基于風(fēng)機基礎(chǔ)損傷前后的SCADA振動數(shù)據(jù)對比分析研究

黃 奇，劉哲鋒，2，朱新革，劉宜松，雷雪雯

(1.長沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410004；2.長沙理工大學(xué)橋梁工程安全控制教育部重點實驗室，湖南 長沙 410004)

0 引 言

隨著傳統(tǒng)化石能源的日趨枯竭，能源供應(yīng)安全與環(huán)境保護壓力越來越大，風(fēng)能作為一種清潔的、可再生的新能源保持著快速發(fā)展的趨勢[1]。當(dāng)前，國內(nèi)內(nèi)陸風(fēng)機多數(shù)采用基礎(chǔ)環(huán)形式，將圓形鋼筒插入混凝土中的重力式基礎(chǔ)。由于施工局限性及風(fēng)場環(huán)境的惡劣性，大多數(shù)風(fēng)機基礎(chǔ)的安全性正日益受到關(guān)注。研究者們針對基礎(chǔ)安全的監(jiān)控與預(yù)測做了大量工作，如白雪[2]等通過設(shè)計一種在基礎(chǔ)施工時安裝振弦式應(yīng)變計，對基礎(chǔ)從養(yǎng)護到運行期間進行監(jiān)測，對基礎(chǔ)缺陷的出現(xiàn)和演化進行量化分析。秦淑芳等[3]通過在塔筒不同位置處布置鋼板應(yīng)變計，傾角儀等傳感器，監(jiān)控塔筒撓度變化，建立風(fēng)機結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控系統(tǒng)；這些研究在一定程度上可以有效監(jiān)測風(fēng)機基礎(chǔ)的安全性。事實上，一個風(fēng)場一般裝有幾十臺風(fēng)機，其中許多風(fēng)機基礎(chǔ)能正常服役，如果全部額外加裝傳感器，成本較大。

當(dāng)前，風(fēng)場風(fēng)機一般都裝有數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)，該系統(tǒng)可以監(jiān)控并采集風(fēng)機運行時各類狀態(tài)參數(shù)，如風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、振動加速度、槳距角、有功功率等。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)中蘊含了大量的信息，SCADA數(shù)據(jù)成為當(dāng)前研究的熱點。大量研究者主要的目光集中在用SCADA數(shù)據(jù)指示風(fēng)電機組機械部件的安全狀態(tài)[4- 6]，對于SCADA振動數(shù)據(jù)的研究也有很多，如任巖[7]等通過對篩選SCADA數(shù)據(jù)并通過相關(guān)性分析找到與機組振動有關(guān)的因素；戴巨川[8]等通過分析SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、變槳距以及偏航等對振動的影響；這些研究主并未深入挖掘SCADA數(shù)據(jù)對整體塔筒結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)安全的反映，尤其是SCADA系統(tǒng)中的振動加速度數(shù)據(jù)對風(fēng)機結(jié)構(gòu)的反映。本文將在前人的研究基礎(chǔ)上，針對某基礎(chǔ)損傷風(fēng)機現(xiàn)有SCADA數(shù)據(jù)，通過繪制風(fēng)機基礎(chǔ)出現(xiàn)損傷前后時間SCADA振動數(shù)據(jù)散點圖對比其差異性，篩選維護停機狀態(tài)下的加速度數(shù)據(jù)進行時頻分析，總結(jié)了基礎(chǔ)損傷對SCADA數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，可在不加裝監(jiān)測裝置的前提下初步預(yù)估風(fēng)機基礎(chǔ)的安全性，為風(fēng)機基礎(chǔ)的損傷預(yù)判提供參考。

