CN109306939A - 一种预应力钢索混凝土风电塔筒永久在线监测系统 - Google Patents

Abstract

一种预应力钢索混凝土风电塔筒永久在线监测系统预应力钢索混凝土风电塔筒，克服了传统钢制塔筒的动力性能不足的弱点，满足了目前风机发展对于塔筒的高度需求，具有施工造价低、耐久性高等特点，成为风电塔筒的技术发展新趋势。为满足预应力钢索混凝土塔筒规范性设计、生产、施工安装和运行管理的要求，开展永久在线监测，监测预应力钢索的性能和技术指标是否符合设计的规定，监测塔筒基础的不均匀沉降和塔身的振动模态和倾斜，建立国家级预应力钢索混凝土塔筒设计、生产、运行管理数据库，从而实现产业科学化、规范化健康发展。

Description

一种预应力钢索混凝土风电塔筒永久在线监测系统

技术领域

风电基础建设工程技术领域。

背景技术

风电作为绿色环保能源，目前在全球范围内得到广泛重视。随着风电技术产业地快速发展，风机塔筒的平均高度不断被突破。传统的钢制塔筒阻尼小、动刚度差，当风电机组增大容量时，钢制塔筒的局限性则显现出来，成为风电技术发展的瓶颈。预应力钢索混凝土风电塔筒，采取预制混凝土筒节或现场浇筑筒体、筒体中间均匀布置预应力钢索，通过钢索的张拉，增强混凝土塔筒的稳定性。这种新型的塔筒克服了传统钢制塔筒的动力性能不足的弱点，满足了目前风机发展对于塔筒的高度需求，具有施工造价低、耐久性高等优势，成为风电塔筒的技术发展新趋势。

发明内容

预应力钢索混凝土风电塔筒是由动态特性不同的两种结构体组合在一起的，塔筒的筒壁是钢筋混凝土结构，塔筒壁中采用张拉加载的预应力钢索，形成稳定性较强的塔筒结构。永久在线监测系统主要监测单元为钢索预应力监测单元、塔筒振动监测单元、基础不均匀沉降监测单元及辅助监测单元等四部分。

预应力钢索是核心构件，其服役状况直接关系到混凝土塔筒的安全运营与寿命。因此，对预应力钢索混凝土风电塔筒实施在线监测，及时了解预应力钢索服役状态是十分必要的。预应力钢索的安全监测，主要是通过监测预应力钢索的索力变化，判断钢索服役状况，评定其安全性。钢索的损伤变化会在其本身的索力变化和相邻索力的变化上表现出来。通过对索力的监测，不仅能为总体评价其技术状况提供依据，同时也可以在一定程度上发现预应力钢索的紧固系统、防护系统是否完好，也可以更好地理解塔筒结构承载机理，验证设计理论，从而指导设计。

预应力钢索混凝土风电塔筒的静力分析和动力分析与全钢制式的塔筒相比具有显著的差别。在风载荷、风机载荷及自重载荷组合条件下，预应力钢索混凝土风电塔筒的形变规律和动态响应等方面，目前缺少研究和技术资料。进行预应力钢索混凝土塔筒的振动监测，建立预应力钢索混凝土塔筒在自然条件下的振动模态分析的数据库，为风电塔筒制造业开展技术创新和技术优化奠定了基础。

风电场运营过程中，风机塔筒基础沉降状况直接关系到风机运行过程中的安全性。文献显示：地质地层不均匀、施工工艺不当等因素都会造成建筑物产生不均匀沉降或沉降过大。风机对基础不均匀沉降有较强的敏感性，设置塔筒基础沉降监测单元，能及时反馈风机本身因基础不均匀沉降而产生的偏移情况，有效预防出现不均匀沉降对风电机组安全生产运行造成的危害。

辅助监测单元，主要监测关键部件的应力变化趋势、金属法兰面内部缺陷及塔顶的倾斜度，并将风机运行工况参数（如风速、风向、转速等）引入塔筒监测系统，便于建立塔筒性态评价体系。

开展预应力钢索混凝土风电塔筒的实时在线监测，主要监测单元包括:

（1）预应力钢索的应力状态单元；

（2）塔筒的振动模态单元；

（3）基础的不均匀沉降单元；

（4）辅助监测单元（应力、声发射、倾斜监测及工况参数）；

（5）预应力钢索混凝土塔筒的性态评价体系。

技术方案

实时在线监测系统（real-time online monitoring system 简称 ROMS）采用开放、分层分布式系统结构，由传感器信号采集单元、数据处理单元、信息管理工作站等组成。

（1）传感器信号采集单元

ROMS所用到的各类传感器，防护等级IP67、满足恶劣环境下长期监测。

（2）数据处理单元

ROMS数据处理单元应具有现地监测、分析的功能，能对状态监测量、运行工况过程量参数进行数据采集、处理和传输。ROMS数据采集单元包括数据采集装置、相关软件、传感器供电电源等。

