動(dòng)態(tài)傾斜監(jiān)測(cè)技術(shù)在海上風(fēng)電工程中的應(yīng)用

鄭濤

（浙江華東測(cè)繪與工程安全技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310014）

0 引言

隨著海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步和國(guó)家對(duì)新能源發(fā)展的政策導(dǎo)向與支持，我國(guó)近海風(fēng)電項(xiàng)目自2017年開始進(jìn)入建設(shè)高潮期，截至2021年4月底，我國(guó)海上風(fēng)電并網(wǎng)容量達(dá)到1042萬kW，主要分布在江蘇、浙江、福建以及廣東近海海域。根據(jù)我國(guó)近海地區(qū)地質(zhì)地貌條件，單樁式基礎(chǔ)因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)相對(duì)較低、施工效率高等優(yōu)點(diǎn)，在江蘇近海風(fēng)電項(xiàng)目中被大量應(yīng)用。海上風(fēng)電和陸上風(fēng)電相比，其基礎(chǔ)和塔筒不僅需要承受自身重力、風(fēng)推力、葉輪扭力及復(fù)雜多變負(fù)荷的影響，還需面對(duì)惡劣的海洋環(huán)境（如鹽霧腐蝕、海浪載荷、海冰沖撞、臺(tái)風(fēng)等因素）的影響，風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)的垂直度是施工質(zhì)量的一項(xiàng)重要控制指標(biāo)，也是評(píng)估風(fēng)機(jī)在運(yùn)行期間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的一個(gè)重要參數(shù)，因此對(duì)基礎(chǔ)傾斜和塔筒的變形量進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和分析是保證海上風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的前提保證。

目前，對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組單樁基礎(chǔ)和塔筒垂直度監(jiān)測(cè)的方法主要有GPS監(jiān)測(cè)技術(shù)[1]、傾角測(cè)量技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)等，但GPS監(jiān)測(cè)和三維激光掃描技術(shù)存在成本高、精度低以及安裝不便等問題，不能滿足海上風(fēng)電機(jī)組塔筒垂直度監(jiān)測(cè)的要求。因此，目前國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電項(xiàng)目一般采用傾角傳感器進(jìn)行塔筒和基礎(chǔ)傾斜的趨勢(shì)和單一數(shù)值的監(jiān)測(cè)。風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中，基礎(chǔ)與塔筒在外荷載作用下會(huì)發(fā)生擺動(dòng)，特別是在塔筒頂部存在較大的橫向加速度，使得普通傾角傳感器的測(cè)量誤差較大，無法真實(shí)地獲得海上風(fēng)電基礎(chǔ)與塔筒結(jié)構(gòu)的實(shí)際傾斜變化狀態(tài)，不能對(duì)塔筒動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行全面分析和評(píng)價(jià)，因而研究經(jīng)濟(jì)實(shí)用的動(dòng)態(tài)傾斜監(jiān)測(cè)技術(shù)，才更加符合海上風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)特性[2]。

1 塔筒動(dòng)態(tài)傾斜監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究

對(duì)于單樁式海上風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)傾斜監(jiān)測(cè)技術(shù)需要解決兩個(gè)最基本的問題：一是提高傾斜傳感器的動(dòng)態(tài)性能，確保傳感器能準(zhǔn)確獲得塔筒和單樁的動(dòng)態(tài)傾斜角度值，從而為分析機(jī)組的結(jié)構(gòu)特性提供準(zhǔn)確的原始數(shù)據(jù)；二是通過分析單樁海上風(fēng)電機(jī)組的單樁、塔筒的傾斜變形特點(diǎn)，對(duì)塔筒和單樁進(jìn)行動(dòng)態(tài)傾斜監(jiān)測(cè)，從而獲得塔筒的晃動(dòng)位移、基礎(chǔ)不均勻沉降、塔筒變形、塔筒剛度變化（焊縫開裂、螺栓松動(dòng)）等問題。

