等方式進行操作的設備，應根據變頻阻尼器達到對風電塔筒內部氣壓環境的分析處理，利用顆粒之間的微弱摩擦力來實現風電塔筒的耐用性與實用性，并能掌控風電塔筒內部的溫度調節等，是未來風力發電塔筒發展的可靠前景。

3 結語

綜上，可再生能源是國家未來發展的堅實基礎，風力發電則是其中開放潛力最大、危害最小的能源，目前我國在風力發電領域已取得重大成功，但不能因此就對風力發電站的設計研究停滯不前。風力發電塔筒作為支撐整體風力發電塔的關鍵桿杠，更能為風電塔的安全性能進行預警提示，強化對風電塔筒的研發設計應當繼續鉆研。現今風力發電塔筒的異常振動現象屢有發生，從優化韌性、優化檢測技術與定期檢測維修等方面全面提高風電塔筒的性能不失為一個良好的優化方案，為后續推動風力發電的全面應用提供深入借鑒的經驗。