CN112901425A - 一种风电机组安全监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电机组安全监测系统及方法，包括安装在轮毂上的轮毂监测单元、安装在机舱内的采集单元和安装在塔筒内的塔筒监测单元；对每个连接面上的螺栓进行数据的测量，并进行精准定位，连接面为圆形；在连接面的内侧安装若干个传感器，取其中一个传感器与两侧相邻的传感器的中间点，分别标记为A点和B点；A点和B点之间的角度范围为α；当连接面的间隙变化出现在A点或B点时，即为极限状态值，其中，传感器测量的间隙数值为δ，每个螺栓中心之间的直线距离为L；根据上述中的δ值与极限状态值进行对比，判断风电机组的安全。对螺栓连接平面缝隙的高精度位移进行监测，判断螺栓连接的可靠性。

Description

一种风电机组安全监测系统及方法

技术领域

本发明涉及电力设施维护技术领域，具体来说，涉及一种风电机组安全监测系统及方法。

背景技术

风电机组所处地理环境恶劣，尤其位于山地风场的风电机组常年风况复杂，风向多变，湍流较大，机组长时间运行会出现叶片根部螺栓断裂、主轴与轮毂螺栓疲劳断裂、塔筒法兰螺栓断裂等问题，螺栓断裂后未及时发现，会发生叶片掉落、轮毂掉落、由于塔筒螺栓断裂导致的倒塔等事故发生。

现有机组连接螺栓的安全诊断，主要通过螺栓本身的力矩、断裂等异常情况的监测，判断螺栓的安全状态，进一步判断机组的安全状态，并且只有当螺栓已经出现断裂等不安全实践问题发生时，才能进行诊断，有严重的滞后性。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种风电机组安全监测系统及方法，能够克服现有技术的上述不足。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种风电机组安全监测系统，包括安装在轮毂上的轮毂监测单元、安装在机舱内的采集单元和安装在塔筒内的塔筒监测单元；所述轮毂监测单元设有信号传输组件，所述轮毂监测单元分别连接有安装在叶片上的第一传感器和安装在主轴上的第二传感器；所述采集单元设有信号接收组件，所述采集单元连接有设置在所述塔筒内的上的第三传感器，所述信号传输组件与所述信号接收组件通信连接；所述塔筒监测单元设有与所述采集单元连接的塔基系统，所述塔基系统连接有中央监控单元。

进一步地，所述第一传感器、第二传感器和第三传感器均为位移传感器，且位移传感器设置有两个测量端头。

根据本发明的另一方面，提供一种风电机组的安全监测方法，包括以下步骤：

S1、对每个连接面上的螺栓进行数据的测量，并进行精准定位，所述连接面为圆形，螺栓的数量为n，螺栓的节圆直径为D；

S2、在所述连接面的内侧安装若干个传感器，取其中一个传感器与两侧相邻的传感器的中间点，分别标记为A点和B点，所述传感器的数量为N；

S3、所述A点和所述B点之间根据螺栓数量进行等距划分为M个点；

S4、所述A点和所述B点之间的角度范围为α；

S5、当连接面的间隙变化出现在所述A点或所述B点时，即为极限状态值，其中，所述传感器测量的间隙数值为δ，每个所述螺栓中心之间的直线距离为L；

S6、根据S5中的δ值与极限状态值进行对比，判断风电机组的安全。

优选地，在S1中， n/2为奇数或偶数。

优选地，α角度范围内的螺栓数量为n/N，α角度范围内的连接面展开长度为πD/N，每个所述螺栓之间的直线距离为L=πD/n。

进一步地，在S5中，两个连接面的张开角度为θ，根据正切函数得出δ值，其中，θ为锐角。

优选地，在S5中，从A点开始分别计算每个螺栓对应的数值δ。

优选地，根据每个螺栓的数值δ绘制连接面缝隙变化曲线图。

优选地，根据每个螺栓的数值δ绘制连接面缝隙变化危险曲线图。

本发明的有益效果：提前对风电机组关键位置的连接螺栓的状态进行监测，判断螺栓的松动情况，提前进行检查，避免风电机组出现叶片掉落、轮毂掉落或塔筒螺栓断裂导致的倒塔等不安全事件的发生，对螺栓连接平面缝隙的高精度位移进行监测，判断螺栓连接的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例所述的一种风电机组安全监测系统的结构示意图；

