基于納米級(jí)傳感器的塔筒壽命預(yù)測方法

胡國清 王亞超 張磊 陳樹橋 陳戈 王旭東

（蒙東協(xié)合開魯風(fēng)力發(fā)電有限公司）

0 引言

實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和（簡稱“雙碳”目標(biāo)）是黨中央經(jīng)過深思熟慮做出的重大戰(zhàn)略部署，也是有世界意義的應(yīng)對(duì)氣候變化的莊嚴(yán)承諾。實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，需要對(duì)現(xiàn)行社會(huì)經(jīng)濟(jì)體系進(jìn)行一場廣泛而深刻的系統(tǒng)性變革[1]。

風(fēng)電是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的主力軍，如果未來沒有出現(xiàn)顛覆性的新技術(shù)突破，電力系統(tǒng)脫碳將主要依靠風(fēng)電和光伏發(fā)電。同時(shí)，由于風(fēng)電的成本已經(jīng)與傳統(tǒng)化石能源發(fā)電持平甚至更加經(jīng)濟(jì)，并具有進(jìn)一步降本潛力，風(fēng)電的大規(guī)模應(yīng)用會(huì)降低全社會(huì)用能成本，實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)的能源轉(zhuǎn)型。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要承載部件，主要用于支撐葉輪和機(jī)艙的重力；并且在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，需要同時(shí)承受葉輪、偏航等旋轉(zhuǎn)部件引起的振動(dòng)載荷[2]；并且，由于機(jī)組周期性的啟停機(jī)、應(yīng)對(duì)突發(fā)高危故障的緊急停機(jī)、風(fēng)突變、大湍流強(qiáng)度等，需要求機(jī)組塔筒有足夠的抗疲勞強(qiáng)度。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架主要有普通的剛塔技術(shù)以及高塔技術(shù)。隨著風(fēng)資源開發(fā)逐步向低風(fēng)速區(qū)擴(kuò)展，高塔機(jī)技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)風(fēng)電發(fā)展趨勢[3]。隨著塔架的增高，由此帶來的塔筒穩(wěn)定性及壽命問題也更加突出。

1 技術(shù)說明

1.1 概述

本方案為了實(shí)現(xiàn)塔筒壽命的評(píng)估，使用一種納米級(jí)精度傳感器測量塔筒截面位置的應(yīng)變，通過應(yīng)變計(jì)算彎矩，從而進(jìn)行塔筒疲勞損傷的評(píng)定及壽命的預(yù)估。

基于納米級(jí)傳感器的塔筒載荷壽命預(yù)測方法包含以下幾個(gè)方面：①將應(yīng)變傳感器貼于塔筒測量位置，實(shí)現(xiàn)指定塔筒位置應(yīng)變信號(hào)的采集。②對(duì)應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，獲取應(yīng)變與載荷的對(duì)應(yīng)關(guān)系。③進(jìn)行實(shí)測載荷與Blade仿真載荷的對(duì)比，確定載荷測量的有效性。④根據(jù)非線性疲勞損傷評(píng)估方法，開發(fā)壽命預(yù)估模型，實(shí)現(xiàn)塔架疲勞壽命的預(yù)測功能。

1.2 應(yīng)變測量傳感器原理

本方案應(yīng)變的測量使用納米級(jí)傳感器進(jìn)行測量，其原理如圖1所示。傳感器采用高分辨率反射式光電原理來測量一定距離內(nèi)產(chǎn)品的高精度應(yīng)變量：產(chǎn)品利用高可靠性的藍(lán)光LED發(fā)光管不間斷發(fā)射光束，通過對(duì)高密度細(xì)分器反射的正余弦光信號(hào)進(jìn)行采集，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化，經(jīng)過產(chǎn)品內(nèi)部信號(hào)的處理，最終輸出產(chǎn)品測量的應(yīng)變量。該傳感器測量應(yīng)變精度為0.0625με，量程50000με，是行業(yè)中分辨率極高、量程范圍寬的一款產(chǎn)品，可滿足各種惡劣環(huán)境長期使用。

1.3 塔筒應(yīng)變測量方案

塔筒應(yīng)變測量布置方案如圖2、圖3所示。應(yīng)變傳感器總共安裝5個(gè)截面，每個(gè)截面安裝4個(gè)應(yīng)變傳感器，安裝于同一水平面上，間隔90°安裝。測量塔筒每個(gè)截面Mx、My方向載荷。高度上5層應(yīng)變傳感器分別布置于塔筒近似等間距的五個(gè)截面上，實(shí)施位置可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行上下調(diào)節(jié)，保證便于現(xiàn)場實(shí)施安裝。

