基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)振動位移周期特征研究

何兵 李嘉暉 朱新革 姚林威 黃時雨

摘 要：為了探究基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行時基礎(chǔ)振動位移周期特征，本文介紹一種針對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)的振動位移監(jiān)測系統(tǒng)，并以某風(fēng)電場——直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究對象，連續(xù)7天對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行振動位移監(jiān)測，得出基礎(chǔ)環(huán)振動位移周期，通過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)兩種工況下振動位移周期均成正態(tài)分布，且與輪轂轉(zhuǎn)速成反相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)基礎(chǔ);基礎(chǔ)環(huán);振動位移周期

中圖分類號：TS737.7+.1 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? 文章編號：1003-5168（2021）30-0034-03

Abstract： To explore the periodic characteristics of vibration displacement of foundation ring type wind turbine during normal operation， this paper introduces a kind of vibration displacement monitoring system for fan foundation ring， and a wind farm with direct-driven wind turbine generators is selected as the research object. The vibration displacement of fan foundation ring is monitored for 7 consecutive days， and the vibration displacement period of fan foundation ring is obtained. Through statistics， it is found that the vibration displacement period under the two working conditions is normal distribution， and is inversely correlated with the hub speed.

Keywords： wind turbine foundation; foundation ring; vibration displacement; vibration period

當(dāng)前，在我國龐大的能源消耗體系中，煤炭占據(jù)重要地位。但是，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和時代的進(jìn)步，各種新型能源的出現(xiàn)使煤炭消耗量占比逐年減少，而太陽能、水能、風(fēng)能等可再生能源消耗量穩(wěn)步提升。近幾年風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，但暴露出來的問題也越來越多。

風(fēng)機(jī)破壞是一個緩慢的過程，幾年甚至幾十年都有可能，而風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)是風(fēng)機(jī)的主要受力部件，運(yùn)行時必須保證足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，所以對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測十分必要。Ping Wang等[1]認(rèn)為利用無線傳感器對風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測是最好的方法之一，可測量應(yīng)變、振動、傾斜、裂縫等;Magnus Currie等[2，3]在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周圍布置無線位移傳感器，以實(shí)時監(jiān)測風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在垂直方向上的位移，所提出的數(shù)據(jù)采集方法和處理架構(gòu)提供了風(fēng)機(jī)運(yùn)行的實(shí)時信息，降低了風(fēng)機(jī)運(yùn)維檢查成本;白雪等[4]在基礎(chǔ)環(huán)錨固區(qū)安裝一種基于振弦式應(yīng)變計(jì)，從養(yǎng)護(hù)階段對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)到正常運(yùn)行階段進(jìn)行監(jiān)測，該方法可識別基礎(chǔ)缺陷并對基礎(chǔ)損傷進(jìn)行量化分析;董霄峰等[5]以海上風(fēng)機(jī)為實(shí)驗(yàn)對象，分析風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在停機(jī)、正常服役、開停機(jī)和臺風(fēng)四種工況下的振動響應(yīng)數(shù)據(jù)，對影響風(fēng)機(jī)振動的關(guān)鍵因素進(jìn)行深入討論。

目前國內(nèi)外學(xué)者針對風(fēng)機(jī)葉片和塔筒的監(jiān)測研究較多，而針對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)監(jiān)測方面的研究較少。針對以上問題，本文提出一種針對基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)振動位移監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)測基礎(chǔ)環(huán)的振動位移，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，分析基礎(chǔ)環(huán)振動周期規(guī)律。

1 工程概況

本試驗(yàn)所用風(fēng)機(jī)位于湖南省境內(nèi)，風(fēng)電場所在區(qū)域以山地為主，海拔高度在900～1 550 m，地勢起伏較大，風(fēng)能資源豐富。該風(fēng)機(jī)為2 MW直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，基本參數(shù)如下：額定電壓690 V，額定轉(zhuǎn)速16.83 r/min，輪轂高度80 m，葉輪直徑96 m，切入風(fēng)速、額定風(fēng)速、切出風(fēng)速分別是3 m/s、10.5 m/s、25 m/s。該風(fēng)機(jī)采用基礎(chǔ)環(huán)將上部塔筒與基礎(chǔ)相連，基礎(chǔ)環(huán)直徑4.4 m，埋深2.0 m。

為了準(zhǔn)確監(jiān)測風(fēng)機(jī)運(yùn)行時基礎(chǔ)環(huán)的整體振動位移，位移傳感器在基礎(chǔ)環(huán)周圍應(yīng)均勻布置。將基礎(chǔ)環(huán)簡化為平面圓模型，以艙門位置為標(biāo)記起始點(diǎn)1，按逆時針編號規(guī)則將平面圓均勻分為16塊，將八個L形傳感器感應(yīng)裝置等間隔固定在基礎(chǔ)環(huán)上法蘭處，傳感器放置在感應(yīng)裝置下方的塔筒底部地面。A～H號傳感器裝置分別對應(yīng)基礎(chǔ)環(huán)分區(qū)2～16軸號，如圖1所示。監(jiān)測系統(tǒng)原理是：風(fēng)機(jī)運(yùn)行時，感應(yīng)裝置隨基礎(chǔ)環(huán)共同運(yùn)動，其正下方是一種非接觸式電感位移傳感器，它可以通過感應(yīng)裝置的相對位置測量其振動位移數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)采用的傳感器測量頻率為0.1 s/次，量程為-5～5 mm，工作溫度為-20～80 ℃。