图2是根据本发明实施例所述的螺栓交变应力曲线示意图；

图3是根据本发明实施例所述的连接面缝隙随机组运行时间的变化曲线；

图4是根据本发明实施例所述的缝隙变化危险曲线；

图5是根据本发明实施例所述的叶片监测法兰轴向视图；

图6是根据本发明实施例所述的α角度法兰展开图。

图中：10、轮毂；10-1、叶片；10-2、主轴；10-3、变桨轴承；10-4、变桨柜；20、机舱；20-1、机舱柜；20-2、主机架；30、塔筒；30-1、塔基柜；1、轮毂监测单元；1-1、信号传输组件；1-2、第一传感器；1-3、第二传感器；2、采集单元；2-1、信号接收组件；2-2、第三传感器；3、塔筒监测单元；3-1、塔基系统；4、中央监控单元；4-1、中控交换机；4-2、风场服务器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示，根据本发明实施例所述的一种风电机组安全监测系统，包括安装在轮毂上的轮毂监测单元、安装在机舱内的采集单元和安装在塔筒内的塔筒监测单元；所述轮毂监测单元设有信号传输组件，所述轮毂监测单元分别连接有安装在叶片上的第一传感器和安装在主轴上的第二传感器；所述采集单元设有信号接收组件，所述采集单元连接有设置在所述塔筒内的上的第三传感器，所述信号传输组件与所述信号接收组件通信连接；所述塔筒监测单元设有与所述采集单元连接的塔基系统，所述塔基系统连接有中央监控单元。

在本发明的一个具体实施例中，所述第一传感器、第二传感器和第三传感器均为位移传感器，且位移传感器设置有两个测量端头。

根据本发明的另一方面，提供一种风电机组的安全监测方法，包括以下步骤：

S1、对每个连接面上的螺栓进行数据的测量，并进行精准定位，所述连接面为圆形，螺栓的数量为n，螺栓的节圆直径为D；

S2、在所述连接面的内侧安装若干个传感器，取其中一个传感器与两侧相邻的传感器的中间点，分别标记为A点和B点，所述传感器的数量为N；

S3、所述A点和所述B点之间根据螺栓数量进行等距划分为M个点；

S4、所述A点和所述B点之间的角度范围为α；

S5、当连接面的间隙变化出现在所述A点或所述B点时，即为极限状态值，其中，所述传感器测量的间隙数值为δ，每个所述螺栓中心之间的直线距离为L；

S6、根据S5中的δ值与极限状态值进行对比，判断风电机组的安全。

在本发明的一个具体实施例中，在S1中， n/2为奇数或偶数。

在本发明的一个具体实施例中，α角度范围内的螺栓数量为n/N，α角度范围内的连接面展开长度为πD/N，每个所述螺栓之间的直线距离为L=πD/n。

在本发明的一个具体实施例中，在S5中，两个连接面的张开角度为θ，根据正切函数得出δ值，其中，θ为锐角。

在本发明的一个具体实施例中，在S5中，从A点开始分别计算每个螺栓对应的数值δ。

在本发明的一个具体实施例中，根据每个螺栓的数值δ绘制连接面缝隙变化曲线图，如果通过对螺栓的应力状态进行监测，难度较大，并且耗时耗力，螺栓的关键作用为对两个连接平面进行紧固，保证两个平面紧密结合，根据材料力学的本构关系σ=E·ε，其中，σ为应力＝E为弹性模量*ε为应变，高强度螺栓为弹性零件，当出现交变载荷时，螺栓也会发生微应变，推导出连接面的缝隙同样也表现为类似于正弦曲线。

