海上風電機組塔筒安全狀態評估方法研究及應用

葛中原，許 明，單程程，馮 為

(如東和風海上風力發電有限公司，南通 226400)

0 引言

塔筒作為風電機組的承力部件，其可靠性關系到風電機組的安全運行。近年來，中國風電機組倒塔事故屢見不鮮，例如：2008年吉林省某風電場的某臺風電機組運行3年就發生了倒塔事故；2010年，某風電場的風電機組塔筒因螺栓未及時緊固而被大風吹倒；2014年，甘肅省某風電場的風電機組服役未滿1年就突然倒塌[1-3]。通過分析上述風電機組倒塔事故可知，大部分倒塔安全事故是由于塔筒螺栓松動引起的。塔筒螺栓松動原因主要包括以下幾個方面[4]：1)塔筒在安裝時螺栓沒有按照技術要求及時緊固到位；2)風電機組運行過程中振動較大，長時間工作后引起塔筒螺栓松動；3)螺栓自身材料質量不合格，在風電機組振動下螺桿逐步被破壞導致螺栓松動。

近年來，針對海上風電機組基礎與塔架的研究主要集中在結構疲勞和強度等方面，例如：譚剛等[5]對海上風電機組基礎結構的疲勞及其可靠性的研究現狀進行了總結分析；馬永亮等[6]提出了一種風浪聯合作用下海上風電機組塔架的疲勞評估方法；沈賢達等[7]提出了一種基于風險評價的海上風電機組基礎安全性評價方法。另外還有學者通過檢測塔筒的數據，比如：垂直度、位移、撓度、應力、自振特性等，對塔筒剛度狀態進行評估。現有監測方案大多是通過單一的數值和時域趨勢(比如：傾角、撓度、自振頻率)反映塔筒的安全狀態特征(即剛度狀態)，但由于沒有符合所有實際海上風電機組塔筒結構特征的參考標準，導致監測成果與實際對塔筒剛度狀態的評估要求之間尚有較大差距。

本文從塔筒的結構剛度狀態角度來評估塔筒的安全狀態，通過對海上風電機組塔筒實施動態傾斜監測，結合塔筒初始剛度狀態信息，提出通過塔筒(包括基礎)靜態剛度圓和最大動態剛度圓分析方法來評估海上風電機組塔筒剛度狀態，為海上風電機組塔筒安全狀態評估提供一種直接、有效的研究路徑。

1 現有評估理論和評估方法

塔筒是整個風電機組的承重部件，吸收風電機組振動，承受風荷載、彎矩和扭矩負荷等復雜多變的荷載，并且在風電機組運行過程中，塔筒會出現一定幅度的搖擺和扭曲等變形；同時，塔筒還受到惡劣的海洋環境因素(比如：鹽霧腐蝕、海浪荷載、海冰沖撞、臺風等)影響，使塔筒更加容易發生傾斜，造成塔筒結構剛度發生變化、零部件失效、基礎加速沉降等。

根據海上風電機組的結構特征，把風電機組的樁和塔筒近似作為一個懸臂梁結構分析，海上風電機組荷載示意圖如圖1所示。圖中：P1為風荷載；P2為波浪荷載；P3為流荷載；G為重力。

圖1 海上風電機組荷載示意圖Fig.1 Load diagram of offshore wind turbine

現有海上風電機組的工程測量均通過撓曲線方程獲得塔筒任意高度截面的撓度(位移)和轉角θ(傾角)，結合GB/T 20319—2017《風力發電機組 驗收規范》中的傾斜率經驗值來評估塔筒的工作狀態。

撓曲線方程如式(1)～式(3)所示，具體為：

或

式中：M為彎矩；EI為塔筒抗彎剛度。

其中：

式中：p為作用在塔筒上的外力；h為塔筒高度。

然而，由于各廠家不同機型風電機組塔筒的高度、壁厚均不同，導致不同類型的塔筒的剛度也不相同，使用固定的傾斜率作為塔筒工作狀態的評價標準，不能精準得到塔筒的實際剛度狀態，比如：塔筒法蘭螺栓連接是否松動、塔筒結構是否有損傷等。

2 基于剛度圓分析技術的塔筒剛度狀態評估方法

風電機組的工作狀態主要包括待機條件下的靜止狀態(即靜態)和發電條件下的晃動狀態(即動態)。在待機條件下的靜止狀態時，風電機組塔筒主要會受機艙和葉片重力影響而產生彎曲傾斜；在發電條件下的晃動狀態時，風電機組塔筒出現彎曲變形的外力主要來自于風荷載，其與風速和漿葉的槳距角有關。在漿葉迎風面積不變的條件下，風速越大，作用在葉片上的推力越大，塔筒彎曲變形的撓度也越大。根據以上特點，結合塔筒為一等剛度懸臂梁結構，本文進行了塔筒的靜態、動態剛度圓的分析研究。