1 風(fēng)向分析及基礎(chǔ)損傷現(xiàn)狀

1.1 風(fēng)向分析

本文所研究風(fēng)機為湖南某風(fēng)場P1號機，該風(fēng)機為一臺2 MW直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機，其中有一葉片2017年發(fā)現(xiàn)配重失衡未修，風(fēng)機基本參數(shù)為：風(fēng)輪直徑95.9 m，機艙高度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。SCADA系統(tǒng)中采集的振動加速度方向有兩個，x方向和y方向，見圖1。機艙的振動是風(fēng)機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對外界激勵的響應(yīng)，激勵主要來源于風(fēng)載和風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的運行荷載，且該風(fēng)機具有自動偏航功能，以最大程度地捕捉風(fēng)能。因此，進行主風(fēng)向的分析十分必要。為方便說明，對基礎(chǔ)平面進行分區(qū)編號，因須與SCADA系統(tǒng)中方向?qū)?yīng)，以正北方向為起點順時針均分為16個區(qū)，編號為1～16，見圖3。因此根據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理，剔除掉風(fēng)速小于3 m/s時的風(fēng)向值，對P1號風(fēng)機2018年1月～11月SCADA系統(tǒng)采集的風(fēng)向值進行統(tǒng)計分析如圖2所示。從圖可以看出，該時段內(nèi)風(fēng)向在第11、12、13區(qū)的風(fēng)向頻率為43.7%，為該風(fēng)機盛行風(fēng)向，如圖3所示。

圖1 風(fēng)機結(jié)構(gòu)

圖2 風(fēng)向分布頻率

圖3 基礎(chǔ)分區(qū)

1.2 基礎(chǔ)損傷描述

風(fēng)機塔架結(jié)構(gòu)屬于高聳結(jié)構(gòu)，根據(jù)相關(guān)研究[9-11]表明，基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機基礎(chǔ)的疲勞損傷主要經(jīng)歷以下幾個過程：風(fēng)機運行對基礎(chǔ)產(chǎn)生巨大傾覆力矩和拉壓力，使基礎(chǔ)環(huán)與混凝土之間產(chǎn)生初始小裂縫；隨著防水層的失效，雨水滲入使得初始小裂縫深入擴大，使風(fēng)機塔筒產(chǎn)生晃動，基礎(chǔ)環(huán)壁與混凝土反復(fù)研磨，出現(xiàn)冒漿現(xiàn)象；隨著晃動加劇，基礎(chǔ)環(huán)下法蘭處混凝土出現(xiàn)空腔，基礎(chǔ)表面混凝土沖壓破碎。如不及時停機加固，此類風(fēng)機在極端條件下極易發(fā)生倒塌事故。

2018年11月下旬，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，所有測區(qū)基礎(chǔ)環(huán)防水層失效。塔筒內(nèi)部沿基礎(chǔ)環(huán)一周均有水泥漿冒出(見圖4)；塔筒外部第4、11、12、13、14區(qū)表層混凝土沖壓破碎，存在大量環(huán)向裂縫(見圖5)。其中第4區(qū)破損區(qū)域距塔筒邊緣最遠(yuǎn)處0.2 m，第11測區(qū)破損區(qū)域距塔筒邊緣最遠(yuǎn)處0.7 m，第12區(qū)破損區(qū)域距塔筒邊緣最遠(yuǎn)處1 m，第13、14區(qū)破損區(qū)域距塔筒邊緣最遠(yuǎn)處0.6 m。根據(jù)現(xiàn)場檢測情況及風(fēng)向分析可知，風(fēng)機基礎(chǔ)的壓潰破損區(qū)域主要集中在沿主風(fēng)向方向上，在垂直主風(fēng)向上基礎(chǔ)混凝土破損較輕。