1.1 動(dòng)態(tài)傾角傳感器的研究

海上風(fēng)電機(jī)組的塔筒和單樁并不是一個(gè)靜止不動(dòng)的物體，由于受到風(fēng)的載荷，始終處于擺動(dòng)狀態(tài)。尤其是在塔筒頂部，其橫向加速度最大可達(dá)0.1g，而常用的傾角傳感器只能測(cè)量靜止物體的傾斜角度，當(dāng)被測(cè)物體存在較大的加速度時(shí)，就會(huì)造成傾斜角度測(cè)量值出現(xiàn)大幅度失真，因此塔筒的動(dòng)態(tài)傾斜監(jiān)測(cè)不能使用常規(guī)的傾角傳感器。經(jīng)過研究，利用常規(guī)傾角傳感器和陀螺儀各自的特點(diǎn)，采用獨(dú)特的設(shè)計(jì)和專有的算法可將常規(guī)傾角傳感器與電子陀螺儀進(jìn)行融合互補(bǔ)，從而實(shí)現(xiàn)了高精度的動(dòng)態(tài)傾角測(cè)量。這種新型的傳感器利用高精度電子陀螺儀獲得動(dòng)態(tài)傾斜角度，通過高精度傾角計(jì)獲得靜態(tài)傾斜角度，最后利用卡爾曼濾波技術(shù)將陀螺儀和傾角計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，得到動(dòng)、靜態(tài)都非常準(zhǔn)確的傾斜角度值，并且具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，因此，可稱之為“復(fù)合雙軸動(dòng)態(tài)傾角傳感器”，其克服了現(xiàn)有常規(guī)傾角計(jì)動(dòng)態(tài)性能差的缺陷，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組塔筒和單樁的動(dòng)態(tài)傾斜狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[3]。

1.2 塔筒結(jié)構(gòu)變形淺析

單樁式海上風(fēng)電機(jī)組其支撐結(jié)構(gòu)包括塔筒和鋼管樁基礎(chǔ)兩個(gè)部分。管樁底部固定于海底，上部通過聯(lián)接法蘭利用螺栓與塔筒相連，因而鋼管樁是整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的承重固定部件[4]。塔筒采用錐形管式結(jié)構(gòu)，由此可將機(jī)組的鋼管樁和塔筒近似當(dāng)作一段固定的懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖1所示。通過撓曲線方程獲得塔筒任意高度截面的撓度f（位移）和轉(zhuǎn)角θ（傾角），來評(píng)估塔筒的工作狀態(tài)，當(dāng)塔筒發(fā)生撓變形時(shí)，根據(jù)撓曲線方程可得：

圖1 塔筒受力和工程測(cè)量

對(duì)于風(fēng)電機(jī)組來說，使塔筒出現(xiàn)彎曲變形的外力主要來自風(fēng)載，其與風(fēng)速和槳葉的槳距角有關(guān)。在槳葉迎風(fēng)面積不變的條件下，風(fēng)速越大作用在葉片上面的推力也就越大，從而塔筒彎曲變形的撓度就越大[5]。

（1）靜態(tài)剛度圓。機(jī)組在吊裝完成后，由于機(jī)艙、葉片的重心與塔筒的中心線不重合，機(jī)組受自身重力G影響偏向輪轂側(cè)，機(jī)艙和葉片的重力使塔筒受到一個(gè)固定的彎矩，塔筒會(huì)向葉片方向發(fā)生彎曲傾斜。

如圖2所示，通過偏航，可以獲得塔筒和單樁在各個(gè)方向的動(dòng)態(tài)傾角，由于塔筒和單樁沿圓周各向剛度相等，在圓周各個(gè)方向傾角的大小相等。因此，將獲得的不同偏航位置時(shí)塔筒相應(yīng)高度斷面靜態(tài)傾斜數(shù)據(jù)，進(jìn)行擬合就可以獲得一個(gè)閉合的圓形，即為塔筒的靜態(tài)剛度圓。

