CN108709724A - 风力发电机组螺栓在线状态监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组螺栓在线状态监测系统及方法，系统包括设置于螺母和法兰之间的应力垫圈传感器；集中接收单个风力发电机的各个测点传感器监测数据的传感器数据采集系统；将风力发电机各部位应力垫圈传感器采集的信号解析成螺栓的轴向应力，并能够将螺栓轴向应力的时域信号转换成频域信号的数据处理系统；接收各单个风力发电机应力数据，并形成历史数据，进行绘制和比对，对异常螺栓的瞬态数据进行记录并告警的风电场中央监控系统。

Description

风力发电机组螺栓在线状态监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电机组螺栓在线状态监测系统及方法。

背景技术

随着全球气候问题的加剧，新能源技术的应用得到大力发展和推广，在这些新能源中风力发电技术的发展较为迅速，海上风电的发展近几年也得到的了地方政府和能源企业的大力支持，发展迅速。

目前风电机组各部件的连接一般是通过高强螺栓进行连接，比如叶片和轮毂之间的连接、轮毂和主轴之间的连接、塔筒筒体之间的连接等，在风电机组整个生命周期20年-30年内，因风的多变及不确定性所带来的交变载荷而导致的局部螺栓断裂事件时有发生，若局部螺栓断裂后没有及时发现，往往会导致事故的进一步扩大，甚至会引起机组倒塌等恶性事故的发生。风电机组正常运行期间，高强螺栓的巡检周期一般为半年至一年，巡检周期间隔较长，螺栓出现松动或断裂的情况不能够及时发现，且每次巡检耗费大量的时间、人力、物力，尤其对于海上风电机组，深入海岸线以内数公里，机组巡检不方便，巡检费用较高等问题比较突出。这些都对螺栓连接的可靠性和巡检维护的科学性提出了较高的要求。

现有技术中，有通过将应变片贴在法兰结合处，并通过应变片测试相应位置的载荷值，并将载荷值反馈给控制元件，进而与控制元件中的阈值进行比较，当超过阈值时发出报警信号。这种方式对应变片的要求较高，而应变片的寿命比较短，一般只有半年至一年时间，寿命到期后需要进行更换。

另外，还有一种技术(发明名称：一种风力发电机组法兰螺栓在线监测及故障诊断系统,申请公布号CN104142229A)是通过采用角位移传感器来测试螺栓与螺母的相对转动量，采用加速度传感器来监测法兰位置的整体状态，其工作原理是将角位移传感器安装在工装上并与螺栓连接，将加速度传感器安装在法兰面上，通过监测螺栓和螺母的相对转动量以及法兰的加速度情况来判断螺栓是否发生松动。这种方法只能针对螺栓和螺母发生相对位移的情况进行监测，对螺栓发生屈服变长但螺栓和螺母之间无相对位移的情况无法进行监测；此外此方法无法监测螺栓轴向应力数值的大小，也无法对螺栓的轴向应力历史数据进行绘制、比对、趋势分析，无法对螺栓的寿命进行预测。

综上，现有技术虽然在螺栓的在线监测上有一定的贡献，但仍存在较多的不足之处，无法满足实际应用。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种风力发电机组螺栓在线状态监测系统及方法。

首先，本发明提供一种风力发电机组螺栓在线状态监测系统，该系统利用应力垫圈传感器来改善应变片与角位移传感器的缺陷，能够监测螺栓轴向应力数值的大小，准确的对螺栓的使用状态进行评估，以辅助对螺栓寿命的监控与预测，保证风力发电机组的正常运行。

其次，本发明提供了一种基于上述系统的监测方法，能够对整个风力放电机组各个测点的螺栓进行统一管理，更为有效的保护风力发电机组的运行安全，对于超出设定阈值的机组能够给予实施安全停机策略。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种风力发电机组螺栓在线状态监测系统，包括：

设置于螺母和法兰之间的应力垫圈传感器；

集中接收单个风力发电机的各个测点传感器监测数据的传感器数据采集系统；

将风力发电机各部位应力垫圈传感器采集的信号解析成螺栓的轴向应力，并能够将螺栓轴向应力的时域信号转换成频域信号的数据处理系统；

接收各单个风力发电机应力数据，并形成历史数据，进行绘制和比对，对异常螺栓的瞬态数据进行记录并告警的风电场中央监控系统。

进一步的，所述状态监测系统还包括风力发电机组生产厂家云监控系统，所述风电场中央监控系统将所有风力发电机组的螺栓监测状况及数据上传至云服务器，云服务器与风力发电机组生产厂家云监控系统连接。

