CN104807586A - 海上浮式风机系泊系统断裂失效预报方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上浮式风机系泊系统断裂失效预报方法与系统，所述预报方法的步骤如下：1)建立系统动力学模型，计算临界运动区域及缆索检测张紧力；2)当平台在临界运动区域时，计算缆索动态张紧力；3)将动态与检测张紧力对比，判断缆索状态；4)平台超出临界运动区域，缆索断裂失效，判断断裂缆索编号。所述预报系统，包括平台位姿传感模块、缆索张紧力传感模块、信号采集与传输模块、系泊系统动力学分析模块和缆索断裂失效判断模块；平台位姿传感模块位于整机重心位置处，缆索上端安装有缆索张紧力传感模块，信号采集与传输模块与平台位姿传感模块和缆索张紧力传感模块相连，所述系泊系统动力学分析模块与缆索断裂失效判断模块相连。

Description

海上浮式风机系泊系统断裂失效预报方法与系统

技术领域

本发明涉及风电设备监测与维护领域，特别涉及海上浮式风机系泊系统断裂失效预报方法与系统。

背景技术

海上浮式风机为深海风能开发提供了有效的解决方案，已成为国内外海上发电研究的前沿和热点。海上浮式风机安装远离海岸，运行过程中风浪流作用下将产生大幅度的运动和复杂的运行动载。缆索用于风力机牵引定位，将风力机受到的载荷传递到海底，是风力机安全稳定运行的保证。海洋环境中缆索呈现出显著的非线性特性，尤其当处于松驰-张紧交替状态时，缆索张紧力变化异常复杂，可能出现很高的动态张紧力而导致系泊系统断裂失效。一旦缆索发生断裂事故，将导致剩余缆索张紧力增大而加快其失效，甚至风力机发生倾覆而损毁，带来巨大的经济损失。因此，如何对系泊系统的断裂失效进行预报，实现预防性维护防止风力机倾毁，成为当前亟待解决的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种可靠性强、能对系泊系统的断裂失效进行预报的海上浮式风机系泊系统断裂失效预报方法，及可实现该方法的系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤：

1)根据系泊系统缆索的参数及布置方案，建立系统的动力学模型，计算缆索张紧且尚未发生断裂失效的临界运动区域及缆索的检测张紧力；

2)当检测到平台位移到临界运动区域范围内时，进行相应的系泊系统非线性动力学响应分析，获得各根缆索的动态张紧力；

3)将缆索的动态张紧力与检测张紧力进行对比，若两者的差值超过规定的误差范围，则判定该缆索发生断裂失效，否则该缆索处于正常工作状态；

4)当平台位移超出临界运动区域，缆索断裂失效，根据平台位移判断断裂缆索的编号；

5)将采集的信息和判定结果实时发送到监测中心主机。

一种海上浮式风机系泊系统断裂失效预报系统，包括用于采集平台位移和角度信息的平台位姿传感模块、用于采集平台位姿和系泊系统中缆索张紧力信号的缆索张紧力传感模块、信号采集与传输模块、系泊系统动力学分析模块和缆索断裂失效判断模块；所述平台位姿传感模块位于整机重心位置处的浮式平台中间立柱上，每根缆索靠近平台的位置处安装有缆索张紧力传感模块，所述信号采集与传输模块与所述平台位姿传感模块和缆索张紧力传感模块相连，并经信号通讯电缆与监测中心主机和系泊系统动力学分析模块相连，所述系泊系统动力学分析模块与缆索断裂失效判断模块相连。

所述平台位姿传感模块包括GPS系统、惯性测量单元及相应的位移和角度计算单元，所述缆索张紧力传感模块包括应变片及信号调理电路。

所述惯性测量单元包括加速度计和陀螺仪。

所述系泊系统为张紧式或悬链式。

本发明的技术效果在：本发明预报系统中缆索张紧力传感模块的应变片布置在系泊缆索靠近平台位置，测量各缆索承受的动态张紧力，平台位姿传感模块的GPS系统和惯性测量单元布置在浮式平台几何中心线上，用于实现平台位移和角度的精确定位。其中，惯性测量单元内的加速度计测量x,y,z方向的加速度，3个陀螺仪测量绕x,y,z轴的角加速度。信号采集与传输模块用以采集平台位姿和缆索张紧力信号，并通过信号通讯电缆发送到监测中心主机。系泊系统动力学分析模块依据浮式平台位姿进行非线性动力学响应分析，提供缆索动应力变化曲线。缆索断裂失效判断模块则根据动力学分析和检测得到的缆索张紧力来判断缆索是否断裂失效。信号采集与传输模块将采集的信息和判定结果实时发送到监测中心主机，便于工作人员监测系泊系统的工作状态，当系泊系统存在断裂失效的可能时，可采取措施及时进行维修。

本发明采用GPS系统与惯性测量单元组合能够实现浮式平台的精确实时定位；基于系泊系统动力学响应分析，通过理论计算与检测结果对比进行系泊缆索断裂失效判断，该方法简单高效，可实现性强。本发明也适用于海上各类浮式平台系泊系统的监测。

