風電機組的安全結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

謝海峰　陳興媒　朱靈佳　吳超

摘 要： 針對近幾年中國風電行業(yè)的飛速發(fā)展，對風電機組的單一運行狀態(tài)監(jiān)測越來越不能滿足當前的發(fā)展趨勢，開發(fā)了一套風電機組整機結(jié)構(gòu)安全預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)，能夠在線連續(xù)測量并存儲風機主要結(jié)構(gòu)件在運行過程中的關(guān)鍵安全參數(shù)，提供風輪不平衡、傳動鏈扭振、整機晃動與共振、塔架傾斜與塔架整體變形位移量、基礎(chǔ)環(huán)傾斜與松動、不均勻沉降或其它因素（如腐蝕等）造成的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體性傾斜，共6類安全監(jiān)測。

關(guān)鍵詞： 風電機組;整機結(jié)構(gòu);在線安全監(jiān)測

【中圖分類號】TM614 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-3733（2020）20-0170-03

中國風電行業(yè)經(jīng)過近幾年的飛速發(fā)展，風電技術(shù)取得了巨大進步，隨著低風速資源和海上風資源的開發(fā)利用，機組朝著更高、更大功率的方向演進。同時行業(yè)內(nèi)倒塔、葉片開裂脫落和斷裂、傳動系統(tǒng)失效等重大災(zāi)難性事故時有發(fā)生。所以，開發(fā)一套能夠滿足目前風電行業(yè)的安全運行監(jiān)測系統(tǒng)就顯得十分有意義。

狀態(tài)監(jiān)測在20世紀60年代起源于美國，開始主要用于航天系統(tǒng)方面，之后逐漸拓展到電力系統(tǒng)等其他行業(yè)。當時比較著名的美國公司有本特利、BEI、西屋，歐洲方面有德國的普魯夫、瑞士的ABB等公司。早期評估設(shè)備運行狀態(tài)主要憑借專家在現(xiàn)場通過自身的聽覺以及觸覺，所以經(jīng)常會發(fā)生誤判斷。

近年來，狀態(tài)監(jiān)測隨著與計算機技術(shù)的結(jié)合，逐漸形成了具有綜合分析與處理能力的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，其中當然包括風電行業(yè)。風電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)目前主要包括主機廠自身配套的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，丹麥的Vestas、美國的GE、德國的B&K、西班牙的Gamesa等這些主機廠都有相關(guān)產(chǎn)品;第三方監(jiān)控系統(tǒng)，如美國卓越通信的SCADA系統(tǒng);監(jiān)測風機傳動鏈的CMS，如深圳米庫的MK3000遠程在線振動監(jiān)測與分析系統(tǒng)。

上述風電機組的監(jiān)測系統(tǒng)對機組的安全保護相對單一，為了更好的實現(xiàn)對整機安全運行的全面監(jiān)測，開發(fā)了一套風電機組整機結(jié)構(gòu)安全預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)，能夠在線連續(xù)測量并存儲風機主要結(jié)構(gòu)件在運行過程中的關(guān)鍵安全參數(shù)，提供風輪不平衡、傳動鏈扭振、整機晃動與共振、塔架傾斜與塔架整體變形位移量、基礎(chǔ)環(huán)傾斜與松動、不均勻沉降或其它因素（如腐蝕等）造成的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體性傾斜，共6類安全監(jiān)測。系統(tǒng)命名為MK3500在線安全結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)硬件安裝及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

系統(tǒng)監(jiān)測點布置在風電機組的相關(guān)特定位置。其中基礎(chǔ)不均勻沉降監(jiān)測，使用MK3500風電專用傾角傳感器，安裝在風機內(nèi)部地基底部;基礎(chǔ)環(huán)松動監(jiān)測，安裝在基礎(chǔ)環(huán)上，通過L型支架粘貼固定在基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)壁上;塔架位移監(jiān)測，安裝在塔架頂部位置處，通過L型支架粘貼固定在塔筒壁上;風輪不平衡監(jiān)測，安裝在主軸承下方機架上，通過高強度結(jié)構(gòu)粘接劑安裝;傳動鏈扭振監(jiān)測，使用2支MK3500傳感器，兩邊各1支，通過高強度結(jié)構(gòu)粘接劑安裝在齒輪箱兩端懸臂上;機艙振動監(jiān)測，使用MK3500傳感器安裝在發(fā)電機尾部機架上，通過高強度結(jié)構(gòu)粘接劑安裝;轉(zhuǎn)速傳感器安裝，使用接近開關(guān)，通過轉(zhuǎn)速支架安裝在齒輪箱輸出軸軸承座。典型配置如表1所示。