2 監(jiān)測結(jié)果分析

2.1 振動位移數(shù)據(jù)

本次試驗(yàn)共有8套振動位移監(jiān)測設(shè)備，由圖1可知，可將在基礎(chǔ)環(huán)同一直徑上的A、E點(diǎn)（2-10軸），B、F點(diǎn)（4-12軸），C、G點(diǎn)（6-14軸），D、H點(diǎn)（8-16軸）分為四組，經(jīng)過數(shù)據(jù)整理后發(fā)現(xiàn)F點(diǎn)振動位移最大，該點(diǎn)振動位移時程如圖2所示。

2.2 SCADA數(shù)據(jù)

利用SCADA數(shù)據(jù)識別風(fēng)機(jī)服役狀態(tài)、診斷風(fēng)機(jī)故障是近幾年風(fēng)機(jī)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[6]，它的優(yōu)勢是不需要額外的監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，也沒有額外的費(fèi)用支出[7]。從風(fēng)場SCADA數(shù)據(jù)庫中提取本次試驗(yàn)時間段內(nèi)的風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，F(xiàn)1號風(fēng)機(jī)在試驗(yàn)階段的輪轂轉(zhuǎn)速情況為：在0～20 000 s時段，輪轂轉(zhuǎn)速從0 r/min階段上升至16 r/min，為輪轂轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定階段;在20 000～28 000 s時段，輪轂轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定在高轉(zhuǎn)速（15～17 r/min）。試驗(yàn)時段F1號風(fēng)機(jī)風(fēng)速時程情況為：在0～20 000 s時段，風(fēng)速由0 m/s線性增長至額定風(fēng)速10.5 m/s，為風(fēng)速的不穩(wěn)定階段;在20 000～28 000 s時段，風(fēng)速基本保持額定風(fēng)速（10.5 m/s）。由輪轂轉(zhuǎn)速和風(fēng)速時程可知，當(dāng)風(fēng)速由0逐漸增加至額定風(fēng)速時，輪轂轉(zhuǎn)速由0逐漸增加至額定轉(zhuǎn)速，說明風(fēng)速與輪轂轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)關(guān)系。

2.3 基礎(chǔ)環(huán)振動位移周期分析

監(jiān)測系統(tǒng)在采集信號時不可避免地會受到環(huán)境的干擾，形成噪聲，給原始數(shù)據(jù)信號帶來一定的誤差，如何有效地去除噪聲信號是后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的關(guān)鍵。小波理論的出現(xiàn)，可以很好地解決信號噪聲問題，它利用數(shù)學(xué)原理在濾除噪聲的同時最大限度地保留了數(shù)據(jù)的原始特征[8]，是小波分析在信號處理技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域[9]。本文使用小波濾波原理對F1號風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)4-12軸F點(diǎn)振動位移數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，振動位移信號在不斷地波動，通過計(jì)算各個波峰所對應(yīng)的時間序號，作差后即可得到峰值時間點(diǎn)對應(yīng)振動位移周期。由圖3可知，在0～20 000 s時段，振動位移周期較分散，波動幅度大;在20 000～28 000 s時段，振動位移周期較集中，波動幅度小。

為了更加深入地了解基礎(chǔ)環(huán)振動位移周期與輪轂轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，現(xiàn)結(jié)合風(fēng)機(jī)輪轂轉(zhuǎn)速和風(fēng)速，將F點(diǎn)振動位移數(shù)據(jù)階段分為兩種工況。工況Ⅰ為時段0～20 000 s，輪轂轉(zhuǎn)速由0 r/min上升至16 r/min（不穩(wěn)定階段）;工況Ⅱ?yàn)闀r段20 000～28 000 s，輪轂轉(zhuǎn)速保持額定轉(zhuǎn)速16.83 r/min（穩(wěn)定階段）。

統(tǒng)計(jì)各工況時段基礎(chǔ)環(huán)振動位移周期大小的分布情況后發(fā)現(xiàn)，工況Ⅰ振動位移周期符合正態(tài)分布，主要集中在2.5～5.5 s，周期大小以4.2 s集中;工況Ⅱ振動位移周期符合正態(tài)分布，主要集中在3～3.4 s，周期大小以3.2 s集中。由兩種工況結(jié)果對比可知，輪轂轉(zhuǎn)速保持額定時，基礎(chǔ)環(huán)振動位移周期在3.2 s左右;輪轂轉(zhuǎn)速越大，基礎(chǔ)環(huán)振動位移周期越小。

3 結(jié)論

通過分析基礎(chǔ)環(huán)4-12軸F點(diǎn)振動位移周期并與SCADA數(shù)據(jù)中的輪轂轉(zhuǎn)速和風(fēng)速對比，得出結(jié)論：

①基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)振動位移監(jiān)測系統(tǒng)能實(shí)時監(jiān)測基礎(chǔ)環(huán)的振動位移;

②風(fēng)機(jī)輪轂轉(zhuǎn)速與風(fēng)速呈正相關(guān)關(guān)系;

③在兩種不同工況下，基礎(chǔ)環(huán)振動位移周期均呈正態(tài)分布;

④基礎(chǔ)環(huán)振動位移周期與輪轂轉(zhuǎn)速呈反相關(guān)關(guān)系。

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