基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)偏移特征研究

劉哲鋒，朱新革，徐志杰，李代軍，何婧琳

(1.長沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2.湖南華電郴州風(fēng)力發(fā)電有限公司，湖南 郴州 423000；3.湖南砼聯(lián)科技有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410000)

0 引 言

基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)是我國風(fēng)機(jī)采用的主要基礎(chǔ)形式之一[1-3]。由于基礎(chǔ)環(huán)與混凝土的共同工作性能不佳，導(dǎo)致該類型風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在服役期出現(xiàn)問題的情況日益增多，給風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行造成了安全隱患[4-10]。

僅通過靜態(tài)位移檢測(基礎(chǔ)環(huán)水平度)并不能充分了解風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在運(yùn)行中的偏移變化過程，故需對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測，研究分析風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在運(yùn)行階段的偏移變化過程及其變化規(guī)律，為基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程健康診斷提供必要的基礎(chǔ)。

針對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，國內(nèi)外學(xué)者已展開了一系列研究。如Currie等[11]對采用的瞄準(zhǔn)器和尺子監(jiān)測風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)位移的方法進(jìn)行了革新，提出使用多個(gè)位移傳感器集成在簡單的SHM系統(tǒng)中，用來連續(xù)監(jiān)測基礎(chǔ)環(huán)的豎向位移，通過監(jiān)測的實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)合風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)真實(shí)的損傷狀態(tài)，將風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)的動(dòng)態(tài)偏移量分為三個(gè)階段進(jìn)行預(yù)警。王騰洋等[12]將各種偏移量限值轉(zhuǎn)化為偏移角度限值進(jìn)行闡述，并提出了運(yùn)行風(fēng)機(jī)的最大安全偏移角度限值。現(xiàn)有對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)動(dòng)態(tài)偏移的監(jiān)測手段都有賴于在基礎(chǔ)環(huán)環(huán)周布置較多的傳感器，但過多的傳感器布置會導(dǎo)致運(yùn)維成本的增加和長期可靠性的降低。

針對以上問題，本文通過對某風(fēng)場風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)環(huán)實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測，分析基礎(chǔ)環(huán)在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中的偏移特征，探討基礎(chǔ)環(huán)在機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下剛性假定的適用性，以及基礎(chǔ)環(huán)動(dòng)態(tài)偏移角的主要影響因素，為傳感器的精簡和優(yōu)化布置提供研究基礎(chǔ)。

1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測

1.1 工程概況

試驗(yàn)以湖南某風(fēng)場P1號2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究對象，風(fēng)機(jī)基本參數(shù)為：風(fēng)輪直徑96 m，輪轂高度80 m，切入風(fēng)速3 m/s，額定風(fēng)速10.5 m/s，切出風(fēng)速25 m/s。P1號風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)為基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，通過基礎(chǔ)環(huán)與塔筒連接，基礎(chǔ)環(huán)和塔筒直徑為4.4 m，基礎(chǔ)環(huán)埋深2.0 m，基礎(chǔ)混凝土上部臺柱直徑為8.0 m，實(shí)測的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)具體尺寸如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)具體尺寸(單位：mm)

該風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土抗壓強(qiáng)度推定值為37.4 MPa，塔筒外部混凝土存在徑向裂縫，最大裂縫寬度為1.5 mm，混凝土裂縫寬度不滿足NB/T 10311—2019《陸上風(fēng)電場工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]要求，基礎(chǔ)環(huán)靜態(tài)水平度為1.9 mm，滿足規(guī)范GB/T 19568—2017《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝配和安裝規(guī)范》[14]要求。

1.2 測點(diǎn)布置

風(fēng)機(jī)靜止時(shí)，基礎(chǔ)環(huán)相對于大地水平面存在靜態(tài)偏移，風(fēng)機(jī)運(yùn)行后，基礎(chǔ)環(huán)在外部激勵(lì)下產(chǎn)生動(dòng)態(tài)偏移，基礎(chǔ)環(huán)上某一點(diǎn)在某時(shí)刻相對其靜止時(shí)刻的垂直位移變化量稱為該點(diǎn)在此時(shí)刻的動(dòng)態(tài)位移量Z。在基礎(chǔ)環(huán)待測點(diǎn)安裝位移傳感器，傳感器測得的該點(diǎn)相對于混凝土的垂直距離的變化即為該點(diǎn)的動(dòng)態(tài)位移，如圖2所示。

