CN113237461B - 一种风机塔筒垂直度的在线监测方法 - Google Patents

一种风机塔筒垂直度的在线监测方法 Download PDF

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Abstract

一种风机塔筒垂直度的在线监测方法，首先根据风机系统的相关参数，建立三维装配体几何模型，根据实际风机塔筒工况下相关载荷情况，利用有限元分析确定风机塔筒应力应变及位移最大处，即为需要安装倾角传感器和加速度传感器的待测点；利用高精度倾角传感器和加速度传感器测定对应位置的相关位移参数；经过数据分析和处理，借助最小二乘法拟合风机塔筒上、下圆周，利用处理系统进行对风机塔筒预警的在线监测，提升风机设备运行的安全性和稳定性。

Description

一种风机塔筒垂直度的在线监测方法
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，特别涉及一种风机塔筒垂直度的在线监测方法，可以监测风机塔筒倾斜度数值，超出设定的预警值时提示报警。
背景技术
近年来，为了响应国家节能减排，绿色环保的要求，新能源的开发和利用越来越受到重视，风力发电作为清洁能源的代表，近年来发展迅速。风机塔筒是风力发电设备的重要部件，但由于塔筒在安装、使用以及后期维护过程中可能带来地基基础不均匀沉陷、法兰连接螺栓松动、塔身倾斜、塔筒偏心位移过大等，均会导致风电机无法正常运行甚至引发重大事故。尤其是对塔筒倾斜的监测，直接关系到风机设备整体运行的安全性，也是评定工程质量和设备运行状态的重要依据之一。为了解决现有测量方法繁琐及精度有待改进的问题，本发明提出智能监测塔筒垂直度的方法，进而提升风机设备运行的安全性和稳定性。
发明内容
为了克服现有技术中存在方法繁琐以及精度较低的问题，本发明的目的是提供一种风机塔筒垂直度的在线监测方法，首先根据风机系统的相关参数，建立三维装配体几何模型，根据塔筒实际受载情况即正常工作工况、极限工况等，利用有限元分析模拟工程中风机塔筒受载情况，分析塔筒应力应变以及位移分布规律；根据结果确定实际在线监测数据采集位置，利用高精度倾角传感器和加速度传感器测定对应位置的相关位移参数；经过数据分析和处理，借助最小二乘法拟合风机塔筒上、下圆周，利用处理系统进行对风机塔筒预警的在线监测，提升风机设备运行的安全性和稳定性。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种风机塔筒垂直度的在线监测方法，包括以下步骤：
第一步：根据实际风机塔筒工况下相关载荷情况，利用有限元分析确定风机塔筒应力应变及位移最大处，即为需要安装倾角传感器和加速度传感器的待测点；
第二步：在风机塔筒内壁待测点安装倾角传感器和加速度传感器，倾角传感器采用竖直安装；通过倾角传感器测定离散型数据(xi,yi),i＝1、2、3…、t,xi表示待测点至待测平面圆心的横坐标，yi表示待测点至待测平面圆心的纵坐标，假设拟合的圆的方程为yi＝f(x),因yi在实际工况下具有不确定性，每一点都会产生一个误差，故将xi所产生的误差的绝对值降低到最小；加速度传感器采用垂直安装形式，因风机塔筒震荡频率较低，采用低频信号响应较好的加速度传感器，测定其震荡信号的波形图，波形图显示时间T与速度v的关系，在工控机端设置预警速度v0，当速度v达到v0时，达到预警的效果；
第三步：根据最小二乘法原理，利用如下公式计算拟合圆的圆心(u1，u2)及半径R；其拟合圆的圆心坐标关系为：
Figure GDA0003836683160000021
其中：
Figure GDA0003836683160000031
其拟合圆的半径关系为：
Figure GDA0003836683160000032
第四步：根据GB 50026-2007《工程测量规范》，其建筑主体利用以下公式计算：
Figure GDA0003836683160000033
其中：I-风机塔筒的倾斜率
α-风机塔筒的倾斜角
r-风机塔筒的圆心偏移量
h-风机塔筒的观测点A、B的竖直距离
从而判别风机塔筒的实时倾斜趋势，以倾斜率I不得大于3.33‰作为预警依据。
所述的在风机塔筒内壁待测点安装倾角传感器和加速度传感器，安装传感器方式为：在待测点的圆周位置安装倾角传感器，在同一圆周中心点处布置加速度传感器3。
本发明的有益效果是：根据塔筒变形规律，通过在其应力应变及变形最大处设置同类型的传感器来确定风机塔筒的坐标变化，利用最小二乘法来拟合监测点A、B所在的圆心与半径，同时监测风机塔筒的动静态信号，进一步分析采集信号来估测风机塔筒的实际变化，提升风机设备运行的安全性和稳定性。
附图说明
图1是本发明的实施过程流程图。
图2是本发明实施过程中所分析的风机塔筒变形图。
图3是本发明实施过程中传感器的布置示意图。
图4是本发明实施过程中风机塔筒结构示意图。
图5是本发明风机塔筒的计算示意图。
图6是加速度传感器的采集数据图。
图中，1.风机塔筒，2.倾角传感器，3.低频加速度传感器，4.无线接收天线，5.风机塔筒风叶，6.地基，7.下法兰盘，8.上法兰盘，9.风机塔筒发电机及机壳。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图3、图4,本发明方法在实施过程中采用的风机塔筒在线监测的结构，包括风机塔筒1，风机塔筒1用螺栓预紧连接下法兰盘7和上法兰盘8，上、下法兰盘表面同心圆周布置四个相同型号的高精度倾角传感器2，在上、下法兰中心布置加速度传感器3，两种传感器与法兰紧密连接，两种传感器中间圆周上布置无线接收天线4，用于接收两种电磁信号，风机塔筒1固定于地基6上，风机塔筒风叶5受风力作用旋转，风机塔筒发电机及机壳9内部的电池用于储存电能。
本发明的风机塔筒垂直度智能监测方法，其原理是：
根据图1所示的流程图，一种风机塔筒垂直度的在线监测方法，包括以下步骤：
第一步：根据实际风机塔筒工况下相关载荷情况，利用有限元分析确定风机塔筒应力应变及位移最大处，即为倾角传感器和加速度传感器的安装位置。
如图2所示，模拟风机塔筒在受到一般风力和受到高强度风力时受力变形和应变，从而求得风机塔筒的实际受载情况，测定风机塔筒变形量最大处，所测定的应力应变云图，从而确定传感器安装位置A、B。A位于风机塔筒靠近底部的位置，B位于风机塔筒靠近顶部的位置。
第二步：在风机塔筒内壁安装倾角传感器采用竖直安装；通过倾角传感器测定离散型数据(xi,yi),i＝1、2、3…、t,xi表示待测点到待测平面圆心的横坐标，yi表示待测点到待测平面圆心的纵坐标，假设拟合的圆的方程为yi＝f(x),因yi在实际工况下具有不确定性，每一点都会产生一个误差，故将xi所产生的误差的绝对值降低到最小；加速度传感器采用垂直安装形式，采用精度较高的低频信号响应较好的加速度传感器，测定其震荡信号的波形图，在工控机端设置预警速度v0，当速度v达到v0时，达到预警的效果。例如某风机塔筒传感器采集数据如图6所示，该风机塔筒在风载作用下预警速度为50，若采集的信号超越50，则在预警系统之下便会报警。
传感器的安装布局如图3所示，其中，倾角传感器4位于上、下法兰圆周位置，从而测定相关平面内的位移坐标，在同一圆周中心点处布置加速度传感器3，加速度传感器用来测定相关振荡信号，当风机塔筒受剧烈载荷，比如地震、台风等因素时，加速度传感器将发出预警信号。
第三步：根据最小二乘法原理，在MATLAB软件中拟合塔筒的上下平面圆心坐标及半径。
利用如下公式计算拟合圆的圆心(u1，u2)及半径R；其拟合圆的圆心坐标关系为：
Figure GDA0003836683160000061
其中：
Figure GDA0003836683160000062
其拟合圆的半径关系为：
Figure GDA0003836683160000063
第四步：根据GB 50026-2007《工程测量规范》，其建筑主体利用以下公式计算：参照图5，
Figure GDA0003836683160000064
其中：I-风机塔筒的倾斜率
α-风机塔筒的倾斜角
r-风机塔筒的圆心偏移量
h-风机塔筒的观测点A、B的竖直距离
从而绘制风机塔筒倾斜情况，当倾斜度大于3.33‰，进行预警。