在本发明的一个具体实施例中，根据每个螺栓的数值δ绘制连接面缝隙变化危险曲线图，缝隙监测通过一种高精度位移传感器对连接面的缝隙变化值进行测量，在机组在运行过程中，如果出现某一监测界面的位移值超出设定的安全阈值时，进行报警提醒，在时刻T，某一监测数值超出上限阈值δmax时，即为δ1时，视为螺栓出现松动，需要及时检查。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。

根据本发明实施例的一种风电机组的安全监测方法及系统，安全监测系统主要分为三个部分，叶片10-1根部螺栓的安全监测、轮毂10与主轴10-2螺栓的安全监测和塔筒30法兰螺栓的安全监测。

其中，在该检测系统的第一传感器1-2、第二传感器1-3和第三传感器2-2的测量方式均是对两个物体之间的相对位移的高精度测量，且此位移传感器设置有两个测量端头。

第一传感器1-2在叶片10-1根部螺栓的安全监测的安装方式：一个端头采用高强粘合剂粘接在叶片10-1根部位置，另外一个端头采用同样的方式安装在变桨轴承10-3的位置，具体安装数量有以下原则：一、根据历史螺栓断裂的特征进行布设；二、根据叶片10-1圆周内部监测的实际需求进行布设；三、电源及通讯线缆的布线根据现有的结构件进行布设。

第二传感器1-3在轮毂10与主轴10-2螺栓的安全监测的安装方式：一个端头采用高强粘合剂粘接在轮毂10侧圆周面，另外一个端头采用同样的方式安装在主轴10的圆周面；具体安装数量根据叶片10-1圆周内部监测的实际需求进行布设；电源及通讯线缆的布线沿着轮毂10外表面支架延伸至轮毂10内，具体的方式根据现场实际操作。

第三传感器2-2在塔筒30的螺栓安全监测的安装方式：一个端头采用高强粘合剂粘接在塔筒30连接面的上法兰圆周面，另外一个端头采用同样的方式安装在塔筒30连接面的下法兰圆周面。

其中，轮毂监测单元1与变桨柜10-4连接获取电源，轮毂监测单元1采集的数据通过信号传输组件1-1传输至信号接收组件2-1，轮毂监测单元1采集的数据包括第一传感器1-2和第二传感器1-3的数据；

塔筒监测单元3与机舱柜20-1连接获取电源，也可以与塔基柜30-1进行供电，并直接通过采集单元2对第三传感器2-2的数据进行采集。

信号接收组件2-1接受的数据和信号接收组件2-1采集的数据统一通过塔基系统3-1的数据交换机和风电场的环网系统传输至中控交换机4-1，风场服务器4-2对中控交换机4-1获取的数据进行分析处理，并直观的对监测结果进行显示，有异常的数据通过弹窗或其他提醒的方式进行报警。

机舱柜20-1和采集单元均安装在主机架20-2上。

根据法兰连接面每颗螺栓的精准定位问题详细描述如下：

如图5-6所示，安装在法兰面上的螺栓为n个，n/2为偶数，法兰面安装传感器的数量为N，螺栓围成圆的直径为D；

对于每个螺栓数据测量，并进行精准定位；将法兰根据每两个传感器中间点分为N份，相邻两个传感器的中间点分别设为A点和B点；将A点和B点之间α角度范围的法兰面进行展开计算；当法兰间隙出现变化的最大值出现在A点或者B点时，即为极限状态，设定传感器测量的数值为δ，每个螺栓中心之间的线距离为L，