这样的设计能够保证风力发电机组生产厂家云监控系统可以结合螺栓应力数据及机组其它运行数据等对机组状态进行分析，为使用者提供机组增功提效、机组寿命延长等增值服务。

进一步的，所述应力垫圈传感器连接有数据输出线，将螺栓轴向应力载荷转化成0-50mv直流电压信号，并输出至传感器数据采集系统。

进一步的，所述应力垫圈传感器在安装前经过标定，并随同螺栓一并安装，对传感器信号进行检测，并判断螺栓预紧力是否达到施工要求。

进一步的，所述传感器数据采集系统包括多个传感器采集仪，每个传感器采集仪对应风力发电机一个部位的所有螺栓监测数据。

作为一种优选实施例，叶片的监测数据、轮毂与主轴连接螺栓的监测数据汇总至轮毂信号采集仪，并将轮毂信号采集仪的数据通过滑环传递至机舱信号采集仪；主机架与发电机底架连接螺栓监测数据、主机架与轴承座连接螺栓监测数据、主机架与弹性支承连接螺栓监测数据、主机架与偏航轴承连接螺栓监测数据汇总至机舱信号采集仪，并将机舱信号采集系统数据通过信号线传递至塔筒底部主采集仪；同时将塔筒各法兰连接螺栓监测数据汇总至塔筒底部主采集仪。

进一步的，所述数据处理系统包括数据处理模块和风电机组控制器，数据处理模块将各部位传感器采集的信号解析成螺栓的轴向应力，将螺栓轴向应力的时域信号转换成频域信号，进而解析出对应的频率，同时能够将解析后的螺栓轴向应力数据和频率数据传输给风电机组控制器。

进一步的，所述风电机组控制器将传感器数据采集系统的螺栓轴向应力信号和频率作为整机控制系统的输入变量，并实时与预先设定的阈值进行比较，进而判断螺栓的工作状态是否正常，对于螺栓轴向应力或频率超出阈值范围的机组采取告警或/和自动停机的措施。

进一步的，单个风电场的多台风机的螺栓应力监测数据通过风电场自身光纤网络传送至风电场中央监控系统。

进一步的，所述风电场中央监控系统根据本地存储的螺栓应力历史数据对螺栓轴向应力进行雨流计数，并根据雨流计数之后的结果结合螺栓的S-N曲线自动进行螺栓寿命的预测。

基于上述系统的监测方法，采集各个测点处的螺栓应力数据，集中接收单个风力发电机的各个测点传感器监测数据，将风力发电机各部位应力垫圈传感器采集的信号解析成螺栓的轴向应力，并能够将螺栓轴向应力的时域信号转换成频域信号，融合各个风力发电机应力数据，并形成历史数据，进行绘制和比对，对异常螺栓的瞬态数据进行记录并告警，根据螺栓应力历史数据对螺栓轴向应力进行雨流计数，并根据雨流计数之后的结果结合螺栓的S-N曲线自动进行螺栓寿命的预测。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明利用应力垫圈传感器来改善应变片与角位移传感器的缺陷，能够监测螺栓轴向应力数值的大小，准确的对螺栓的使用状态进行评估，以辅助对螺栓寿命的监控与预测，保证风力发电机组的正常运行。

2、本发明能够对整个风力放电机组各个测点的螺栓进行统一管理，更为有效的保护风力发电机组的运行安全，对于超出设定阈值的机组能够给予实施安全停机策略；

3、本发明将单个风力发电机组各测点实时采集的数据通过屏蔽电缆信号线的方式采集并汇总至塔筒底部主采集仪，并在塔筒底部主采集仪进行简单的数据分析与处理后送至风电机组主控系统，实现集中管理；

4、本发明可以将单个风力发电机组各测点的实时数据用于风力发电机组的主控输入数据，用于保护风力发电机组的运行安全，对于超出设定阈值的机组实施安全停机策略；

5、本发明能够对想要了解的区域的某一颗或某几颗螺栓的长期历史数据进行绘制、比对等，并能够对异常螺栓的瞬态数据进行记录并告警，提示运行人员对异常螺栓进行重点关注；

6、本发明可以对螺栓的历史应力数据进行绘制与趋势比对，并能够对螺栓的轴向应力进行雨流计数，进而进行螺栓疲劳寿命的预测；

7、本发明可以与风力发电机组生产厂家云监控系统连接，能够将已运行的所有风力发电机组的螺栓监测状况及数据传送至云监控系统，生产厂家可以结合螺栓应力数据及机组其它运行数据等对机组状态进行分析，并可以为业主提供机组增功提效、机组寿命延长等增值服务，实现整个风力发电机组的安全、良性发展。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为应力垫圈传感器的安装示意图；