圖2 塔筒的靜態(tài)剛度圓

（2）最大動(dòng)態(tài)剛度圓。風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，在迎風(fēng)角不變的情況下，隨著風(fēng)速的增大，作用在塔筒頂部的軸向推力就越大，塔筒的撓曲變形也就越大。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到并超過額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)葉片的槳距角開始逐漸變大，而隨著槳距角的變大，葉片的迎風(fēng)面積迅速變小，從而使得風(fēng)載作用在塔筒頂端的軸向推力逐漸降低。因此，在額定風(fēng)速即在風(fēng)機(jī)的額定工作點(diǎn)時(shí)，風(fēng)機(jī)達(dá)到額定功率，同時(shí)塔筒頂端所受到的軸向推力最大。在此刻，可以測(cè)得塔筒的最大彎曲變形，也即此時(shí)塔筒的傾斜角度最大[6]。

在不同風(fēng)向上，機(jī)組達(dá)到滿功率運(yùn)行時(shí)，也必然在該方向上經(jīng)過塔筒的彎曲變形點(diǎn)。由于塔筒和單樁沿圓周各向剛度相等，因此可獲得不同風(fēng)向下，塔筒頂部的動(dòng)態(tài)傾斜數(shù)據(jù)。如圖3所示，擬合出這些動(dòng)態(tài)傾斜數(shù)據(jù)的最大外接圓，即為最大剛度圓。

圖3 塔筒的最大動(dòng)態(tài)剛度圓

最大剛度圓為塔筒的實(shí)際晃動(dòng)的邊界曲線，正常工作的風(fēng)機(jī)其塔筒的晃動(dòng)不能超出此邊界曲線，若塔筒晃動(dòng)逾越了該邊界曲線，則表明風(fēng)機(jī)和塔筒出現(xiàn)了異常狀況。最大剛度圓的直徑與塔筒和單樁的剛度成反比關(guān)系，直徑越大，說明剛度越小，反之直徑越小，剛度越大。對(duì)最大動(dòng)態(tài)剛度圓的直徑和圓心變化進(jìn)行分析可獲得塔筒屈曲變形、焊縫開裂、螺栓松動(dòng)及斷裂、基礎(chǔ)松動(dòng)等故障隱患[7]。

（3）塔筒同軸度。對(duì)于單樁式海上風(fēng)電機(jī)組，塔筒的同軸度是塔筒的安全運(yùn)行的一個(gè)重要指標(biāo)。由于海上風(fēng)電安裝的現(xiàn)場(chǎng)條件，在塔筒和單樁施工時(shí)，不能檢測(cè)塔筒的同軸度狀況，對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行帶來了一定的不確定因素。而采用剛度圓技術(shù)可以獲得塔筒安裝后的同軸度值，塔筒頂部和底部的兩個(gè)剛度圓的圓心在平面內(nèi)的距離即為同軸度值。

2 動(dòng)態(tài)傾斜監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

2.1 塔筒動(dòng)態(tài)傾斜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

基于以上的研究，針對(duì)單樁式海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)了一款基于動(dòng)態(tài)傾斜監(jiān)測(cè)技術(shù)的B/S程序構(gòu)架的塔筒與基礎(chǔ)動(dòng)態(tài)傾斜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

系統(tǒng)主要由復(fù)合雙軸動(dòng)態(tài)傾角傳感器，數(shù)據(jù)采集器和后臺(tái)服務(wù)器組成，如圖4所示。根據(jù)海上風(fēng)電機(jī)組單樁和塔筒的結(jié)構(gòu)形式和剛度圓分析技術(shù)需求，在機(jī)組塔筒頂法蘭下端和單樁頂法蘭下端位置各布置一只復(fù)合雙軸動(dòng)態(tài)傾角傳感器，分別用來采集塔筒和單樁的傾角度數(shù)據(jù)?？紤]到信號(hào)傳輸衰減及干擾的問題，傳感器通過信號(hào)電纜以RS485通訊的方式向數(shù)據(jù)采集器傳輸實(shí)時(shí)信號(hào)，采集器和位于中控室的后臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器利用風(fēng)場(chǎng)預(yù)設(shè)的海底光纖環(huán)網(wǎng)進(jìn)行通訊[8]。服務(wù)器將上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和存儲(chǔ)，并實(shí)時(shí)顯示塔筒及單樁的動(dòng)態(tài)傾斜角度和方位，通過動(dòng)態(tài)剛度圓監(jiān)測(cè)圖譜，分析塔筒的剛度變化情況。當(dāng)塔筒和單樁剛度變化超過預(yù)警值時(shí)，系統(tǒng)便發(fā)出報(bào)警信號(hào)提醒風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維人員。

