風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沉降監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用研究

紀(jì)琨，余榮祖，毛璐明，韓彥寶

（1.北京木聯(lián)能軟件技術(shù)有限公司，西安 710065；2.陜西省電力公司規(guī)劃評審中心，陜西西安 710065）

近年來，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展。“十一五”期間風(fēng)電裝機(jī)容量連續(xù)5年翻番，我國成為全球的風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模第一大國。同時，風(fēng)電企業(yè)、風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)迅速成長，配套電網(wǎng)建設(shè)逐步加強(qiáng)，風(fēng)電場整體運(yùn)行態(tài)勢良好。但風(fēng)電場安全運(yùn)行管理工作仍是重中之重。在風(fēng)電場運(yùn)營過程中，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沉降狀況直接關(guān)系到風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中的安全性。地層不均勻、設(shè)計方案不合理、施工工藝不當(dāng)?shù)纫蛩囟紩斐山ㄖ锂a(chǎn)生不均勻沉降或沉降過大[1]。本文提出的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沉降監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合了微電子機(jī)械式測斜儀對風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)沉降進(jìn)行實時監(jiān)測，出現(xiàn)異常情況后，發(fā)出報警信號并啟動加密監(jiān)測程序，為風(fēng)電場管理人員處理影響風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行的危險信息提供足夠的時間，從而能夠有效提高風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量，同時提高了風(fēng)電場年發(fā)電量和辦公信息自動化水平，加強(qiáng)了風(fēng)電場安全運(yùn)行管理水平。

1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沉降監(jiān)測系統(tǒng)分析

風(fēng)機(jī)對基礎(chǔ)不均勻沉降有較強(qiáng)的敏感性，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沉降監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)，能及時反饋風(fēng)機(jī)本身因基礎(chǔ)不均勻沉降而產(chǎn)生的偏移情況，有效預(yù)防了出現(xiàn)不均勻沉降對風(fēng)電機(jī)組安全生產(chǎn)運(yùn)行造成的危害。同時，避免因不均勻沉降原因造成風(fēng)機(jī)主體結(jié)構(gòu)的破壞或產(chǎn)生影響風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行而造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失，從而保證風(fēng)機(jī)的正常使用和安全性，并為以后的勘察設(shè)計施工提供可靠的資料及相應(yīng)的不均勻沉降信息。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計及工作原理

CFD風(fēng)力發(fā)電工程——塔筒基礎(chǔ)沉降安全監(jiān)測系統(tǒng)是一個集數(shù)據(jù)采集與處理、信息存儲與輸出、狀態(tài)報警功能為一體的多任務(wù)處理系統(tǒng)，可同時打開多個模塊，后臺定時采集數(shù)據(jù)，定時計算數(shù)據(jù)結(jié)果。系統(tǒng)充分利用傳感器檢測，信號處理，計算機(jī)技術(shù)，數(shù)據(jù)通訊技術(shù)和風(fēng)機(jī)的有關(guān)技術(shù)，對風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中進(jìn)行實時監(jiān)控及沉降故障報警。它由上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件、采集設(shè)備、傳感器等組成。系統(tǒng)具有測點、儀器、公式管理，實時采集及手動采集數(shù)據(jù)、成果計算、過程線、布置圖、報警顯示查詢、報警閥值設(shè)定、用戶管理、日志查詢、在線聯(lián)機(jī)幫助等豐富功能。由監(jiān)測軟件發(fā)出數(shù)據(jù)采集信號，信號通過串口服務(wù)器到達(dá)數(shù)據(jù)采集器，然后，數(shù)據(jù)采集模塊將從傳感器收集到的監(jiān)測參數(shù)，通過串口服務(wù)器TCP/IP協(xié)議及光纜遠(yuǎn)程傳輸?shù)缴衔粰C(jī)監(jiān)測系統(tǒng)軟件中，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)設(shè)計思路如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計思路Fig.1 System design ideas

整個系統(tǒng)主要由下位機(jī)和上位機(jī)2部分組成，下位機(jī)包括測試記錄儀、微電子機(jī)械式測斜儀，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，是針對監(jiān)測對象的相關(guān)數(shù)據(jù)采集、傳輸功能。上位機(jī)包括數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)風(fēng)機(jī)沉降監(jiān)測的功能，包括各個風(fēng)機(jī)監(jiān)測值的實時顯示、數(shù)據(jù)計算和沉降報警、數(shù)據(jù)查詢等模塊。整個系統(tǒng)軟件采用delphi7.0開發(fā)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)基于SQL Server 2005express。CFD風(fēng)力發(fā)電工程——塔筒基礎(chǔ)沉降安全監(jiān)測系統(tǒng)工作原理如下：測試記錄儀、微電子機(jī)械式測斜儀安裝在風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)部的砼水平地面上，完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集功能；數(shù)據(jù)信號通過TCP/IP協(xié)議及通信光纜遠(yuǎn)程傳輸給上位機(jī)，在上位機(jī)系統(tǒng)軟件中完成數(shù)據(jù)計算及報警診斷等功能。

