基于納米級傳感器的塔筒壽命預測方法

胡國清 王亞超 張磊 陳樹橋 陳戈 王旭東

（蒙東協合開魯風力發電有限公司）

0 引言

實現2030年前碳達峰、2060年前碳中和（簡稱“雙碳”目標）是黨中央經過深思熟慮做出的重大戰略部署，也是有世界意義的應對氣候變化的莊嚴承諾。實現碳達峰、碳中和，需要對現行社會經濟體系進行一場廣泛而深刻的系統性變革[1]。

風電是實現“雙碳”目標的主力軍，如果未來沒有出現顛覆性的新技術突破，電力系統脫碳將主要依靠風電和光伏發電。同時，由于風電的成本已經與傳統化石能源發電持平甚至更加經濟，并具有進一步降本潛力，風電的大規模應用會降低全社會用能成本，實現更經濟的能源轉型。

風力發電機組塔筒作為風力發電機的重要承載部件，主要用于支撐葉輪和機艙的重力；并且在風力發電機組運行時，需要同時承受葉輪、偏航等旋轉部件引起的振動載荷[2]；并且，由于機組周期性的啟停機、應對突發高危故障的緊急停機、風突變、大湍流強度等，需要求機組塔筒有足夠的抗疲勞強度。

風力發電機組塔架主要有普通的剛塔技術以及高塔技術。隨著風資源開發逐步向低風速區擴展，高塔機技術已經成為國內風電發展趨勢[3]。隨著塔架的增高，由此帶來的塔筒穩定性及壽命問題也更加突出。

1 技術說明

1.1 概述

本方案為了實現塔筒壽命的評估，使用一種納米級精度傳感器測量塔筒截面位置的應變，通過應變計算彎矩，從而進行塔筒疲勞損傷的評定及壽命的預估。

基于納米級傳感器的塔筒載荷壽命預測方法包含以下幾個方面：①將應變傳感器貼于塔筒測量位置，實現指定塔筒位置應變信號的采集。②對應變信號進行標定，獲取應變與載荷的對應關系。③進行實測載荷與Blade仿真載荷的對比，確定載荷測量的有效性。④根據非線性疲勞損傷評估方法，開發壽命預估模型，實現塔架疲勞壽命的預測功能。

1.2 應變測量傳感器原理

本方案應變的測量使用納米級傳感器進行測量，其原理如圖1所示。傳感器采用高分辨率反射式光電原理來測量一定距離內產品的高精度應變量：產品利用高可靠性的藍光LED發光管不間斷發射光束，通過對高密度細分器反射的正余弦光信號進行采集，轉換為電信號的變化，經過產品內部信號的處理，最終輸出產品測量的應變量。該傳感器測量應變精度為0.0625με，量程50000με，是行業中分辨率極高、量程范圍寬的一款產品，可滿足各種惡劣環境長期使用。

1.3 塔筒應變測量方案

塔筒應變測量布置方案如圖2、圖3所示。應變傳感器總共安裝5個截面，每個截面安裝4個應變傳感器，安裝于同一水平面上，間隔90°安裝。測量塔筒每個截面Mx、My方向載荷。高度上5層應變傳感器分別布置于塔筒近似等間距的五個截面上，實施位置可根據現場實際情況進行上下調節，保證便于現場實施安裝。

圖2 塔筒應變測量布置方位圖

1.4 塔筒載荷標定

應變傳感器粘貼完成后，由于受粘貼因素，傳感器本身靈敏度因素的影響，一般需要對傳感器進行標定。

由材料力學的知識可知，應變與彎矩之間的關系如式（1）所示，其中E為材料的彈性模量，Wb為被測截面的抗彎截面系數，與截面尺寸有關，可通過塔筒應變傳感器貼片位置處的內徑計算得到。

式中，ε為實際產生的應變值，應為傳感器測量εc的減去初始應變值εo，再乘上實際靈敏度系數k，因此，式（1）可轉化為式（2）：

因此，對于應變傳感器的標定是對初始應變值及靈敏度系數。標定方法是通過機頭的懸吊彎矩進行標定。機組在小風偏航過程中的最大值和最小值的絕對值應基本相等，并且接近機頭的懸吊彎矩。懸吊彎矩由機組的設計參數計算得到，由機頭重量及機頭重心與塔筒中間的距離，也就是懸吊彎矩的力臂。標定時，要求機組在小風（風速＜5m/s）條件下，做連續偏航動作，獲取偏航過程中的應變數據。根據多組偏航數據，標定得出每個傳感器靈敏度系數k及初始應變值。

1.5 疲勞累積損傷理論

1.5.1 線性疲勞累積損傷理論

在循環的載荷作用下，設備由于疲勞引起的損傷是線性的方式累加的，如果損傷到達設備的臨界閾值時，部件就會出現疲勞損壞[4]。其中，最典型和工程應用最廣泛的線性累積理論是Palmgren-Miner理論，簡稱Miner理論。