機艙MK3500-DAU01保護表安裝在機艙控制柜旁踏板上，通過支架安裝，用于采集處理風輪不平衡，傳動鏈扭振，機艙晃動信號。塔架MK3500-DAU02保護表安裝在塔底塔筒內(nèi)電纜架上固定，用于采集處理地基不均勻沉降和塔架位移信號。兩塊保護表的數(shù)據(jù)信號統(tǒng)一保存到安裝在機艙控制柜頂部的工控機，再通過安裝在控制柜內(nèi)的一臺交換機和一臺4G路由器將數(shù)據(jù)發(fā)往云平臺，最后通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對機組的實時遠程在線監(jiān)控，整體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖1所示。

2 系統(tǒng)實際信號應(yīng)用

某風電場69號2MW風電機組，塔架高度80米，風輪直徑115米，風輪額定轉(zhuǎn)速13.5RPM，基礎(chǔ)為基礎(chǔ)環(huán)式地基，該風場于2016年建成并網(wǎng)，為高山風場，所受湍流較大。機組于2019年10月加裝了一套MK3500風電機組結(jié)構(gòu)安全保護系統(tǒng)，并于當月發(fā)出遠程預(yù)警，初步判斷為基礎(chǔ)環(huán)松動故障。11月，經(jīng)過第三方檢測公司驗證基礎(chǔ)頂面混凝土和基礎(chǔ)側(cè)面混凝土抗壓強度均低于設(shè)計要求，造成基礎(chǔ)環(huán)連接處的混凝土破碎，確認出現(xiàn)了基礎(chǔ)環(huán)松動故障?，F(xiàn)場基礎(chǔ)加固前后的數(shù)據(jù)如下：

（1）機艙晃動X向（機艙前后晃動）以及Y向（機艙左右晃動）測點數(shù)據(jù)顯示在加固前機艙晃動最大達到0.1g，加固后機艙晃動為0.067g;加固前機組自振頻率為0.2991Hz，加固后機組自振頻率為0.3113Hz。加固前后機艙晃動減小，自振頻率變大，基礎(chǔ)修復(fù)后機組整體剛性增強，如圖所示：

（2）基礎(chǔ)環(huán)松動測點數(shù)據(jù)顯示在加固前基礎(chǔ)環(huán)最大傾斜角度達到了0.42度，超出紅色標準圈;加固后基礎(chǔ)環(huán)最大傾斜角度0.15度，加固后基礎(chǔ)環(huán)無松動現(xiàn)象如圖所示：

（3）塔架位移測點數(shù)據(jù)顯示在加固前塔架頂部傾角最大達到1.5度，最大位移達到1200mm，加固后塔筒最大傾斜角度為0.55度，塔架位移420mm，運行數(shù)據(jù)如下。

現(xiàn)場照片如圖所示。

3 結(jié)論

1）本系統(tǒng)監(jiān)測點從上到下覆蓋了整個風電機組，相比目前市場上流行的傳動鏈監(jiān)測系統(tǒng)CMS監(jiān)測的位置置于整個機組更加重要。由于CMS技術(shù)已經(jīng)成熟也相對簡單，所以實現(xiàn)本系統(tǒng)與CMS的結(jié)合相對容易，本系統(tǒng)開發(fā)成功后真正做到了對風電機組的全面實時狀態(tài)監(jiān)測，本系統(tǒng)最終通過實例進行了驗證。

2）從檢測成本方面，目前風電機組基礎(chǔ)第三方公司檢測主要有地質(zhì)雷達法和超聲橫波成像法兩種檢測方法。地質(zhì)雷達法必須使用專用雷達軟件，經(jīng)濾波、增益恢復(fù)等一系列處理后，才能顯現(xiàn)所需要的雷達圖像信息，超聲波檢測又是眾所周知的一種高成本檢測手段，所以安裝本系統(tǒng)還可以大大降低檢測成本。