風電機組塔筒在線監(jiān)測技術之研究

劉 濤，張克功，郝 延，李恭斌，楊立平，楊 灝，蘇善斌，于滿源，王 東，王寶璽，嚴興成

（華能酒泉風電有限責任公司，甘肅 酒泉 736100）

0 引言

新能源資源的逐步開發(fā)，風能開發(fā)的主要對象開始趨向于二、三類風能資源。在一類風能資源區(qū)域內(nèi)，不僅需要整機廠商給地區(qū)發(fā)風電提供塔架，還需要提供較長的葉片。隨著塔筒高度的逐漸提升，現(xiàn)階段塔筒的高度在50 ～ 120 m 是比較常見的，因為塔筒自身需要承擔一定的重力，在風力的推動下葉輪會出現(xiàn)扭曲，在多負荷的壓力下，很容易受到氣象環(huán)境和地區(qū)地質(zhì)的影響，在不斷的擺動過程中出現(xiàn)鋼體變形現(xiàn)象。且較大幅度的擺動也會較大程度的降低塔筒的壽命，使得搭架出現(xiàn)傾斜的現(xiàn)象，出現(xiàn)安全隱患，在這樣的情況下，對塔筒健康情況的檢測尤為重要。而在線監(jiān)測技術能夠持續(xù)的對塔筒和塔架進行檢測，通過一系列的方案從原理角度監(jiān)測塔體的健康情況，但是目前的檢測技術并不能滿足對塔體的精準檢測，主要表現(xiàn)為：

（1）精度無法保障風險及塔筒傾斜測量的毫米精度要求。

（2）在大量的GPS 方案設定過程中會增加成本，使得工期延后。目前GPS 檢測系統(tǒng)需要安裝在塔體的外部，通過傾斜傳感器對位置進行測量，但是這種技術不能全面地考慮到塔體的變形特征，只能是在單一傾斜角度和變形假設數(shù)據(jù)的基礎上計算出位置移動的距離。

（3）通過家屬傳感器確定位置的過程中，運算可能受到干擾從而降低精度。

目前，成本較低、可用于風電機組塔體之傾斜及變形狀態(tài)在線監(jiān)測的系統(tǒng)和方法還有待進一步研究。

1 風電機組塔筒概述

塔筒是風電機組的構成組織之一，其在整個風電機組中承擔著銜接機艙和地面的作用，水平軸葉輪的高度需要塔筒搭建，因此，塔筒不僅要承受風速對其的所用力，還要有一定的承載能力。塔筒的首要所用就是讓軸葉輪保持在穩(wěn)定的風俗，使得其保持在最佳的風能位置。另外，塔筒也能夠滿足葉輪和機艙的需求，為其提供固定的作用，同時塔筒也是工人維修的平臺?，F(xiàn)階段我國比較常見的塔筒主要為以下三種形式，分別是錐筒式、析架式、混凝土式等。錐筒式塔筒大多被應用于大型的風力發(fā)電機組，錐筒式塔筒的結構通常為變截面薄壁。因為比較高，為了便于吊裝，提升生產(chǎn)效率，廠商通常會將塔體分開幾段，高度在20 ～30 m 不等，分開生產(chǎn)，而后利用法蘭把各個段落的塔筒銜接起來。塔底從下至上變小，整體上為圓臺狀，所以也有人把錐筒式塔筒稱之為圓臺式塔筒。這個種類的塔筒優(yōu)勢在于有較高的安全性，維修時相對方便。我國風里發(fā)電機組分布在東北和西北、華北，這三個地區(qū)是風能比較豐盈的地域，大概風功率的密度在200 ～ 300 W/m2之上，大型的風電機能夠達到500 W/m2以上，可以利用和開發(fā)的風能儲備量大概在2億kW，是我國全部儲存量的80%。這3個地區(qū)有顯著的特點就是地形相對平坦，且交通十分便利，較少有破壞性的風速，是我國目前連片的風能資源區(qū)域，也是較大規(guī)模開發(fā)風能的磁場。通常情況下，風里發(fā)電機組的使用時間周期在20年左右，國內(nèi)外目前已經(jīng)開始大量的生產(chǎn)和投入風能機組，主要有1.0 MW，1.5 MW，2.0 MW，2.5 MW 等發(fā)電容量規(guī)格，在我國大陸上，高度不同風速也有所不同，高度越高風速越大。因此，一個大陸上的風里發(fā)電機組的發(fā)電容量越大其對塔筒高度的需求越大，相對的，塔筒的筒壁厚度增加，直徑增加。常見的路上大點基礎結構為平板、樁式、析架式，其中平板塊式使用比較廣泛。