Miner根據材料損傷時吸收凈功，假設在某一應力水平下σ1，發生疲勞斷裂時材料吸收的凈功是W，發生部分損傷N=n1時吸收的凈功為W1，則有Wi/W=ni/N。對其他應力水平σi，i=1,2,…,n，也有Wi/W=ni/N，i=1,2,…,k。經過k次改變應力幅，材料發生疲勞破壞時，存在W=W1+W2+…+Wk，從而可得出Miner線性累積損傷理論的基本方程[5]如式（3）所示。

式中，ni、N1分別為應力水平σ1時對應的循環次數、疲勞壽命。

Miner線纜累積損傷理論的損傷計數原理和失效判據如下：

1）某一水平的載荷所造成的疲勞損傷如式(4)所示:

式中，D為風機結構的疲勞損傷，無量綱量；N為風機結構在相應載荷下的循環次數。

2）當部件受到n個變幅載荷的作用時，損傷計數原理為：

3）構建失效的臨界判據為：

由上述推導過程可知，線性Miner疲勞損傷累積理論未能考慮到加載次序對構件疲勞壽命的影響，導致依據該理論估算的壽命損耗結果偏大。因此，不少學者對Miner理論進行了修正，修正后如式（7）所示：

式中，a的值通過實驗確定，一些疲勞試驗中給出平均值是0.68。

1.5.2 雨流計數法

在疲勞設計和疲勞試驗中使用最為廣泛的一種計數方法是雨流計數法，簡稱雨流法，又叫“塔頂法”。其計數原理如圖4所示。將應力的軌跡看作一滴雨滴從時間軸往下流動，根據雨滴的軌跡線來確定載荷循環次數[6]。

圖4 雨流計數法示意圖

雨流法計數規則為：

1）雨流的起點依次在每個峰值（谷值）的內側，即屋頂；

2）雨流在下一個峰值（谷值）處落下，直到對面的峰值（谷值）比開始時更大（更小）為止；

3）當雨流遇到上面屋頂流下的雨流時，就停止；

4）取出所有的全循環，并記下各自的幅值；

5）按正負斜率取出所有的半循環，并記下各自的幅值；

6）把取出的半循環按雨流法第二階段計數法則處理并計數。

計算過程包括以下幾步：

1）查找應力變化過程通過旋轉點的辨識來確定連續的波峰和波谷；

2）連續的波峰和波谷再重新排列使序列儀應力變化過程的最高峰開始；

3）審視波峰和波谷的序列以確定雨流周波；

4）記錄每一個雨流周波的平均值與范圍；

5）雨流周波的計算根據周波平均值與范圍來分級。

1.6 壽命預估模型的簡歷

根據疲勞損傷理論進行壽命預估模型的開發，流程如圖5所示。將塔架截面分成24個扇區，并將各截面的Mx、My載荷投影到各個扇區上。經雨流統計，得到每個扇區上彎矩載荷的平均值、波動幅值、循環次數。根據非線性疲勞損傷準則，計算不同高度截面的螺栓、焊縫、門洞疲勞損傷，并累加。用1相減，得到剩余疲勞損傷，除以每年的理論損傷，即可得到剩余疲勞壽命，如圖5所示。

圖5 剩余壽命預估方法

2 案例研究

2.1 測試部署

本文提出的基于納米級傳感器的塔筒載荷壽命預測技術在某風場130-2500機組進行測試，塔筒高度118m。應變傳感器分別粘貼于塔筒102m截面、70m截面位置、45m截面位置、23m截面位置、1m截面位置，每個截面安裝4個應變傳感器，間隔90°進行安裝。傳感器數據集中到采集器中，采集器同時采集風機運行工況數據，用作壽命預測模型的建立。

2.2 測試結果

對現場實測載荷數據與仿真載荷進行對比，五個截面對接結果分別如圖6~圖10所示。

從圖6~圖10可以看出，塔架載荷測量的準確度較高，該測量載荷對于疲勞壽命的預測也就更加準確。

圖6 1m高度塔筒彎矩對比

圖7 23m高度塔筒彎矩對比

圖8 45m高度塔筒彎矩對比

圖9 70m高度塔筒彎矩對比

圖10 102m高度塔筒彎矩對比

3 結束語

本文提出一種基于納米級傳感器對風電機組塔架壽命進行預測的方法。該技術利用納米級傳感器測量塔筒不同截面的應變，通過標定后，將應變轉換為塔筒各個截面的載荷Mx、My。將各截面的Mx、My載荷投影到各個扇區上，并應用Miner理論，進行疲勞損傷的預測，由此實現塔筒剩余壽命的預測。本文使用實測載荷數據與仿真載荷進行對比分析，表明了該載荷測量的準確性。因此，也表明了壽命預測系統的準確性。

本文所提供的方案能夠對塔筒載荷進行準確測量，并根據塔筒載荷進行塔筒疲勞壽命預測，對塔筒部件的全生命周期運行服務提供重要的數據及狀態支撐，具有重要的工程意義和市場推廣應用價值。