图2为单个机组的整体螺栓监测系统结构图；

图3为单个风电场所有机组的监测系统示意图；

图4为高强螺栓S-N曲线；

图5为风力发电机组生产厂家云监控系统示意图；

其中：1为螺栓本体，2为螺母，3为应力垫圈，4为法兰，5为螺栓头，6为信号传输线。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

在以下的描述中，将描述本发明的多个不同的方面，然而，对于本领域内的普通技术人员而言，可以仅仅利用本发明的一些或者全部结构或者流程来实施本发明。为了解释的明确性而言，阐述了特定的数目、配置和顺序，但是很明显，在没有这些特定细节的情况下也可以实施本发明。在其他情况下，为了不混淆本发明，对于一些众所周知的特征将不再进行详细阐述。

本发明所用的是应力垫圈传感器。由于应力垫圈传感器为现有装置，其结构不再赘述。本传感器自带数据输出线，并能够将螺栓轴向应力载荷转化成0-50mv直流电压信号，并输出至数据采集仪。

图1所示为应力垫圈传感器与螺栓之间的安装示意图，其中1为螺栓本体，2为螺母，3为应力垫圈，4为法兰，5为螺栓头，本传感器在安装前需要标定，并随同螺栓施工时一并安装，安装完成后，对传感器信号进行检测，并判断螺栓预紧力是否达到施工要求。可以使得螺栓在安装时就满足应力要求。

当然，在其他实施例中，也可以每一颗螺栓安装一个传感器，亦可间隔安装，主要取决于工程技术人员对被监测部件的关注程度。

图2所示为单个机组的整体螺栓监测系统结构图。

在本实施例中，将多只叶片的监测数据、轮毂与主轴连接螺栓的监测数据汇总至轮毂信号采集仪，并将轮毂信号采集仪的数据通过滑环传递至机舱信号采集系统；同时将主机架与发电机底架连接螺栓监测数据、主机架与轴承座连接螺栓监测数据、主机架与弹性支承连接螺栓监测数据、主机架与偏航轴承连接螺栓监测数据汇总至机舱信号采集系统，并将机舱信号采集系统数据通过信号线传递至塔筒底部主采集仪；同时将塔筒各法兰连接螺栓监测数据汇总至塔筒底部主采集仪。通过信号线的连接，能够保证各部位的监测数据同步传输至塔筒底部主采集仪。

连接方式包括但不限于滑环和信号线等方式。

塔筒底部主采集仪自身具备数据存储及计算处理能力，能够将各部位传感器采集的信号解析成螺栓的轴向应力，并能够将螺栓轴向应力的时域信号转换成频域信号，进而可以解析出塔筒的频率，同时能够将解析后的螺栓轴向应力数据和塔筒频率数据传输给风电机组PLC，风电机组PLC将主采集仪的螺栓轴向应力信号和塔筒频率作为整机控制系统的输入变量，并实时与预先设定的阈值进行比较，进而判断高强螺栓的预紧力是否失效或者螺栓是否发生断裂等，对于螺栓轴向应力或塔筒频率超出阈值范围的机组采取告警、自动停机等措施。

图3所示为单个风电场所有机组的监测系统示意图。

单个风电场的N台风机的螺栓应力监测数据通过风电场自身光纤网络传送至风电场中央监控系统，并在中央监控系统内进行长期的数据存储、复杂的数据处理等工作，中央监控系统能够对某一颗或某几颗螺栓的长期历史数据进行绘制、比对等，并能够对异常螺栓的瞬态数据进行记录并告警，提示运行人员对异常螺栓进行重点关注；中央监控系统可以根据本地存储的高强螺栓应力历史数据对螺栓轴向应力进行雨流计数，并根据雨流计数之后的结果结合螺栓的S-N曲线自动进行螺栓寿命的预测。螺栓轴向应力雨流计数后的结果如下表1所示，其中，σi为雨流计数后的轴向应力范围，Ni为σi所对应的实际循环次数，螺栓S-N曲线如图4所示，结合螺栓S-N曲线可计算得到σi应力范围所对应的允许循环次数ni，如表2所示。根据Miner线性损伤累计准侧，可计算得到螺栓疲劳损伤值进而可以根据损伤值预测螺栓寿命。

