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风力发电机基础状态在线监测系统的应用宾世杨

发表时间：2020/5/6 来源：《基层建设》2020年第2期作者：宾世杨

[导读] 摘要：风力发电机的发展越来越趋向于大型化，为了保证机组的正常运行，防止基础突发故障而造成经济上的损失和人员的伤亡，需要一种专门的监测系统对风力发电机基础进行监则。

        国家电投集团广西兴安风电有限公司广西桂林 541300
        摘要：风力发电机的发展越来越趋向于大型化，为了保证机组的正常运行，防止基础突发故障而造成经济上的损失和人员的伤亡，需要一种专门的监测系统对风力发电机基础进行监则。通过在线监测系统在风力发电机上的工作原理和运用方式,实时掌握风机塔筒与基础的常见病害的发展趋势，为安全性预警评估、制定科学的日常维护机制等提供重要依据。降低安全维护成本、避免严重病害及倒塌事故的发生，将故障损失降到最小。
        关键词：风力发电机基础；监测；预警
        引言
        随着风力发电机长时间投运，风机运行隐患逐步暴露，由于缺乏必要的监测和保护手段，导致故障破坏链扩大，甚至递延至叶片折断、脱落、主轴断裂、风机倒塌、风机失火等恶性事故。在目前风电清洁能源快速发展、风力发电机投运数量巨大的情况下，对影响风力发电机安全运行的关键因素进行监测监控，为风机的安全运行提供决策支持具有重要意义。
        通过对关键部件加装传感器，采用趋势分析、频谱分析、包络谱分析等手段，确定风机故障的部件和故障性质，量化故障程度，预评估故障剩余寿命等，确保风电机组各部件（叶片、电机、主轴承、齿轮、轴承）安全性能，识别设备故障、减少非正常停机时间、给出设备运行状态报告，实现设备潜在故障的预报警。
        1 风力发电机基础现状
        1.1 基础不均匀沉降
        风力发电机的基础不均匀沉降是一种常见病害。在风力的持续作用下，风机基础一直存在较大的低频振动，导致其难以使用传统的静态水准仪或静态倾角仪来精确监测其不均匀沉降。因此，风机基础是一种不断在振动的结构体，使用动态倾角仪来监测会更加合适。
        1.2塔筒法兰盘螺栓松动
        风力发电机组塔筒是通过法兰盘和螺栓拼装而成，其法兰盘紧固螺栓由于长期承受较大拉应力和振动，而导致螺母逐步松动，特别是在风荷载等作用下容易出现松动。因此，风力发电机组塔筒法兰盘螺栓松动是此类型塔筒的常见通病，也是风机运营安全的重点监测对象。
        1.3机舱与塔筒之间的转动“齿轮”耦合不良问题
        我们通过对大量的风机塔筒的实时监测和分析后，发现当机舱与塔筒之间的齿轮箱的“齿轮”耦合不良时，机舱偏航时由于“齿轮”的转动而施加于塔筒上强烈的水平冲击力，会引起风力发电塔较强的振动，特别是“齿轮”耦合严重不良时会在转动时给予塔筒激烈的冲击力而造成塔筒剧烈振动。此类强振事件发生频繁，其每次持续时间虽然在2分钟内，但是振动强度远大于风荷载引起的振动强度，如果不及时发现“齿轮”耦合严重不良现象和进行维修，则会严重影响到风力发电塔的使用寿命，甚至导致风力发电塔倒塌。
        1.4基础混凝土开裂
        风机基础开裂与风机的振动等动力响应特性的变化存在因果关系。风机基础开裂会减弱风机整体牢固强度，而其整体牢固强度的逐步减弱必然会引起风机塔筒的动力响应特性的变化。分析风机基础产生开裂的原因可知，即使正常运行的基础混凝土也会由于巨大的倾覆力矩以及拉压力的作用从而产生初始的微小裂缝，这对于绝大多数风机来说是可以接受的，存在裂缝就容易长时间受雨水侵蚀，进而裂缝会扩大，使塔筒产生摇摆，如果没有及时检测并且加以处理，导致混凝土基础压溃,也使塔筒在同等外部荷载作用下产生更加剧烈摇摆，形成恶性循环，最终造成风机倒塌的严重后果。因此，通过对风机整体振动等动力响应特性的监测，及根据其振动信号等动力响应特性的变化情况，可实现其基础混凝土开裂损伤对风机的安全运营影响程度的自动化监测和评估，有利于减少倒塌事故的发生、促进风机安全运营自动化监测和评估技术的发展，具有重要的意义。
        2 基础状态在线监测系统必要性
        风力发电机塔架高度不断增加。随着风电向二、三类风资源地区的开发，塔架高度也在不断增加，目前陆上风机的塔架高度大多在50～120米之间，塔架本身承受复杂多变的负荷（推力、弯矩、扭矩），同时受气象及其他条件的影响，塔架会有一定幅度的摇摆和扭曲等变形。过大的摆动将导致塔体结构的变形增大，产生安全隐患，此外风机塔架基础的倾斜性沉降也可以使塔体发生倾斜。
        运行环境恶劣，风力发电机大多安装在山地、隔壁、潮间带、沙漠等野外环境中，不可避免要长期受风沙、日晒、雨淋、盐雾等侵袭。势必带来风力发电机防腐方面的难题，国内对于塔架底部基础环外的防腐并未形成行业标准。大部分风电场未进行有效的底部基础缝隙的防腐处理。此外，由于部分风机所处环境昼夜温差大，载荷变化频繁，不同的基础地质条件也各不相同，以上多种因素造成风机运行环境恶劣，直接关系到设备的健康状况，影响设备的使用寿命。
        3 基础状态在线监测系统监测原理及安装
        该系统通过分别安装在风力发电机塔筒底部上的高精度双轴倾角传感器以及安装在风力发电机塔筒顶部的多参量传感器监测塔架顶部径向晃动与底部有角度沉降的变化量，并通过数据处理单元对数据进行存储和分析，从而发现风力发电机塔架和基础的微观形态变化，这样既可以得到塔顶的摆动瞬时值，还可以得到基础环法兰的水平数据，实现了塔顶摆动度和塔基有角度沉降的在线监测。如图1：基础状态在线监测系统框架图