圖2 塔筒應(yīng)變測量布置方位圖

1.4 塔筒載荷標(biāo)定

應(yīng)變傳感器粘貼完成后，由于受粘貼因素，傳感器本身靈敏度因素的影響，一般需要對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

由材料力學(xué)的知識(shí)可知，應(yīng)變與彎矩之間的關(guān)系如式（1）所示，其中E為材料的彈性模量，Wb為被測截面的抗彎截面系數(shù)，與截面尺寸有關(guān)，可通過塔筒應(yīng)變傳感器貼片位置處的內(nèi)徑計(jì)算得到。

式中，ε為實(shí)際產(chǎn)生的應(yīng)變值，應(yīng)為傳感器測量εc的減去初始應(yīng)變值εo，再乘上實(shí)際靈敏度系數(shù)k，因此，式（1）可轉(zhuǎn)化為式（2）：

因此，對(duì)于應(yīng)變傳感器的標(biāo)定是對(duì)初始應(yīng)變值及靈敏度系數(shù)。標(biāo)定方法是通過機(jī)頭的懸吊彎矩進(jìn)行標(biāo)定。機(jī)組在小風(fēng)偏航過程中的最大值和最小值的絕對(duì)值應(yīng)基本相等，并且接近機(jī)頭的懸吊彎矩。懸吊彎矩由機(jī)組的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算得到，由機(jī)頭重量及機(jī)頭重心與塔筒中間的距離，也就是懸吊彎矩的力臂。標(biāo)定時(shí)，要求機(jī)組在小風(fēng)（風(fēng)速＜5m/s）條件下，做連續(xù)偏航動(dòng)作，獲取偏航過程中的應(yīng)變數(shù)據(jù)。根據(jù)多組偏航數(shù)據(jù)，標(biāo)定得出每個(gè)傳感器靈敏度系數(shù)k及初始應(yīng)變值。

1.5 疲勞累積損傷理論

1.5.1 線性疲勞累積損傷理論

在循環(huán)的載荷作用下，設(shè)備由于疲勞引起的損傷是線性的方式累加的，如果損傷到達(dá)設(shè)備的臨界閾值時(shí)，部件就會(huì)出現(xiàn)疲勞損壞[4]。其中，最典型和工程應(yīng)用最廣泛的線性累積理論是Palmgren-Miner理論，簡稱Miner理論。

Miner根據(jù)材料損傷時(shí)吸收凈功，假設(shè)在某一應(yīng)力水平下σ1，發(fā)生疲勞斷裂時(shí)材料吸收的凈功是W，發(fā)生部分損傷N=n1時(shí)吸收的凈功為W1，則有Wi/W=ni/N。對(duì)其他應(yīng)力水平σi，i=1,2,…,n，也有Wi/W=ni/N，i=1,2,…,k。經(jīng)過k次改變應(yīng)力幅，材料發(fā)生疲勞破壞時(shí)，存在W=W1+W2+…+Wk，從而可得出Miner線性累積損傷理論的基本方程[5]如式（3）所示。

式中，ni、N1分別為應(yīng)力水平σ1時(shí)對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)、疲勞壽命。

Miner線纜累積損傷理論的損傷計(jì)數(shù)原理和失效判據(jù)如下：

1）某一水平的載荷所造成的疲勞損傷如式(4)所示:

式中，D為風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，無量綱量；N為風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在相應(yīng)載荷下的循環(huán)次數(shù)。

2）當(dāng)部件受到n個(gè)變幅載荷的作用時(shí)，損傷計(jì)數(shù)原理為：

3）構(gòu)建失效的臨界判據(jù)為：

由上述推導(dǎo)過程可知，線性Miner疲勞損傷累積理論未能考慮到加載次序?qū)?gòu)件疲勞壽命的影響，導(dǎo)致依據(jù)該理論估算的壽命損耗結(jié)果偏大。因此，不少學(xué)者對(duì)Miner理論進(jìn)行了修正，修正后如式（7）所示：

式中，a的值通過實(shí)驗(yàn)確定，一些疲勞試驗(yàn)中給出平均值是0.68。

1.5.2 雨流計(jì)數(shù)法

在疲勞設(shè)計(jì)和疲勞試驗(yàn)中使用最為廣泛的一種計(jì)數(shù)方法是雨流計(jì)數(shù)法，簡稱雨流法，又叫“塔頂法”。其計(jì)數(shù)原理如圖4所示。將應(yīng)力的軌跡看作一滴雨滴從時(shí)間軸往下流動(dòng)，根據(jù)雨滴的軌跡線來確定載荷循環(huán)次數(shù)[6]。