圖4 塔筒內(nèi)部冒漿

圖5 塔筒外部混凝土壓潰

圖6 風(fēng)速—風(fēng)輪轉(zhuǎn)速關(guān)系

2 振動加速度數(shù)據(jù)分析

根據(jù)葉素-動量(BEM)理論及相關(guān)文獻研究表明[7- 8]，機艙振動主要與風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、槳距角等有關(guān)。風(fēng)輪的驅(qū)動荷載來源于作用在葉片上的氣流，氣流運動的快慢用風(fēng)速表示。風(fēng)速一般是時變量，具有突變性，而風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速由于慣性的作用不會突變，且當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與風(fēng)速近似呈正相關(guān)關(guān)系(見圖6)，所以風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的大小可作為荷載大小的參照量。本節(jié)將研究風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與振動加速之間的關(guān)系，選取P1號風(fēng)機2018年兩個不同時間段的數(shù)據(jù)，分別為損傷前(1月)，損傷期(10月)，經(jīng)過數(shù)據(jù)的篩選，每個時期分別選取30 min數(shù)據(jù)作散點圖分析(見圖7～8)。為了更有效的說明問題，選取基礎(chǔ)正常、葉片配重正常的風(fēng)機P2同時期數(shù)據(jù)進行對比分析(見圖9～10)。

圖7 P1風(fēng)機1月振動加速度

圖8 P1風(fēng)機10月振動加速度

圖9 P2風(fēng)機1月振動加速度

圖10 P2風(fēng)機10月振動加速度

由圖7、8可以看出，P1風(fēng)機損傷前后的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與振動加速度之間趨勢關(guān)系基本一致，當(dāng)轉(zhuǎn)速在11～13 r/min時，x方向與y方向的振動加速度幅度差別不大，y方向振動略大于x方向振動。當(dāng)轉(zhuǎn)速在13～16 r/min時，y方向上的振動明顯大于x方向的振動。對比圖7、圖8，1月(基礎(chǔ)損傷前)x方向振動加速度幅度在-0.06～0.06 m/s2之間，y方向振動加速度幅度在-0.41～0.39 m/s2之間；而10月(基礎(chǔ)損傷后)x方向振動加速度幅度在-0.2～0.21 m/s2之間，y方向振動加速度幅度在-0.5～0.5 m/s2之間。由上述數(shù)據(jù)分析可知，損傷后機艙振動x方向加速度幅度較基礎(chǔ)損傷前變大約有3倍，y方向振動加速度變大了25%。

由圖9、10可以看出，x方向振動明顯強于y方向，當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速在13～16 r/min時，1月x方向振動加速度幅度在0.19～0.2 m/s2之間，y方向振動加速度幅度在-0.11～0.11 m/s2之間；10月x方向振動加速度幅度在-0.21～0.21 m/s2之間，較1月數(shù)據(jù)略為變大；y方向振動加速度幅度在-0.11～0.11 m/s2之間。顯然，P2風(fēng)機前后時間的機艙振動加速度幅度變化不大。

通過上述分析，P1問題風(fēng)機前后時間機艙的振動有明顯差異，尤其是x方向；而P2正常風(fēng)機前后時間的機艙振動加速度幅度變化不大。對應(yīng)P1風(fēng)機基礎(chǔ)混凝土的損傷區(qū)域，這說明基礎(chǔ)混凝土的損傷對機艙振動的大小有影響，且因為機艙振動加速度的大小與荷載有關(guān)，所以一般正常風(fēng)機的x方向(即主風(fēng)向上)的振動較y方向更為敏感，而當(dāng)風(fēng)輪葉片配重失衡時，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力的作用效果更為明顯，且離心力方向與旋轉(zhuǎn)軸垂直向外，故P1風(fēng)機y方向振動要明顯大于x方向。