（3）工作站单元

ROMS的工作站应包括数据服务器、网络设备、显示器、屏柜、工程师操作台、打印输出、web服务器、网络安全装置等。ROMS数据处理单元与工作站之间采用光纤通信。

一、钢索预应力状态监测技术方案

预应力钢索应力状态监测所应用的传感器技术主要有：振动频率法、压力传感器（振弦式、应变片、液压式、光纤光栅）、磁通量传感器（EM sensor）等。各种索力测量方法，各有其特点。

振动频率法是通过建立钢索的简化模型，实测钢索的振动频率，经过计算间接得出索力，因为受减震器、钢索实际长度、外护套等影响，其测量精度和耐久性均比较差。

压力型传感器是比较传统的传感器技术，需要串接在受力结构中，将传递到传感器上面的力直接测量出来，短期精度高、动态性好，但由于受荷载长期作用、材料徐变、形变传递失真等方面的影响，耐久性和长期精度很难保证，在受力状态下无法重新校准，无法更换，因此压力型的传感器用于长期监测有一定的局限性。

针对传统的传感器技术的局限，磁通量传感器（EM Sensor）具有以下特点：

（1）通过非接触式测量解决传感器受力疲劳影响寿命问题；

（2）用模拟标定来实现运营状态的数据校准；

（3）可采用分瓣式传感器，安装、更换维护方便，满足运营钢索的监测；

（4）可以实现体内预应力（有粘结）多截面应力监测。

二、振动模态监测技术方案

塔筒受力状态复杂，风电机头在风压负载作用下，塔筒的塔身产生弹性弯曲变形，塔筒底部承受弯矩。风向改变形成了交变载荷工况，塔身出现非规则性的摆动，形成受迫振动或者称为受激振动。塔身的受激振动是危害塔筒结构安全的重要因素。预应力钢索混凝土塔筒是由两种不同特性的材料构成的高耸建筑物，分析、测试塔筒动态特性是优化结构设计、加强施工质量管理的关键点控制、预防结构破坏的必要措施。

塔筒的动态响应主要表现为振幅位移、振动加速度、振动频率，通过布置加速度传感器，可以测得塔筒动态响应的电信号，经过数据采集单元转换为数字信号。由于塔筒的动态特性参量之间有着密切的关联，也为了实践上的可行性，组合塔筒振动评价准则应体现控制振动位移为主、控制频率为辅的理念。设计人员重点控制的是组合塔筒结构工作强度和结点位移。结点位移值反映了结构强度、位置偏离及约束条件变化的程度，需要严格要求的。

塔筒振动位移的危害程度可参考其他行业大型结构件的分级方法进行定性地描述，即采取四个分级：

（1）基本不振：一级。可以忽略的振动量，在工程中较少存在；

（2）微小振动：二级。振动量控制在允许值范围内，无危害性，工程中普遍存在；

（3）中等振动：三级。振动位移接近允许值，具有危害性，需要加强监测和采取措施；

（4）严重振动：四级。振动位移达到甚至超过允许值，对塔筒结构带来严重危害，不允许出现的振动现象。

振动危害划分等级的方法较为符合工程运行管理实际操作，但是这个建议方法也存在问题，就是如何科学地预设塔筒结构的振动“允许值”在目前塔筒的设计标准、制造安装及检验规范中，还没有明确地统一地规定“允许值”的取值方法。

机械振动研究在重工装备、机械、动力与热工行业的发展成就较大，建立了等同采用的ISO标准的国家标准和学术组织。风电行业的塔筒结构的振动分析研究和危害性等级评价，尤其针对预应力钢索混凝土塔筒的振动模态分析和原型观测，还需要积累观测数据和研究成果，形成塔筒设计、制造行业的标准体系和相应的技术标准。

塔筒结构振动是非确定性信号，非确定性信号是一种随机信号，振动量随时间变化没有规律可循，不能够采用函数关系的数学公式表示。相同条件下，会得到不同的信号。非确定性信号的重复性只能够按照统计方法得到其规律性。塔筒结构受激振动是一种典型的随机信号，或者称为非确定性信号。非确定性信号波形分析是在幅值域、时间域和频率域内进行，对非确定性信号波形分析，目的是描述实测的随机信号瞬时值出现的概率以及幅值分布情况，即概率密度和概率分布。

塔筒检出的振动信号波形是一个宽带随机波形，波形是由许多谐波分量组成，而这些谐波分量又都有不同的振幅和相位。以振幅或相位做纵坐标、频率做横坐标，就得到了以频率为变量的频谱曲线，实测的时域信号转换成为频域信号，即所谓的频谱分析。频谱分析包括三个方面：