圖2 基礎(chǔ)環(huán)的動(dòng)態(tài)位移

基礎(chǔ)環(huán)的艙門中心線位置設(shè)為1號軸線，按逆時(shí)針方向沿基礎(chǔ)環(huán)環(huán)向均分形成16個(gè)軸線位，分別命名為1～16號軸線，然后在對應(yīng)軸線處設(shè)置測點(diǎn)，如圖3所示。分別在2、4、6、8、10、12、14、16軸線處布置a、b、c、d、e、f、g、h號位移監(jiān)測裝置。在基礎(chǔ)環(huán)上法蘭，放置L形金屬接收端，在塔筒內(nèi)部混凝土地面放置位移傳感器，塔筒內(nèi)部位移監(jiān)測裝置簡化模型如圖4所示。

圖3 風(fēng)機(jī)監(jiān)測測點(diǎn)布置

圖4 位移監(jiān)測裝置簡化模型

1.3 采集規(guī)則

本試驗(yàn)采用一種非接觸式電感位移傳感器，在每一個(gè)傳感器處理模塊加裝計(jì)時(shí)裝置，采集頻率為1 Hz，通過8個(gè)傳感器連續(xù)同步采集7 d。傳感器的量程為5 mm，工作溫度在-20～+80 ℃，靈敏度高且不受油脂等介質(zhì)干擾，適用于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的監(jiān)測。

2 監(jiān)測結(jié)果與分析

2.1 監(jiān)測結(jié)果

2.1.1 SCADA數(shù)據(jù)

本文通過對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行7 d的動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測成果，采用編程軟件對動(dòng)態(tài)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取出若干時(shí)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，探討基礎(chǔ)環(huán)在正常運(yùn)行階段的運(yùn)動(dòng)形式。

圖5為P1號風(fēng)機(jī)的輪轂轉(zhuǎn)速時(shí)程。從圖5可見，在2 900～6 800 s時(shí)段內(nèi)，輪轂轉(zhuǎn)速為中轉(zhuǎn)速(8～11.5 r/min)；在6 800～8 280 s時(shí)段內(nèi)，輪轂轉(zhuǎn)速從中轉(zhuǎn)速增加至高轉(zhuǎn)速(15～16 r/min)；在8 280～15 600 s時(shí)段內(nèi)，輪轂轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定在高轉(zhuǎn)速。

圖5 輪轂轉(zhuǎn)速時(shí)程

圖6為P1號風(fēng)機(jī)的風(fēng)速時(shí)程。從圖6可見，在6 600～8 200 s時(shí)段內(nèi)，風(fēng)速呈線性增長；在8 200～15 800 s時(shí)段內(nèi)，風(fēng)速主要集中于7～9 m/s區(qū)間。

圖6 風(fēng)速時(shí)程

圖7為P1號風(fēng)機(jī)的風(fēng)向絕對值時(shí)程。從圖7可見，在2 500～17 200 s時(shí)段內(nèi)，風(fēng)向絕對值基本穩(wěn)定在150°，即在高轉(zhuǎn)速和高風(fēng)速時(shí)段風(fēng)向絕對值基本穩(wěn)定。圖8為P1號風(fēng)機(jī)近一年風(fēng)向頻率分布，該圖為剔除風(fēng)速小于3 m/s時(shí)的風(fēng)向絕對值。從圖8可知，P1號風(fēng)機(jī)風(fēng)向在統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)第11和12區(qū)的風(fēng)向頻率合計(jì)為49.89%，第11和12區(qū)為P1號風(fēng)機(jī)的盛行風(fēng)向。

圖7 風(fēng)向絕對值時(shí)程

圖8 風(fēng)向頻率分布

2.1.2 位移監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖9為2-10軸、4-12軸、6-14軸和8-16軸測點(diǎn)的動(dòng)態(tài)位移時(shí)程。從圖9可見，動(dòng)態(tài)位移量的變化趨勢與輪轂轉(zhuǎn)速有一致性。在低轉(zhuǎn)速時(shí)段內(nèi)，基礎(chǔ)環(huán)的動(dòng)態(tài)位移小；在高轉(zhuǎn)速時(shí)段內(nèi)，基礎(chǔ)環(huán)的動(dòng)態(tài)位移大。這說明基礎(chǔ)環(huán)的振動(dòng)與輪轂轉(zhuǎn)速有正相關(guān)關(guān)系。