2.1 塔筒剛度圓的基本原理

2.1.1 塔筒的靜態剛度圓

風電機組吊裝完成后，由于機艙、葉片的重心與塔筒的中心線不重合，風電機組受自身重力影響偏向輪轂側，機艙和葉片的重力使塔筒受到一個固定的彎矩，塔筒向葉片方向發生彎曲傾斜。此時通過偏航，可以獲得風電機組塔筒和基礎在各方向的動態傾角，由于塔筒和基礎沿圓周各向剛度相等，因此塔筒在圓周各方向傾角的大小也相等。將不同偏航位置的靜態傾斜數據進行擬合，可以獲得一個閉合的圓形，即塔筒的靜態剛度圓，如圖2所示。

圖2 塔筒的靜態剛度圓示意圖Fig.2 Schematic diagram of static stiffness circle of tower

2.1.2 塔筒的動態剛度圓

風電機組運行時，在迎風角不變的情況下，隨著風速( 指輪轂中心高度的風速) 的增大，作用在塔筒頂部的軸向推力就越大，塔筒的撓曲變形也就越大。當風速達到并超過額定風速時，風電機組葉片的槳距角開始逐漸變大；隨著槳距角變大，葉片的迎風面積迅速變小，使得風荷載作用在塔筒頂端的軸向推力逐漸降低。因此，在額定風速下的風電機組塔筒頂端所受到的軸向推力最大，此時可以測得塔筒的最大彎曲變形，即最大傾斜角度。在不同風向上，風電機組達到滿功率運行時，必然在該方向上經過塔筒的最大彎曲變形點。風電機組運行時的輸出功率、槳距角與輪轂風速之間的關系如圖3所示。由于塔筒和基礎沿圓周各向剛度相等，可獲得不同風向下塔筒頂部的動態傾斜數據，從而擬合出這些動態傾斜數據的最大外接圓，即為塔筒的最大動態剛度圓，如圖4所示。

圖3 風電機組運行時的輸出功率、槳距角與輪轂風速之間的關系Fig.3 Relationship between output power，pitch angle and hub wind speed during operation of wind turbine

圖4 塔筒荷載及最大動態剛度圓示意圖Fig.4 Schematic diagram of load and maximum dynamic stiffness circle of tower

2.2 基于剛度圓技術的塔筒剛度狀態評估

根據上述原理，在風速小于3 m/s 時，偏航360°獲取塔筒和基礎的極坐標圓，作為塔筒的初始靜態剛度圓樣本數據。在風電機組投運初期累積3個風向的滿功率運行數據后，對塔筒和基礎的動態傾斜數據進行擬合，得出該風電機組的初始最大動態極坐標圓，作為塔筒的最大動態剛度圓樣本數據。同樣可通過相同的方式，擬合塔筒和基礎不同時段的靜態剛度圓和最大動態剛度圓，通過與初始的靜態剛度圓和最大動態剛度圓

的圓心位置、半徑、數據累積形態進行對比分析，可得出風電機組塔筒剛度狀態的變化情況。根據研究和現場實際應用，可得出以下3 類結論。

1)若當前剛度圓的圓心偏離初始剛度圓的圓心，可判定為以下情況中的至少1 種：

①塔筒出現變形，則當前剛度圓圓心與初始剛度圓圓心的矢量差為變形的程度；

②基礎出現不均勻沉降。

2)若當前剛度圓的半徑比初始剛度圓的半徑大，可判定為以下情況中的至少1 種：

①基礎松動、不牢固；

②塔筒剛度變弱。

3)當前剛度圓在某個圓弧邊外圍有較多個數據點偏離圓弧時，可判斷塔筒360°剛度不均勻，螺栓松動或塔筒有裂紋等缺陷的方向的剛度較弱，這是由于塔筒法蘭螺栓固定松動或塔筒有傷痕、裂紋造成的。

風電機組運行過程中，最大動態剛度圓為塔筒實際晃動的邊界曲線，正常工作的風電機組塔筒的晃動不能超出此邊界曲線，若塔筒的晃動超出了該邊界曲線，則表明風電機組和塔筒出現了異常狀況。

最大動態剛度圓的直徑與塔筒和單樁的剛度成反比關系，最大動態剛度圓的直徑越大，說明塔筒和單樁的剛度越小；反之，最大動態剛度圓的直徑越小，則塔筒和單樁的剛度越大。對最大動態剛度圓的直徑和圓心的變化進行分析，可發現可能存在的塔筒屈曲變形、焊縫開裂、螺栓松動及斷裂、基礎松動等故障隱患。

3 工程應用實例

本評估方法目前已成功在國家電力投資集團有限公司的濱海南H3#海上風電項目(下文簡稱為“國家電投濱海南H3#海上風電項目”)中應用。選擇風電場中若干臺風電機組為應用對象，在風電機組上布置塔筒動態傾斜監測系統，進行實時數據測量。