3 時頻分析

風(fēng)機塔筒結(jié)構(gòu)可簡化為單自由度結(jié)構(gòu)體系。基礎(chǔ)混凝土端可看作該結(jié)構(gòu)的固定端約束，當(dāng)基礎(chǔ)混凝土發(fā)生沖壓破碎后，該約束將變?nèi)?，從而整體結(jié)構(gòu)剛度降低，使結(jié)構(gòu)的抗振性能變?nèi)鮗12-13]。為避免葉片揮舞振動、機械運轉(zhuǎn)及噪聲對振動數(shù)據(jù)的干擾，選取維護停機狀態(tài)且風(fēng)速大于切入風(fēng)速時的SCADA振動數(shù)據(jù)分析，此時風(fēng)力發(fā)電機組采取偏航90°背風(fēng)，y方向為來風(fēng)風(fēng)向。此時將發(fā)電機組與塔筒結(jié)構(gòu)看作整體，y方向機艙振動加速度可認(rèn)為是塔筒自由端在風(fēng)載激勵下的振動響應(yīng)。本節(jié)對P1風(fēng)機1月、10月兩個時期經(jīng)篩選后的y方向加速度響應(yīng)進行傅里葉變換，提取主頻進行自適應(yīng)最稀疏信號時頻分解，從而識別其派生系統(tǒng)的固有圓頻率ω。文獻[14]、[15]介紹了該方法的具體過程，在此不詳細(xì)贅述。

圖11為P1風(fēng)機1月振動加速度數(shù)據(jù)經(jīng)傅里葉變換后的頻譜圖，圖12為P1風(fēng)機10月振動加速度經(jīng)傅里葉變換后的頻譜圖，圖13為P1風(fēng)機1月振動加速度的瞬時頻率圖，圖14為P1風(fēng)機10月振動加速度的瞬時頻率圖。由圖11、12得到經(jīng)傅里葉變換后兩個時期的一階主頻分別為0.342 Hz，0.340 Hz。對主頻進行自適應(yīng)最稀疏分析，將得到的瞬時頻率經(jīng)最小二乘法擬合，得到該結(jié)構(gòu)1月該時段固

圖11 P1風(fēng)機1月加速度頻譜

圖12 P1風(fēng)機10月加速度頻譜

圖13 P1風(fēng)機1月瞬時頻率

圖14 P1風(fēng)機10月瞬時頻率

有圓頻率為ω1=2.18 rad/s，10月該時段固有圓頻率為ω10=2.119 rad/s，損傷前后該風(fēng)機的固有圓頻率差異比為2.75%。加速度的采集頻率為1 Hz，采集頻率較低，但該方法有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，故可作為預(yù)判風(fēng)機基礎(chǔ)損傷的一個參考。

4 結(jié)論與建議

(1)風(fēng)機基礎(chǔ)的破壞是在疲勞往復(fù)荷載作用下的一個長期累積效果，且發(fā)生破壞區(qū)域主要集中在主風(fēng)向區(qū)域。風(fēng)機基礎(chǔ)損傷前后時期的振動加速度數(shù)據(jù)有明顯差異，x、y兩個方向的振動幅度均會變大，尤其是x方向的振動變化更為明顯。P1風(fēng)機基礎(chǔ)損傷嚴(yán)重，已不具備保障該風(fēng)機的正常運行的條件，建議及時聘請具有相應(yīng)資質(zhì)的設(shè)計單位通過計算分析出具加固方案，由具有相應(yīng)資質(zhì)的施工單位進行加固施工。

(2)葉片配重的失衡使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力效果明顯，將會使y方向的振動加劇。應(yīng)及時修復(fù)或更換P1風(fēng)機配重失衡葉片，以避免y方向的過大振動，加劇基礎(chǔ)的劣化。

(3)維護停機狀態(tài)下，基礎(chǔ)損傷后風(fēng)機SCADA加速度數(shù)據(jù)經(jīng)時頻分析后得到的固有圓頻率有所降低，降低幅度為2.75%。

(4)風(fēng)場運維部門可通過分析長時期的SCADA振動數(shù)據(jù)對風(fēng)機基礎(chǔ)的損傷進行預(yù)判，篩選出基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相對劣化的風(fēng)機，安裝監(jiān)測設(shè)備，及早地發(fā)現(xiàn)并處理基礎(chǔ)存在的安全隱患。