2.2 基礎(chǔ)環(huán)動(dòng)態(tài)特征分析

2.2.1 基礎(chǔ)環(huán)剛性假定的討論

從圖9可知，同一直徑上兩個(gè)測點(diǎn)的動(dòng)態(tài)位移呈反對稱分布，這表明風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中基礎(chǔ)環(huán)在

圖9 測點(diǎn)動(dòng)態(tài)位移時(shí)程

混凝土中的運(yùn)動(dòng)類似于剛體運(yùn)動(dòng)。為進(jìn)一步論證基礎(chǔ)環(huán)的剛體假設(shè)，采用3種方式(見圖10)計(jì)算基礎(chǔ)環(huán)的動(dòng)態(tài)偏移并進(jìn)行比較。在主風(fēng)向位置分別選取b，e，g測點(diǎn)和a，c，f測點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過3點(diǎn)確定平面的方式確定出t時(shí)刻最大偏移軸所在位置，并計(jì)算出該軸兩端點(diǎn)動(dòng)態(tài)位移量絕對值之和，即t時(shí)刻基礎(chǔ)環(huán)的動(dòng)態(tài)偏移量；第3種方式是分別計(jì)算a-e軸、b-f軸、c-g軸、d-h軸兩端點(diǎn)在t時(shí)刻動(dòng)態(tài)位移量絕對值之和，取其中的最大值作為t時(shí)刻計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析。

圖10 動(dòng)態(tài)偏移量的3種計(jì)算方式

3種方式計(jì)算獲得的最大動(dòng)態(tài)偏移量比較如圖11所示。從圖11可見，在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)，3種方式獲得的最大動(dòng)態(tài)偏移量時(shí)程基本一致，其中第1種計(jì)算所得數(shù)據(jù)基本小于第2和第3種方式所得數(shù)據(jù)點(diǎn)，這是因?yàn)樽畲髣?dòng)態(tài)偏移位置一般不會在所取的4條直徑處，故4條直徑處相對高差的最大值定會略小于或等于動(dòng)態(tài)偏移量。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行階段，基礎(chǔ)環(huán)相對于混凝土基礎(chǔ)發(fā)生剛體運(yùn)動(dòng)。

圖11 3種方式計(jì)算獲得的動(dòng)態(tài)偏移量的比較

2.2.2 基礎(chǔ)環(huán)動(dòng)態(tài)偏移方向的討論

基礎(chǔ)環(huán)在t時(shí)刻的最大偏移軸與艙門位置形成的夾角稱為t時(shí)刻基礎(chǔ)環(huán)的動(dòng)態(tài)偏移角(由艙門逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至最大偏移軸)。選取風(fēng)速大于8 m/s時(shí)刻的基礎(chǔ)環(huán)動(dòng)態(tài)偏移角和風(fēng)向絕對值，分別以基礎(chǔ)分區(qū)和百分率為橫縱坐標(biāo)，對比分析動(dòng)態(tài)偏移角與風(fēng)向

絕對值在基礎(chǔ)分區(qū)的頻率分布(見圖12)。

圖12 動(dòng)態(tài)偏移角和風(fēng)向絕對值頻率分布對比

由圖12可知，11月2日～4日動(dòng)態(tài)偏移角與風(fēng)向絕對值均相對集中分布，11月5日動(dòng)態(tài)偏移角與風(fēng)向絕對值分布相對分散，隨著風(fēng)向絕對值變化幅度的不斷增加，動(dòng)態(tài)偏移角的分布逐漸分散，故動(dòng)態(tài)偏移方向與風(fēng)向絕對值有一致性。

3 結(jié) 論

基于某一基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過論證分析得出結(jié)論如下：

(1)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行階段，基礎(chǔ)環(huán)同一直徑上兩個(gè)點(diǎn)的垂直位移變化呈反對稱分布，基礎(chǔ)環(huán)相對于混凝土發(fā)生的運(yùn)動(dòng)可近似為剛體運(yùn)動(dòng)。

(2)基礎(chǔ)環(huán)的動(dòng)態(tài)偏移大小與輪轂轉(zhuǎn)速正相關(guān)，動(dòng)態(tài)偏移方向與風(fēng)向有一致性。