3.1 塔筒動態傾斜監測系統的組成

在風電機組的偏航法蘭下端和承樁式基礎頂法蘭處各布置1 只高精度復合雙軸動態傾角傳感器(具備良好的動態和靜態性能)，用于分別采集風電機組塔筒和基礎實時的傾斜數據，如圖5所示。數據通過電纜以RS485 通信方式傳輸至采集器，利用風電場預設的海底光纖環網通過核心交換機傳輸至后臺數據服務器中，實現場內監測。數據服務器對上傳的數據進行實時分析、處理和存儲，并通過剛度圓圖譜分析、預警塔筒的剛度變化情況。塔筒動態傾斜監測系統的組成示意圖如圖6所示。

圖5 高精度復合雙軸動態傾角傳感器的實物圖及安裝圖Fig.5 Physical photo and installation photo of high-precision composite dual-axis dynamic inclination sensor

圖6 塔筒動態傾斜監測系統的組成示意圖Fig.6 Schematic diagram of composition of tower dynamic tilt monitoring system

3.2 應用情況

在國家電投濱海南H3#海上風電項目(單樁基礎)的風電機組上安裝了塔筒動態傾斜監測系統，風電機組投運初期，在風速小于2 m/s 的氣象條件下進行了偏航實驗，通過對塔頂的高精度復合雙軸動態傾角傳感器所采集到的塔筒傾斜數據進行擬合，得出了塔筒傾斜數據的坐標形態近似為圓，驗證了靜態剛度圓理論的正確性。將此圓標計入數據庫，并標定為該風電機組塔筒的初始靜態剛度圓樣本數據。

塔筒動態傾斜監測系統根據風電機組偏航期間的實時傾斜數據擬合得到的塔筒靜態剛度圓如圖7所示。圖中：藍色圈為塔筒靜態剛度圓，綠色點為風電機組偏航期間的實時傾斜數據。

圖7 塔筒初始靜態剛度圓分析圖Fig.7 Analysis diagram of initial static stiffness circle of tower

通過計算圓形和坐標原點的距離，可以得出塔筒實際的變形偏移量為537 mm，受機艙和葉片重力的影響，所產生的傾斜量為0.1705°。

而在風電機組運行數月后，通過塔筒羅盤數據累積圖，提取了風電機組自由偏航的傾斜數據，并與塔筒初始靜態剛度圓進行比對，兩者吻合，說明塔筒剛度狀態未發生變化。塔筒羅盤數據累積圖與塔筒初始靜態剛度圓的對比圖如圖8所示，圖中：紅色圈為塔筒的初始靜態剛度圓，綠色點為風電機組自由偏航的傾斜數據。

圖8 塔筒羅盤數據累積圖與塔筒初始靜態剛度圓的對比圖Fig.8 Comparison between tower compass data accumulation diagram and tower initial static stiffness circle

在風電機組正常運行一段時間后，通過塔筒動態傾斜監測系統所積累的歷史傾斜數據，進行了塔筒最大動態剛度圓的繪制，如圖9所示。圖中：藍色圈為塔筒最大動態剛度圓，綠色點為歷史傾斜數據。

圖9 塔筒最大動態剛度圓分析圖Fig.9 Analysis diagram of maximum dynamic stiffness circle of tower

塔筒動態傾斜監測系統基于風電機組塔頂測量點的歷史數據繪制的塔筒初始最大動態剛度圓，最大動態剛度圓半徑為537.9 mm，代表了運行期間塔頂的最大晃動位移值。

塔筒最大動態剛度圓即為風電機組運行時塔筒晃動的最大邊界線，可作為塔筒傾斜晃動的邊界報警值。后期在風電機組運行過程中，塔筒的晃動不能超出此邊界線。若風電機組塔筒晃動超出了這一邊界線，則說明塔筒和單樁的剛度變小了，提示塔筒可能存在連接螺栓松動、斷裂，焊縫開裂等故障隱患。塔筒羅盤數據累積剛度圓預警圖如圖10所示。

圖10 塔筒羅盤數據累積剛度圓預警圖Fig.10 Early warning diagram of tower compass data cumulative stiffness circle

4 結論

本文通過對海上風電機組塔筒實施動態傾斜監測，結合塔筒初始剛度狀態信息，提出了通過塔筒(包括基礎)動態、靜態剛度圓分析技術來評估海上風電機組塔筒剛度狀態的評估方法，并進行了實例驗證。該評估方法的優點主要體現在以下幾個方面：

1)通過動態傾斜監測系統采集風電機組運行過程中塔筒的結構參數(撓度、傾斜角度)，結合剛度圓分析技術，對塔筒剛度狀態進行評估，具有較高的精度和穩定性，評估效果好；

2)通過利用風電機組安裝完畢后的初始狀態，獲取塔筒初始狀態下的靜態剛度圓和最大動態剛度圓作為樣本數據，為后期風電機組運行過程中塔筒剛度狀態提供對比依據，相較于單一以GB/T 20319—2017 中的傾斜率來評估塔筒剛度狀態更加準確；

3)由于塔筒具備初始傾斜和偏載的特性，以極坐標羅盤數據累積圖的方式對塔筒剛度狀態進行預警，與單一設定報警值相比更符合風電機組的結構特點，實用性更強。