圖4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

2.2 塔筒動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用成果

系統(tǒng)安裝于某上海風(fēng)場(chǎng)，運(yùn)行初期，為獲取準(zhǔn)確的靜態(tài)剛度圓，我們?cè)陲L(fēng)速小于2m/s的氣象條件下，進(jìn)行了偏航實(shí)驗(yàn)。塔頂測(cè)點(diǎn)的偏航傾角數(shù)據(jù)的形態(tài)近視為圓，驗(yàn)證了靜態(tài)剛度圓的正確性。

如圖5所示，綠色圓圈即為該風(fēng)機(jī)塔頂?shù)撵o態(tài)剛度圓[9]。靜態(tài)剛度圓是在忽略風(fēng)推力的影響，機(jī)組只受自身重力影響出現(xiàn)的最大傾斜角度和最大位移半徑，可以反映出機(jī)組安裝后初始傾斜狀態(tài)。圖中剛度圓半徑表示機(jī)組塔頂在偏航過程中，所產(chǎn)生的最大傾斜位移量為85.4mm。

圖5 靜態(tài)剛度圓

圖6為風(fēng)機(jī)塔頂120s的實(shí)時(shí)晃度數(shù)據(jù)，由于采用了復(fù)合動(dòng)態(tài)傾角傳感器，因此可采集到塔筒的晃動(dòng)波形數(shù)據(jù)。通過對(duì)波形進(jìn)行FFT便可計(jì)算出塔筒的一階自振頻率，同時(shí)還可計(jì)算此時(shí)塔筒的最大晃度。如圖6所示，塔筒自振頻率為0.3394Hz，當(dāng)前塔筒晃度為217.75mm。結(jié)合右側(cè)晃動(dòng)軌跡圖可知，當(dāng)前塔頂晃動(dòng)軌跡中心處于正西方位。

圖6 塔筒晃度分析圖

在機(jī)組正常運(yùn)行一段時(shí)間后，通過系統(tǒng)所積累的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了塔頂最大動(dòng)態(tài)剛度圓的繪制，如圖7所示為機(jī)組正常運(yùn)行一個(gè)月后，系統(tǒng)通過機(jī)組塔頂測(cè)點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)繪制出的最大剛度圓，最大剛度圓半徑為541.93mm，代表了運(yùn)行期間塔頂?shù)淖畲蠡蝿?dòng)位移值。最大剛度圓即為風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)塔筒晃動(dòng)的最大邊界線，可作為該風(fēng)機(jī)傾斜晃動(dòng)的邊界值報(bào)警值，后期風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中塔筒的晃動(dòng)不能超出此邊界線。機(jī)組塔筒晃動(dòng)超出了這一邊界線，則說明塔筒和單樁的剛度變小了；塔筒剛度的變小說明塔筒可能存在連接螺栓松動(dòng)斷裂、焊縫開裂等故障隱患[10]。

圖7 最大剛度圓分析圖

3 結(jié)語

風(fēng)電機(jī)組塔筒動(dòng)態(tài)傾斜監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種全新的技術(shù)，通過采用復(fù)合雙軸動(dòng)態(tài)傾角傳感器可提高塔筒傾斜監(jiān)測(cè)精度，經(jīng)過對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)與塔筒結(jié)構(gòu)傾斜的長(zhǎng)期實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，掌握結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)速、不同風(fēng)向、不同發(fā)電負(fù)荷等工況下的傾斜變化，并結(jié)合剛度圓分析技術(shù)對(duì)傾斜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入地挖掘和分析，可以得到塔筒結(jié)構(gòu)的靜態(tài)剛度圓和最大動(dòng)態(tài)剛度圓，從而可作為判斷風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中的基礎(chǔ)與塔筒傾斜監(jiān)測(cè)預(yù)警值。因此，利用動(dòng)態(tài)傾斜監(jiān)測(cè)技術(shù)可以獲得塔筒各類故障隱患的特征信息，可有效地協(xié)助風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行人員進(jìn)行塔筒故障的預(yù)判和診斷。