附图说明

图1为本发明断裂失效预报方法的流程图；

图2为本发明断裂失效预报系统的方框图；

图3为本发明断裂失效预报系统的总体结构示意图；

图4为本发明中海上浮式风机平台运行状态示意图。

具体实施方式

以半潜式海上浮式风机为例，对本发明进行详细介绍。

如图1所示，本发明的海上浮式风机系泊系统断裂失效预报方法，先根据平台位姿，计算缆索张紧且尚未发生断裂失效的临界运动区域及缆索的检测张紧力；当平台位移在安全区域范围内时，缆索处于安全状态，不进行系泊系统动力学响应分析；当平台位移在临界运动区域范围内时，缆索存在张紧力，则对系泊系统进行分析，获得各根缆索的动态张紧力；将缆索的动态张紧力和检测张紧力进行对比，当差值在规定的误差范围内，说明缆索处于安全状态，否则表明该根缆索发生断裂失效；将采集的信息和判定结果实时发送到监测中心主机，便于工作人员及时监测系泊系统的工作状态，当系泊系统存在断裂失效的可能时，可采取措施及时进行维修；当平台位移超出最大临界运动区域，则存在缆索断裂失效，进一步根据平台位移判断断裂缆索的编号，便于工作人员准确及时采取措施对系泊系统进行维修。

如图2所示，系泊系统的3条缆索从平台引出均匀辐射至海底，缆索呈悬垂状态，断裂失效预报系统中包括平台位姿传感模块、缆索张紧力传感模块、信号采集与传输模块、系泊系统动力学分析模块和缆索断裂失效判断模块；平台位姿传感模块位于整机重心位置处的浮式平台中间立柱上，每根缆索靠近平台的位置处安装有缆索张紧力传感模块，信号采集与传输模块与平台位姿传感模块和缆索张紧力传感模块相连，并将采集到的信息通过信号通讯电缆发送到监测中心主机和系泊系统动力学分析模块上，系泊系统动力学分析模块与缆索断裂失效判断模块相连。

惯性测量单元内的加速度计测量x,y,z方向的加速度，3个陀螺仪测量绕x,y,z轴的角加速度。

根据系泊缆索的参数及布置方案，计算缆索张紧且尚未发生断裂失效的临界运动区域，如图4中的阴影区域。

如图3所示，海上浮式风机包括叶片1、塔架2、平台4、缆索6，理想条件下海上浮式风机安装状态下的重心位置为系统坐标原点，平台位姿检测结果将转换到该坐标系统。

平台位姿传感模块的惯性测量单元3布置在浮式平台中间立柱的整机重心位置，易于实现平台位姿的精确测量，当平台位移到或超过临界运动区域时，进行相应的系泊系统非线性动力学响应分析。

系泊系统动力学分析模块采用非线性有限元建立系统的动力学模型，将惯性测量单元获得的六自由度加速度谱作为载荷施加到浮式平台重心位置，通过动力学分析可以获得各根缆索动态应力变化情况。

缆索张紧力传感模块的应变片5布置在缆索靠近平台位置，应变片信号传输距离较短，且安装检修方便。平台位姿传感模块的信号采集硬件可安装在浮式平台结构上，信号传输利用风电机组信号通讯电缆发送到监测中心主机。

如图4(a)中3条缆索松驰，缆索处于安全状态，当平台运动到图4(b)的状态时，缆索2和3处于张紧状态，是否发生断裂需要根据对应的缆索张紧力检测结果进行判断。统计分析一定时长内缆索2和3的动态张紧力，将其与检测获得的缆索2和3的检测张紧力进行比较，如果误差在规定的范围内，则判定缆索没有发生断裂，否则判定相应缆索断裂失效。当平台运动到图4(c)的状态时，根据平台位移检测结果超出了最大的临界运动区域，则可以判断缆索3发生断裂。

本发明对张紧式或悬链式的系泊系统均有效，也适用于海上各类浮式平台系泊系统的监测。

本发明的优点在于，采用GPS系统与惯性测量单元组合能够实现浮式平台的精确实时定位；基于系泊系统动力学响应分析，通过理论计算与检测结果对比进行系泊缆索断裂失效判断，该方法简单高效，可实现性强。

Claims (5)

1.一种海上浮式风机系泊系统断裂失效预报方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)根据系泊系统缆索的参数及布置方案，建立系统的动力学模型，计算缆索张紧且尚未发生断裂失效的临界运动区域及缆索的检测张紧力；

2)当检测到平台位移到临界运动区域范围内时，进行相应的系泊系统非线性动力学响应分析，获得各根缆索的动态张紧力；

3)将缆索的动态张紧力与检测张紧力进行对比，若两者的差值超过规定的误差范围，则判定该缆索发生断裂失效，否则该缆索处于正常工作状态；

4)当平台位移超出临界运动区域，缆索断裂失效，根据平台位移判断断裂缆索的编号；

5)将采集的信息和判定结果实时发送到监测中心主机。

2.一种用于实现如权利要求1所述方法的海上浮式风机系泊系统断裂失效预报系统，其特征在于，它包括用于采集平台位移和角度信息的平台位姿传感模块、用于采集平台位姿和系泊系统中缆索张紧力信号的缆索张紧力传感模块、信号采集与传输模块、系泊系统动力学分析模块和缆索断裂失效判断模块；所述平台位姿传感模块位于整机重心位置处的浮式平台中间立柱上，每根缆索靠近平台的位置处安装有缆索张紧力传感模块，所述信号采集与传输模块与所述平台位姿传感模块和缆索张紧力传感模块相连，并经信号通讯电缆与监测中心主机和系泊系统动力学分析模块相连，所述系泊系统动力学分析模块与缆索断裂失效判断模块相连。

3.根据权利要求2所述的海上浮式风机系泊系统断裂失效预报系统，其特征在于，所述平台位姿传感模块包括GPS系统、惯性测量单元及相应的位移和角度计算单元，所述缆索张紧力传感模块包括应变片及信号调理电路。

4.根据权利要求3所述的海上浮式风机系泊系统断裂失效预报系统，其特征在于，所述惯性测量单元包括加速度计和陀螺仪。

5.根据权利要求2所述的海上浮式风机系泊系统断裂失效预报系统，其特征在于，所述系泊系统为张紧式或悬链式。