1）CFD風(fēng)力發(fā)電工程——塔筒基礎(chǔ)沉降安全監(jiān)測系統(tǒng)下位機(jī)。

主要采用的是SC1230B數(shù)據(jù)采集模塊和微電子機(jī)械式測斜儀。微電子機(jī)械式測斜儀基本原理：結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的傾斜變形，通過安裝支架傳遞給傾斜傳感器。傳感器內(nèi)裝有電解液和導(dǎo)電觸點，當(dāng)傳感器發(fā)生傾斜變化時，電解液的液面始終處于水平，但液面相對觸點的部位發(fā)生了改變，也同時引起了輸出電量的改變。傾斜儀隨結(jié)構(gòu)物的傾斜變形量與輸出的電量呈對應(yīng)關(guān)系，以此可得出被測結(jié)構(gòu)物的傾斜角度，同時它的測量值可顯示出以零點為基準(zhǔn)值的傾斜角變化的正負(fù)方向。每個監(jiān)測系統(tǒng)下位機(jī)構(gòu)成見圖2。

圖2 下位機(jī)集成系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.2 Schematic diagram of lower PC integrated system

2）CFD風(fēng)力發(fā)電工程——塔筒基礎(chǔ)沉降安全監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)。

系統(tǒng)監(jiān)測軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時存儲，沉降數(shù)據(jù)診斷、實時監(jiān)視等功能。上位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)置示意圖，如圖3所示。客戶端端軟件系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測參數(shù)獲取、沉降數(shù)據(jù)查詢計算及響應(yīng)程序組成?？蛻舳塑浖饕?fù)責(zé)客戶端請求及響應(yīng)、沉降數(shù)據(jù)查詢計算及報警診斷等功能。

圖3 上位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)置示意圖Fig.3 Schematic diagram of upper PC software system settings

1.2 數(shù)據(jù)采集、報警等

CFD風(fēng)力發(fā)電工程——塔筒基礎(chǔ)沉降安全監(jiān)測系統(tǒng)采用的應(yīng)答模式為：上位機(jī)通過modbus協(xié)議控制SC1230B采集模塊，采集到的數(shù)據(jù)又返回給上位機(jī)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要實現(xiàn)監(jiān)測沉降數(shù)據(jù)的拾取以及監(jiān)測條件參數(shù)（采樣通道選擇、采樣頻率設(shè)定等）的控制。由數(shù)據(jù)采集模塊采集將電壓信號送入串口服務(wù)器，交由軟件做后續(xù)處理。

2 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沉降監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

將CFD風(fēng)力發(fā)電工程——塔筒基礎(chǔ)沉降安全監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用到國內(nèi)某風(fēng)電場建設(shè)項目中，該項目安裝了1 500 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組若干臺，風(fēng)電場場址區(qū)域風(fēng)能資源豐富，地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定，但由于附近采礦活動頻繁，因此為保證風(fēng)電場安全運(yùn)營，每臺風(fēng)電機(jī)組均安裝了該監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)的下位機(jī)安裝在各個風(fēng)電機(jī)組塔筒內(nèi)部，如圖4為風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)部安裝圖。系統(tǒng)的上位機(jī)客戶端軟件需要安裝在業(yè)主單位的計算機(jī)上。系統(tǒng)安裝調(diào)試好以后，即可進(jìn)行風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的不均勻沉降監(jiān)測。

圖4 風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)部安裝圖Fig.4 Installation diagram of the internal fan tower tube

2.1 沉降監(jiān)測系統(tǒng)理論基礎(chǔ)

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)產(chǎn)生沉降主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)澆筑、回填及風(fēng)機(jī)吊裝等方面。一般來說，在不同階段風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的均勻沉降幅度大于不均勻沉降幅度，見圖5均勻沉降與不均勻沉降對比示意圖[1]。

但是，隨著時間的推移，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的均勻沉降和不均勻沉降量都有所增加，見圖6均勻沉降與不均勻沉降隨時間變化示意圖。