Claims (3)

1.一种风机塔筒垂直度的在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：根据实际风机塔筒工况下相关载荷情况，利用有限元分析确定风机塔筒应力应变及位移最大处，即为需要安装倾角传感器和加速度传感器的待测点；
第二步：在风机塔筒内壁待测点安装倾角传感器和加速度传感器，倾角传感器采用竖直安装；通过倾角传感器测定离散型数据(xi,yi),i＝1、2、3…、t,xi表示待测点至待测平面圆心的横坐标，yi表示待测点至待测平面圆心的纵坐标，假设拟合的圆的方程为yi＝f(x),因yi在实际工况下具有不确定性，每一点都会产生一个误差，故将xi所产生的误差的绝对值降低到最小；加速度传感器采用垂直安装形式，因风机塔筒震荡频率较低，采用低频信号响应较好的加速度传感器，测定其震荡信号的波形图，波形图显示时间T与速度v的关系，在工控机端设置预警速度v0，当速度v达到v0时，达到预警的效果；
第三步：根据最小二乘法原理，利用如下公式计算拟合圆的圆心(u1，u2)及半径R；其拟合圆的圆心坐标关系为：
Figure FDA0003836683150000011
其中：
Figure FDA0003836683150000012
其拟合圆的半径关系为：
Figure FDA0003836683150000021
第四步：根据GB 50026-2007《工程测量规范》，其建筑主体利用以下公式计算：
Figure FDA0003836683150000022
其中：I-风机塔筒的倾斜率
α-风机塔筒的倾斜角
r-风机塔筒的圆心偏移量
h-风机塔筒的观测点A、B的竖直距离
从而判别风机塔筒的实时倾斜趋势。
2.根据权利要求1所述的一种风机塔筒垂直度的在线监测方法，其特征在于，以倾斜率I不得大于3.33‰作为预警依据。
3.根据权利要求1所述的一种风机塔筒垂直度的在线监测方法，其特征在于，所述的在风机塔筒内壁待测点安装倾角传感器和加速度传感器，安装传感器方式为：在待测点的圆周位置安装倾角传感器，在同一圆周中心点处布置加速度传感器。
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