即：角度α范围内的螺栓数量为：n/N；

角度α范围内法兰展开长度为：πD/N

每个螺栓之间的线距离为：L=πD/n；

法兰面的张开角度为：θ；

由于角度θ非常小，即 tanθ≈δ/[(1/2)·(πD/N)]；

从A点开始计算，螺栓依次标记为1、2、3、……，对应第1颗螺栓缝隙数值为δ1、第2颗螺栓缝隙数值为δ2、第3颗螺栓缝隙数值为δ3、……；

δ1=L (n/N)tanθ=(πD/n) (n/N) tanθ=(πD/N) tanθ=2δ；

δ2=(πD/N)[((n/N)-1)/(n/N)]tanθ=(πD/n)[(n-N)/n)]tanθ=2δ[(n-N)/n)]；

δ3=(πD/N)[((n/N)-2)/( n/N)]tanθ=(πD/n)[(n-2N)/n)]tanθ=2δ[(n-2N)/n)]；

其余的隙数值，依次类推。

当法兰面上的螺栓n=24，传感器安装N=4 ，传感器测量数值在外侧的螺栓缝隙值为δ时，标记第1颗螺栓缝隙值计算数值δ1=2δ，第2颗螺栓缝隙值计算数值δ1=(5/6)2δ；第3颗螺栓缝隙值计算数值δ1=(4/6)2δ，依次类推，其他位置的螺栓已经全覆盖。

上述实施例是选择螺栓数量n/2为偶数时，当n/2为奇数时，也可以采取同样的计算方式。

风电机组各大部件之间的连接都是通过高强度螺栓进行连接，当风电机组正常运行时，各连接位置的螺栓的应力状态均变现为交变应力，即类似于一种正弦波，当各部位的螺栓出现异常，交变应力的幅值会超出设计值，可以判断螺栓出现异常。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过对连接面缝隙数值变化的监测，可以有效对螺栓的应力应变状态进行监测和判断。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种风电机组安全监测系统，其特征在于，包括安装在轮毂上的轮毂监测单元、安装在机舱内的采集单元和安装在塔筒内的塔筒监测单元；所述轮毂监测单元设有信号传输组件，所述轮毂监测单元分别连接有安装在叶片上的第一传感器和安装在主轴上的第二传感器；所述采集单元设有信号接收组件，所述采集单元连接有设置在所述塔筒内的上的第三传感器，所述信号传输组件与所述信号接收组件通信连接；所述塔筒监测单元设有与所述采集单元连接的塔基系统，所述塔基系统连接有中央监控单元。

2.根据权利要求1所述的一种风电机组安全监测系统，其特征在于，所述第一传感器、第二传感器和第三传感器均为位移传感器，且位移传感器设置有两个测量端头。

3.一种风电机组的安全监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对每个连接面上的螺栓进行数据的测量，并进行精准定位，所述连接面为圆形，螺栓的数量为n，螺栓的节圆直径为D；

S2、在所述连接面的内侧安装若干个传感器，取其中一个传感器与两侧相邻的传感器的中间点，分别标记为A点和B点，所述传感器的数量为N；

S3、所述A点和所述B点之间根据螺栓数量进行等距划分为M个点；

S4、所述A点和所述B点之间的角度范围为α；

S5、当连接面的间隙变化出现在所述A点或所述B点时，即为极限状态值，其中，所述传感器测量的间隙数值为δ，每个所述螺栓中心之间的直线距离为L；

S6、根据S5中的δ值与极限状态值进行对比，判断风电机组的安全。

4.根据权利要求1所述的一种用于风电机组安全监测方法，其特征在于，在S1中， n/2为奇数或偶数。

5.根据权利要求4所述的一种用于风电机组安全监测方法，其特征在于，α角度范围内的螺栓数量为n/N，α角度范围内的连接面展开长度为πD/N，每个所述螺栓之间的直线距离为L=πD/n。

6.根据权利要求5所述的一种用于风电机组安全监测方法，其特征在于，在S5中，两个连接面的张开角度为θ，根据正切函数得出δ值，其中，θ为锐角。

7.根据权利要求3所述的一种用于风电机组安全监测方法，其特征在于，在S5中，从A点开始分别计算每个螺栓对应的数值δ。

8.根据权利要求7所述的一种用于风电机组安全监测方法，其特征在于，根据每个螺栓的数值δ绘制连接面缝隙变化曲线图。

9.根据权利要求8所述的一种用于风电机组安全监测方法，其特征在于，根据每个螺栓的数值δ绘制连接面缝隙变化危险曲线图。

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