2 塔筒在線監(jiān)測技術的必要性

在風電場進行設備管理的過程中，風電基礎安全性是設備管理人員必須要考慮到的問題，因為風電機組大多在野外，無法實現(xiàn)對風電機組外觀及設備的實時監(jiān)測與檢查，尤其是對于地質(zhì)相對隱患的區(qū)域，如礦山和地震等自然災害無法到現(xiàn)場進行事前監(jiān)測。在這樣的情況下，風電機組的主要設備大多在十幾米的塔架上方運行，風速和重力的作用下一輪扭力幅度增加，導致風電塔臺風電塔筒的螺絲和焊縫承載力加重，若是在極端風速的影響下，極有可能導致停定，這種隱患已經(jīng)成為風電行業(yè)期待引起重視的問題。面對安全問題，提高設備的利用效率是保障功率和系數(shù)一致性的條件。

單臺風電機組的造價較高，大多情況下少則百萬多則千萬，甚至有一些海上的風電機，綜合造價超過了億元，面對以上的種種情況，在高額的投資風險，安全和管理已經(jīng)成為風電場必須重視的問題。尤其是塔架和風機這兩個安全隱患，若是塔筒的安全性有所降低，勢必會影響整個風電機使用壽命。而風電機組目前采取的在線監(jiān)測系統(tǒng)技術，雖然已經(jīng)有多年的經(jīng)驗，但是在運行環(huán)境惡劣的情況下以及設備健康狀態(tài)不佳的情況下，體檢測數(shù)據(jù)會有所偏差，詳情如下：

2.1 可進行針對性排查監(jiān)測

風電機組通常在山地戈壁和沙漠等野外環(huán)境中，要承受風吹日曬和延誤等，這會加速風電機組的腐蝕，使得因此風電機組防腐方面需要風電場的管理人員格外重視。風電機廠管理人員尤其重視防腐問題，日前，我國對風電塔底部的防腐設計尚未達到世界標準，大部分塔底的防腐都有縫隙，因為很多服電機組所處的環(huán)境晝夜溫差較大，負荷變化比較快，風電機組分散性不同，地質(zhì)環(huán)境也不相同，基于上述種種原因，想要在線實時監(jiān)測基風電機組的損壞程度必須根據(jù)每個風電機組的地理環(huán)境和氣候不同，對其進行數(shù)據(jù)重排列組合。

2.2 提高塔筒壽命

風電機組塔筒的檢測，在線檢測技術存在薄弱環(huán)節(jié)，主要體現(xiàn)在風電機組的設計時間周期為20年左右。在這期間內(nèi)，每一個塔架的螺栓幾乎都要被用力手拉約40 次，這使得螺栓在設計之初就要考慮到其疲勞期的出現(xiàn)。因此，在實際的塔筒運行下，塔架螺栓和焊縫必須能夠有一定的承受，和有一定的剪切力，并且將其可能出現(xiàn)的疲勞期進行預算，將這些數(shù)據(jù)融合到在線檢測技術中，才能有效提高風電機組的用壽命。

2.3 提升塔筒健康質(zhì)量

風電機組截止到2021年，我國風電機組進口材數(shù)約為9000 臺，占全部風電機組的20%，國產(chǎn)的風電技術比例逐年遞增，設備質(zhì)量也開始提升。但是，在世界標準但是仍舊不在世界風電機組的標準下，產(chǎn)能過剩導致設備質(zhì)量降低，相對于國外進口的風電機組來說，我國的設備質(zhì)量仍舊不是很高，且技術壁壘嚴重滯后于國外，導致國內(nèi)的風電機組運行健康情況堪憂。

3 實際案例分析

風電機組由“運行”到“收到停機指令”進行變槳，再到“變槳到90毅”變化過程，全程檢測出了停機過程中塔筒的擺動情況，說明風電機組在收到停機指令后是擺動最嚴重的情況，當在塔高52 m、風速11.2 m/s時停機，系統(tǒng)捕捉到的塔筒頂部最大擺動值為徑向1.19 m。