均勻性沉降在風(fēng)機(jī)安裝使用過程中變化幅度穩(wěn)定；不均勻性沉降在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)回填及風(fēng)機(jī)吊裝完成當(dāng)天均產(chǎn)生較高的沉降量，且在使用過程中不均勻沉降量不斷增加。而風(fēng)機(jī)本身屬于高聳建筑物（一般1 500 kW容量的風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)輪轂高度在60 m以上），輕微的地基不均勻沉降，會使風(fēng)機(jī)產(chǎn)生較大的水平偏差。同時在機(jī)艙、葉片等荷載作用下，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生較大的偏心彎矩，又使在水平方向上已經(jīng)產(chǎn)生偏差的風(fēng)機(jī)更加傾斜，給風(fēng)機(jī)運(yùn)行帶來了較大的安全隱患[2]。

因此，CFD風(fēng)力發(fā)電工程——塔筒基礎(chǔ)沉降安全監(jiān)測系統(tǒng)主要針對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)不均勻沉降情況進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)產(chǎn)生輕微的不均勻沉降時，風(fēng)機(jī)塔筒連同風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沿水平面產(chǎn)生傾斜，導(dǎo)致塔筒內(nèi)部安裝的傳感器內(nèi)電解液水平面產(chǎn)生變化，采集器收集到由這種變化引起的電壓波動信號通過串口服務(wù)器上傳到客戶端軟件中。通過給定的公式計算出不均勻沉降引起的角度偏移，根據(jù)規(guī)定的角度偏移范圍判定風(fēng)機(jī)塔筒的安全性。

圖5 均勻沉降與不均勻沉降對比示意圖Fig.5 Comparison of even and uneven settlements

圖6 均勻沉降與不均勻沉降隨時間變化示意圖Fig.6 Diagram of changes of even and uneven settlements with time

2.2 系統(tǒng)報警功能應(yīng)用

本文提出的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沉降監(jiān)測系統(tǒng)對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行實時監(jiān)測，出現(xiàn)異常情況后，發(fā)出報警信號并啟動加密監(jiān)測程序，主要體現(xiàn)在系統(tǒng)菜單中的系統(tǒng)參數(shù)功能：當(dāng)所測數(shù)據(jù)計算結(jié)果超出了風(fēng)機(jī)設(shè)計偏移角度范圍時，系統(tǒng)進(jìn)行報警處理，在布置圖上的各個風(fēng)機(jī)標(biāo)識自動閃爍，并可以在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面上，啟動加密觀測程序。見圖7風(fēng)機(jī)布置效果示意圖。

2.3 系統(tǒng)應(yīng)用步驟

CFD風(fēng)力發(fā)電工程——塔筒基礎(chǔ)沉降安全監(jiān)測系統(tǒng)在實際風(fēng)電場風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沉降監(jiān)測中的應(yīng)用步驟如下：

1）系統(tǒng)上位機(jī)和下位機(jī)的安裝調(diào)試。

2）客戶端軟件系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)配置。

3）設(shè)定采集任務(wù)，選擇采集方式。

4）監(jiān)測數(shù)據(jù)計算結(jié)果查看，過程圖查看。

5）報警后數(shù)據(jù)處理，布置圖報警信號查看。

該系統(tǒng)實時在線對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沉降情況進(jìn)行監(jiān)測，配合風(fēng)電場安全管理人員隨時調(diào)用查看風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沉降情況，充分提高了工作效率，有效防止風(fēng)電場運(yùn)行過程中危險事故的發(fā)生。

3 結(jié)語

CFD風(fēng)力發(fā)電工程——塔筒基礎(chǔ)沉降安全監(jiān)測系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用對風(fēng)電場安全運(yùn)行管理具有重大意義。本文介紹了風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沉降監(jiān)測系統(tǒng)從開發(fā)到應(yīng)用的主要內(nèi)容。該系統(tǒng)實現(xiàn)了風(fēng)電場安全運(yùn)行的信息化管理要求，在實際項目應(yīng)用中能夠充分考慮到風(fēng)電場安全管理人員的主觀需求，增加了監(jiān)測系統(tǒng)使用的靈活性。根據(jù)系統(tǒng)在實際項目中得應(yīng)用情況，提出如下2點建議：

1）針對數(shù)據(jù)采集器里面儲存的歷史數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在系統(tǒng)軟件中調(diào)用、查看、計算比對功能。

2）優(yōu)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)后臺管理功能，便于風(fēng)電場安全管理人員對監(jiān)測結(jié)果查看、調(diào)用等工作。

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