        图1：基础状态在线监测系统框架图
        4 风机在线监测系统功能及预警
        （1）建立基础和塔筒安全影响评估及预警或报警机制（基础不均匀沉降实时监测与安全预警等级评估；塔筒动态倾斜度实时监测与安全预警等级评估；塔筒晃动位移实时监测与安全预警等级评估；塔筒振动疲劳度发展趋势评估及过渡疲劳预警）。
        （2）基于监测数据分析病害发展趋势。
        （3）建立并设置合理安全阈值，实现自动安全预警或报警。
        （4）基础混凝土裂缝逐步增多，裂缝长度和宽度逐步增大。塔筒顶部振动位移总体程变大趋势。
        （5）基础法兰盘螺栓动应变总体程变大趋势。
        5 结论
        （1）通过安装在风力发电机组塔筒顶部和塔筒底部的倾角传感器，可以有效监测风机塔筒顶部位移及风机基础不均匀沉降量。通过实时监测，积累大量数据，实时了解风电场结构的运行状态及安全状况，经过系统的换算分析，评估风力发电机组塔筒的振动疲劳，从而制定针对性的方案措施。
        （2）随着风电场建设及运行管理的不断完善，应加大风机在线监测系统的应用，同时配备专业数据分析人员，为风电场智能化运营及风机安全运行提供重要支撑。
        参考文献
        1 郭艳平;颜文俊;包哲静;风力发电机组在线故障预警与诊断一体化系统设计与应用;电力系统自动化;2010年16期
        2 梁伟宸;许湘莲;庞可;杨明明;;风电机组故障诊断实现方法探讨;高压电器;2011年08期
        3 卢俊涛;苏立;;基于LabVIEW的风电机组状态监测的设计研究;贵州水力发电;2010年04期
        4 赵强平,王利兵，风力发电机组在线振动监测系统，中国风电生产运营管理(2013)
        5 刘春波,李明,杨欢,王雷，风力发电机组振动状态在线监测系统研究与应用，中国农业机械工业协会风能设备分会2013年度论文集