圖1 所示的風電塔筒運行能力監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器、信號處理單元和服務器組成。傳感器部分包含用于測量風電塔筒內(nèi)坡度、偏轉(zhuǎn)角和振動測量的振動傳感器，設計用于將風電塔筒內(nèi)原始物理信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集過程可識別的模擬信號。信號處理程序設計用于放大、濾波、隔離傳感器輸出的模擬信號，去除未使用和冗余的干擾信號。數(shù)據(jù)采集設備用于將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號（A/D 轉(zhuǎn)換）和將計算機編輯的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號（A/D 轉(zhuǎn)換）。對于數(shù)據(jù)傳輸，選擇電纜傳輸，主要使用備用光纖通道設備捕獲風扇外殼中包含的遠程連接數(shù)據(jù)。

圖1 筒狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體設計圖

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的基本過程是：首先通過柱內(nèi)傾斜傳感器和振動傳感器采集相關數(shù)據(jù)；其次通過光纜、遙控放大、濾波等方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺臻g數(shù)據(jù)采集裝置；最后，通過數(shù)據(jù)采集裝置模塊，轉(zhuǎn)換為有效范圍外參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)。

4 技術價值及現(xiàn)場應用收獲

4.1 系統(tǒng)構成及靈敏度

塔筒試試檢測系統(tǒng)能夠?qū)︼L電記住的塔筒底部進行實時監(jiān)測，監(jiān)測的范圍在塔筒底部的沉降量和塔架頂部，這種自動檢測儀器可以保障塔筒的基礎沉降得到有效的觀察，掌握塔架的震動幅度。

塔筒形態(tài)的在線監(jiān)控系統(tǒng)主要由上傳感器、下傳感器、數(shù)據(jù)倉庫和處理器四部分以及輸入輸出連接器組成。該系統(tǒng)收集柱的振動和坡度數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)發(fā)到安裝在柱底的加工單元中，處置單元負責數(shù)據(jù)存儲和分析。為了提高數(shù)據(jù)的準確性，現(xiàn)場工作人員可以在對風電場進行定期檢查的同時復制數(shù)據(jù)，使用數(shù)據(jù)專家診斷系統(tǒng)來分析掃描速度。

塔基傳感器在強外部振動下采集的波形變化發(fā)生在現(xiàn)場采集的風扇附近的重型充電器上，用實際采集的波形對傳感器的靈敏度進行驗證，在地震、泥石流等重大地質(zhì)災害中提供主動預防。

4.2 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的實用價值

風電機組塔筒形態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可以實時監(jiān)測塔筒的傾斜度和塔基有角度的沉降量，通過高性能傾角傳感器感知每一秒內(nèi)塔筒頂部的晃動幅度和方向。同時根據(jù)系統(tǒng)設定的邊界條件，可以自動計算每一次小風條件下塔架的穩(wěn)態(tài)變形，即傾斜度。

（1）通過對年度塔筒擺動軌跡的點堆積，可以分析出塔架一整年內(nèi)的受力情況，對受力較大方向的關鍵部位螺栓可以提出進行特殊檢查，為風電機組定檢提供技術指導。

（2）通過分析傳感器實測的瞬時數(shù)據(jù)，分析塔架暫態(tài)傾斜度，在惡劣天氣、地質(zhì)條件下，防止發(fā)生或擴大事故，主要通過處理器輸出繼電器接點，實現(xiàn)報警或停機功能。

（3）通過對塔筒底部和頂部傳感器數(shù)據(jù)的對比分析，有利于發(fā)現(xiàn)塔架局部受力不均、變形不均的情況。在風力機塔筒設計中，主要應用速度傳感器和加速度計采集振動信號。速度傳感器安裝相對簡單，但體積大、質(zhì)量高、低頻范圍差，頻率范圍10～1000 Hz，測量頻率低于10 Hz 時的振幅和相位誤差需要平衡。加速度傳感器體積小且容易出錯，特別具有良好的低頻性能.在這種情況下，加速度傳感器用于捕獲柱的振動信號。加速度傳感器是測量加速度的傳感器。它通常由質(zhì)量塊、阻尼器、柔性部件、敏感部件和自適應回路等部件組成。本傳感器利用牛頓第二加速度定律，通過測量質(zhì)量塊作用的慣性力來確定加速度值。常用的加速度傳感器包括電壓、電容、電感、電阻、電阻和力平衡。FBA 力平衡加速度傳感器具有靈敏度高、頻率低、功耗低、固有頻率低等特點，滿足信號采集要求。它非常可靠，可以在困難的條件下以低成本運行。