圖4 雨流計(jì)數(shù)法示意圖

雨流法計(jì)數(shù)規(guī)則為：

1）雨流的起點(diǎn)依次在每個(gè)峰值（谷值）的內(nèi)側(cè)，即屋頂；

2）雨流在下一個(gè)峰值（谷值）處落下，直到對(duì)面的峰值（谷值）比開始時(shí)更大（更小）為止；

3）當(dāng)雨流遇到上面屋頂流下的雨流時(shí)，就停止；

4）取出所有的全循環(huán)，并記下各自的幅值；

5）按正負(fù)斜率取出所有的半循環(huán)，并記下各自的幅值；

6）把取出的半循環(huán)按雨流法第二階段計(jì)數(shù)法則處理并計(jì)數(shù)。

計(jì)算過程包括以下幾步：

1）查找應(yīng)力變化過程通過旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的辨識(shí)來確定連續(xù)的波峰和波谷；

2）連續(xù)的波峰和波谷再重新排列使序列儀應(yīng)力變化過程的最高峰開始；

3）審視波峰和波谷的序列以確定雨流周波；

4）記錄每一個(gè)雨流周波的平均值與范圍；

5）雨流周波的計(jì)算根據(jù)周波平均值與范圍來分級(jí)。

1.6 壽命預(yù)估模型的簡歷

根據(jù)疲勞損傷理論進(jìn)行壽命預(yù)估模型的開發(fā)，流程如圖5所示。將塔架截面分成24個(gè)扇區(qū)，并將各截面的Mx、My載荷投影到各個(gè)扇區(qū)上。經(jīng)雨流統(tǒng)計(jì)，得到每個(gè)扇區(qū)上彎矩載荷的平均值、波動(dòng)幅值、循環(huán)次數(shù)。根據(jù)非線性疲勞損傷準(zhǔn)則，計(jì)算不同高度截面的螺栓、焊縫、門洞疲勞損傷，并累加。用1相減，得到剩余疲勞損傷，除以每年的理論損傷，即可得到剩余疲勞壽命，如圖5所示。

圖5 剩余壽命預(yù)估方法

2 案例研究

2.1 測試部署

本文提出的基于納米級(jí)傳感器的塔筒載荷壽命預(yù)測技術(shù)在某風(fēng)場130-2500機(jī)組進(jìn)行測試，塔筒高度118m。應(yīng)變傳感器分別粘貼于塔筒102m截面、70m截面位置、45m截面位置、23m截面位置、1m截面位置，每個(gè)截面安裝4個(gè)應(yīng)變傳感器，間隔90°進(jìn)行安裝。傳感器數(shù)據(jù)集中到采集器中，采集器同時(shí)采集風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況數(shù)據(jù)，用作壽命預(yù)測模型的建立。

2.2 測試結(jié)果

對(duì)現(xiàn)場實(shí)測載荷數(shù)據(jù)與仿真載荷進(jìn)行對(duì)比，五個(gè)截面對(duì)接結(jié)果分別如圖6~圖10所示。

從圖6~圖10可以看出，塔架載荷測量的準(zhǔn)確度較高，該測量載荷對(duì)于疲勞壽命的預(yù)測也就更加準(zhǔn)確。

圖6 1m高度塔筒彎矩對(duì)比

圖7 23m高度塔筒彎矩對(duì)比

圖8 45m高度塔筒彎矩對(duì)比

圖9 70m高度塔筒彎矩對(duì)比

圖10 102m高度塔筒彎矩對(duì)比

3 結(jié)束語

本文提出一種基于納米級(jí)傳感器對(duì)風(fēng)電機(jī)組塔架壽命進(jìn)行預(yù)測的方法。該技術(shù)利用納米級(jí)傳感器測量塔筒不同截面的應(yīng)變，通過標(biāo)定后，將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為塔筒各個(gè)截面的載荷Mx、My。將各截面的Mx、My載荷投影到各個(gè)扇區(qū)上，并應(yīng)用Miner理論，進(jìn)行疲勞損傷的預(yù)測，由此實(shí)現(xiàn)塔筒剩余壽命的預(yù)測。本文使用實(shí)測載荷數(shù)據(jù)與仿真載荷進(jìn)行對(duì)比分析，表明了該載荷測量的準(zhǔn)確性。因此，也表明了壽命預(yù)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

本文所提供的方案能夠?qū)λ草d荷進(jìn)行準(zhǔn)確測量，并根據(jù)塔筒載荷進(jìn)行塔筒疲勞壽命預(yù)測，對(duì)塔筒部件的全生命周期運(yùn)行服務(wù)提供重要的數(shù)據(jù)及狀態(tài)支撐，具有重要的工程意義和市場推廣應(yīng)用價(jià)值。