（1）幅值谱：动态信号的谐波幅度值随频率分布情况

（2）相位谱：振动相位随频率的分布情况

（3）功率谱：谐波能量随频率分布情况

三、基础不均匀沉降监测技术方案

基础不均匀沉降监测所应用的传感器为：晶硅式静力水准仪。

静力水准仪利用连通液的原理，多支通用连通管连接在一起的储液罐的液面总是在同一水平面，通过测量不同储液罐的液面高度与静力水准仪的基点（不动点）进行比对，通过公式计算可以得出各个静力水准仪的相对差异沉降量。是目前观测建筑物不均匀沉降的有效手段。

普通静力水准仪采用浮筒式结构，通过测量参考点与测试点之间的液位差测量不同部位的沉降量值；晶硅式静力水准仪采用差压式传感器替代浮筒，通过压差值测量不同部位的沉降量值。

本方案推荐使用晶硅式静力水准仪，较普通静力水准仪有更小的体积、更高的测量精度、更耐久的使用寿命等优点。

四、塔筒辅助监测技术方案

（1）应力监测：根据预应力钢索混凝土塔筒的结构型式，混凝土塔筒上部钢制法兰段，布置应力监测点、法兰的筒身布置6个测点，对称布置，测试法兰筒壁的竖向弯曲应力；

（2）声发射监测：在金属法兰面上布置2个声发射测点，监测法兰面中的缺陷扩展、强度破坏、疲劳断裂等缺陷；

（2）塔顶倾斜监测：混凝土塔筒的顶部布置4个双轴倾角传感器，顶部圆周方向每90°布置一个测点，测量塔顶的摆度。；

（3）工况参数：引入风速、风向、转速等工况参数，便于建立塔筒性态评价体系。

监测单元

一、钢索应力实时在线测量单元

（1）监测通道数：每相邻的2根钢索布置1个应力测量通道，40根预应力锚索共布置20个传感器。适用传感器类型： 磁通传感器。

(2)磁通传感器布置位置

根据钢索的结构型式，布置在钢索下端。

二、塔筒振动模态的实时在线监测单元

（1）监测通道数：12个振动模态测量通道。

适用传感器类型：自带电量放大器或电压放大器的加速度传感器，即IEPE类型传感器。

IEPE是指自带电量放大器或电压放大器的加速度传感器。IEPE是内置式压电集成处理电路的英文缩写（integrated electronics piezo electric）。

由加速度传感器产生的电量很小的，因此传感器的电信号容易受到噪声干扰，需要用灵敏的电子器件对其进行放大和信号调理。IEPE集成了灵敏的电子器件，以保证更好的抗噪声性。

IEPE加速度传感器带有一个放大器和一个恒流源。传感器所需的电源是4mA/24V。加速度传感器内部的电路使它对外成为电阻。传感器的加速度和它对外表现出的电阻成正比。因此传感器返回的信号电压和加速度也成正比。放大器允许设置输入范围，以充分利用输入信号。

（2）加速度传感器布置位置

根据塔筒的结构型式，混凝土塔筒上部法兰布置测点。

三、塔筒基础不均匀沉降的实时在线监测单元

（1）监测通道数：8个测量通道和1个测量基准通道。

晶硅式静力水准仪是由储液器、高精度感应器、处理模块、保护罩等部件组成，其原理属于差压式的传感器，利用各个监测点之间的压力值的变化计算出沉降量，传感器体积小、量程大，在其量程之内，静力水准仪可以随安装位置变化而不需要调平。

（2）传感器布置位置

根据塔筒的结构型式，混凝土塔筒底部基础圆周方向均匀布置测点，另外选择一处作为测量基准。

四、塔筒辅助监测单元

（1）动静应力和倾角监测通道数：6个应力测量通道、4个倾角监测通道、2个声发射监测通道。

（2）传感器布置位置

根据塔筒的结构型式，预应力钢索混凝土塔筒上部法兰布置测点，与振动监测点对应布置；倾角传感器布置在顶部法兰附近的圆周上；声发射传感器布置在金属法兰面上、侧向出线。

附图1说明

一种预应力钢索混凝土风电塔筒永久在线监测系统采用开放、分层分布式系统结构，由传感器信号采集单元、数据处理单元、信息管理工作站等组成。主要监测内容包括：钢索预应力状态监测单元；振动模态监测单元；基础不均匀沉降监测单元；塔筒辅助监测单元；预应力钢索混凝土塔筒的性态评价体系。其所需的传感器有：晶硅式静力水准仪、磁通量传感器、应力传感器、声发射传感器、压力传感器、加速度传感器、倾角传感器。

Claims (2)

1.一种预应力钢索混凝土风电塔筒永久在线监测系统，采用开放、分层分布式系统结构，由传感器信号采集单元、数据处理单元、信息管理工作站等组成。

2.监测单元包括：钢索应力实时在线测量单元；塔筒振动模态的实时在线监测单元；塔筒基础不均匀沉降的实时在线监测单元；塔筒辅助监测单元。