FBA 力平衡加速度傳感器的敏感部件是一個可變電容器，它固定在彈簧控制的質(zhì)量塊上，當被測物體移動時，導致板與電容器位置的相對位移，如圖2所示。

圖2 力平衡加速度傳感器原理圖

用KA 放大器將偏移信號放大到C，平行反饋回路C，防止質(zhì)量的相對位移，因為回流通過電阻R 和P。并且R 值及其關系決定了放大器的反饋深度。這導致系統(tǒng)剛度的變化和系統(tǒng)固有頻率的增加（高達50 Hz）。電阻矩R 和電容C。控制器的阻尼系數(shù)通常設置為阻尼電阻70701，加速度由數(shù)據(jù)輸出增益決定。由于風扇底座小，采樣速度設置為16 Hz，使峰值振動水平保持不變，并準確識別柱正面固有振動頻率的第一級。

（4）通過每一次報警極限值的激活，可以記錄在一定時期內(nèi)塔筒觸發(fā)最大振動要求的次數(shù)，對分析焊縫及螺栓的過度疲勞提供依據(jù)。

（5）通過點堆積實時計算歷史最大擺動度，根據(jù)其地形特點更加合理的設定振動保護觸發(fā)值，讓塔筒振動保護更科學。

（6）在一定時間內(nèi)對風電機組塔筒進行在線監(jiān)測，可以控制風電機組塔筒在不同風速和負載下的振動，特別是緊急停機時塔振動的最大幅度。振動試驗可以保證風力機在安全的允許值內(nèi)進行，實際最大振動取決于最大擺動服務。定值是按照機器所能承受的最大擺動幅度設定，這取決于組織的基礎、圓柱形螺釘、焊縫等元素，這對增加風電場的運行時間很重要。

4.3 現(xiàn)場實踐階段

設計針對塔筒形態(tài)在線監(jiān)測的自動裝置，利用實驗原理，實現(xiàn)傳感器的靈敏度，以期將傳感器的安裝位置加以改變，重新設計安裝工藝，了解到在塔頂和塔基中各自安裝傳感器，是相對合理且成本較低的方案，這樣不僅可以使得塔頂?shù)臄[動瞬時值，還能夠獲得基礎環(huán)法蘭相關數(shù)據(jù)，保障了塔頂擺動度和塔基有角度沉降的在線監(jiān)測。

按照設備的使用情況，對已有的數(shù)據(jù)傳輸路徑進行設計，首先，通過之前的風電機組間的光纖通道，控制數(shù)據(jù)傳輸，使得其傳輸?shù)街骺刂剖遥@樣的設計需要在施工現(xiàn)場進行熔接光纖，施工的時間相對漫長。其次，通過無線傳輸技術把數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺刂剖遥窃趯崿F(xiàn)過程中能夠了解到這一設計會使得塔架內(nèi)裝設無線發(fā)射系統(tǒng)傳輸結果失真，造成這種現(xiàn)象的主要原因是金屬屏蔽和風電場電磁干擾。面對上述問題，我們試圖通過就地存儲、硬件關聯(lián)報警的處理思路將上述難題解決。一旦發(fā)現(xiàn)風機報“安全鏈打開”類似的嚴重故障停機后，到現(xiàn)場檢查可以發(fā)現(xiàn)“本系統(tǒng)處于報警輸出狀態(tài)”，提示檢查擺動最大值，拷貝故障波形。對監(jiān)測系統(tǒng)的波形拷貝完畢后可以通過手動復位，風機安全鏈恢復正常。

5 結語

風電機組的塔架安全和機組防火已經(jīng)成為威脅機組安全、壽命的兩大致命因素，相比動輒幾千萬的風電機組設備，推行塔筒在線監(jiān)測技術與自動火災監(jiān)測滅火系統(tǒng)將成為風電設備管理者的有效手段。在風電發(fā)展更加重視設備質(zhì)量和安全發(fā)展的時代，積極推進風電機組塔筒在線監(jiān)測技術。