表1螺栓轴向应力雨流计数结果

表2螺栓轴向应力允许循环次数

轴向应力范围[Mpa]	允许循环次数[Cycle]
		σ1	n1
σ2	n2
		σ3	n3
…	…
		…	…
…	…
		σi	ni

图5所示为风力发电机组生产厂家云监控系统示意图，能够将已运行的所有风力发电机组的螺栓监测状况及数据传送至云监控系统，生产厂家可以结合螺栓应力数据及机组其它运行数据等对机组状态进行分析，并可以为业主提供机组增功提效、机组寿命延长等增值服务。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种风力发电机组螺栓在线状态监测系统，其特征是：包括：

设置于螺母和法兰之间的应力垫圈传感器；

集中接收单个风力发电机的各个测点传感器监测数据的传感器数据采集系统；

将风力发电机各部位应力垫圈传感器采集的信号解析成螺栓的轴向应力，并能够将螺栓轴向应力的时域信号转换成频域信号的数据处理系统；

接收各单个风力发电机应力数据，并形成历史数据，进行绘制和比对，对异常螺栓的瞬态数据进行记录并告警的风电场中央监控系统。

2.如权利要求1所述的一种风力发电机组螺栓在线状态监测系统，其特征是：所述状态监测系统还包括风力发电机组生产厂家云监控系统，所述风电场中央监控系统将所有风力发电机组的螺栓监测状况及数据上传至云服务器，云服务器与风力发电机组生产厂家云监控系统连接。

3.如权利要求1所述的一种风力发电机组螺栓在线状态监测系统，其特征是：所述应力垫圈传感器连接有数据输出线，将螺栓轴向应力载荷转化成0-50mv直流电压信号，并输出至传感器数据采集系统。

4.如权利要求1所述的一种风力发电机组螺栓在线状态监测系统，其特征是：所述应力垫圈传感器在安装前经过标定，并随同螺栓一并安装，对传感器信号进行检测，并判断螺栓预紧力是否达到施工要求。

5.如权利要求1所述的一种风力发电机组螺栓在线状态监测系统，其特征是：所述传感器数据采集系统包括多个传感器采集仪，每个传感器采集仪对应风力发电机一个部位的所有螺栓监测数据。

6.如权利要求1所述的一种风力发电机组螺栓在线状态监测系统，其特征是：风力发电机的叶片的监测数据、轮毂与主轴连接螺栓的监测数据汇总至轮毂信号采集仪，并将轮毂信号采集仪的数据通过滑环传递至机舱信号采集仪；主机架与发电机底架连接螺栓监测数据、主机架与轴承座连接螺栓监测数据、主机架与弹性支承连接螺栓监测数据、主机架与偏航轴承连接螺栓监测数据汇总至机舱信号采集仪，并将机舱信号采集系统数据通过信号线传递至塔筒底部主采集仪；同时将塔筒各法兰连接螺栓监测数据汇总至塔筒底部主采集仪。

7.如权利要求1所述的一种风力发电机组螺栓在线状态监测系统，其特征是：所述数据处理系统包括数据处理模块和风电机组控制器，数据处理模块将各部位传感器采集的信号解析成螺栓的轴向应力，将螺栓轴向应力的时域信号转换成频域信号，进而解析出对应的频率，同时能够将解析后的螺栓轴向应力数据和频率数据传输给风电机组控制器。

8.如权利要求1所述的一种风力发电机组螺栓在线状态监测系统，其特征是：所述风电机组控制器将传感器数据采集系统的螺栓轴向应力信号和频率作为整机控制系统的输入变量，并实时与预先设定的阈值进行比较，进而判断螺栓的预紧力是否正常。

9.如权利要求1所述的一种风力发电机组螺栓在线状态监测系统，其特征是：单个风电场的多台风机的螺栓应力监测数据通过风电场自身光纤网络传送至风电场中央监控系统；

所述风电场中央监控系统根据本地存储的螺栓应力历史数据对螺栓轴向应力进行雨流计数，并根据雨流计数之后的结果结合螺栓的S-N曲线自动进行螺栓寿命的预测。

10.基于如权利要求1-9中任一项所述的系统的监测方法，其特征是：采集各个测点处的螺栓应力数据，集中接收单个风力发电机的各个测点传感器监测数据，将风力发电机各部位应力垫圈传感器采集的信号解析成螺栓的轴向应力，并能够将螺栓轴向应力的时域信号转换成频域信号，融合各个风力发电机应力数据，并形成历史数据，进行绘制和比对，对异常螺栓的瞬态数据进行记录并告警，根据螺栓应力历史数据对螺栓轴向应力进行雨流计数，并根据雨流计数之后的结果结合螺栓的S-N曲线自动进行螺栓寿命的预测。