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

何兵 李嘉暉 朱新革 姚林威 黃時(shí)雨

摘 要：為了探究基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)基礎(chǔ)振動(dòng)位移周期特征，本文介紹一種針對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)的振動(dòng)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并以某風(fēng)電場(chǎng)——直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，連續(xù)7天對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行振動(dòng)位移監(jiān)測(cè)，得出基礎(chǔ)環(huán)振動(dòng)位移周期，通過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)兩種工況下振動(dòng)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(dòng)位移周期

中圖分類號(hào)：TS737.7+.1 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：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(shí)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(gè)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(shí)必須保證足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，所以對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)十分必要。Ping Wang等[1]認(rèn)為利用無線傳感器對(duì)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是最好的方法之一，可測(cè)量應(yīng)變、振動(dòng)、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(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)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(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)到正常運(yùn)行階段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，該方法可識(shí)別基礎(chǔ)缺陷并對(duì)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(duì)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(tái)風(fēng)四種工況下的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)，對(duì)影響風(fēng)機(jī)振動(dòng)的關(guān)鍵因素進(jìn)行深入討論。

目前國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)風(fēng)機(jī)葉片和塔筒的監(jiān)測(cè)研究較多，而針對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)方面的研究較少。針對(duì)以上問題，本文提出一種針對(duì)基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)振動(dòng)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)環(huán)的振動(dòng)位移，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，分析基礎(chǔ)環(huán)振動(dòng)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(chǎng)所在區(qū)域以山地為主，海拔高度在900～1 550 m，地勢(shì)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(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)基礎(chǔ)環(huán)的整體振動(dòng)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(jiǎn)化為平面圓模型，以艙門位置為標(biāo)記起始點(diǎn)1，按逆時(shí)針編號(hào)規(guī)則將平面圓均勻分為16塊，將八個(gè)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(hào)傳感器裝置分別對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)環(huán)分區(qū)2～16軸號(hào)，如圖1所示。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理是：風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，感應(yīng)裝置隨基礎(chǔ)環(huán)共同運(yùn)動(dòng)，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(duì)位置測(cè)量其振動(dòng)位移數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)采用的傳感器測(cè)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(cè)結(jié)果分析

2.1 振動(dòng)位移數(shù)據(jù)

本次試驗(yàn)共有8套振動(dòng)位移監(jiān)測(cè)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(dòng)位移最大，該點(diǎn)振動(dòng)位移時(shí)程如圖2所示。

2.2 SCADA數(shù)據(jù)

利用SCADA數(shù)據(jù)識(shí)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(shì)是不需要額外的監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，也沒有額外的費(fèi)用支出[7]。從風(fēng)場(chǎng)SCADA數(shù)據(jù)庫中提取本次試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)的風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，F(xiàn)1號(hào)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(shí)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(shí)段，輪轂轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定在高轉(zhuǎn)速（15～17 r/min）。試驗(yàn)時(shí)段F1號(hào)風(fēng)機(jī)風(fēng)速時(shí)程情況為：在0～20 000 s時(shí)段，風(fēng)速由0 m/s線性增長(zhǎng)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(shí)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(shí)程可知，當(dāng)風(fēng)速由0逐漸增加至額定風(fēng)速時(shí)，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(dòng)位移周期分析

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在采集信號(hào)時(shí)不可避免地會(huì)受到環(huán)境的干擾，形成噪聲，給原始數(shù)據(jù)信號(hào)帶來一定的誤差，如何有效地去除噪聲信號(hào)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(hào)噪聲問題，它利用數(shù)學(xué)原理在濾除噪聲的同時(shí)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(hào)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(duì)F1號(hào)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)4-12軸F點(diǎn)振動(dòng)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，振動(dòng)位移信號(hào)在不斷地波動(dòng)，通過計(jì)算各個(gè)波峰所對(duì)應(yīng)的時(shí)間序號(hào)，作差后即可得到峰值時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)振動(dòng)位移周期。由圖3可知，在0～20 000 s時(shí)段，振動(dòng)位移周期較分散，波動(dòng)幅度大;在20 000～28 000 s時(shí)段，振動(dòng)位移周期較集中，波動(dòng)幅度小。

為了更加深入地了解基礎(chǔ)環(huán)振動(dòng)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(dòng)位移數(shù)據(jù)階段分為兩種工況。工況Ⅰ為時(shí)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(shí)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(shí)段基礎(chǔ)環(huán)振動(dòng)位移周期大小的分布情況后發(fā)現(xiàn)，工況Ⅰ振動(dòng)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(dòng)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(duì)比可知，輪轂轉(zhuǎn)速保持額定時(shí)，基礎(chǔ)環(huán)振動(dòng)位移周期在3.2 s左右;輪轂轉(zhuǎn)速越大，基礎(chǔ)環(huán)振動(dòng)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(dòng)位移周期并與SCADA數(shù)據(jù)中的輪轂轉(zhuǎn)速和風(fēng)速對(duì)比，得出結(jié)論：

①基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)振動(dòng)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)環(huán)的振動(dòng)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(dòng)位移周期均呈正態(tài)分布;

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

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