CN113623145A - 一种海上风电机组支撑结构状态监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于风力发电领域，具体涉及一种海上风电机组支撑结构状态监测系统，包括依次相连的传感器、数据采集系统、数据处理与存储单元、通讯交互装置和终端监测平台；传感器由温度传感器、湿度传感器、气压传感器、H₂S传感器、支撑结构载荷传感器和螺栓拉伸传感器并联组成；基于传感器，实时获得海上风力发电机组支撑结构内部环境条件与运行载荷情况，将传感器检测的数据与安全阈值相比，将各种数据通过通讯交互装置传递到终端监测平台，实现对风电机组内部情况的实时监测。

Description

一种海上风电机组支撑结构状态监测系统

技术领域

本发明属于风力发电领域，具体涉及一种海上风电机组支撑结构状态监测系统。

背景技术

近年来，海上风力发电机组装机容量逐年增加，相对于陆上风电场，建设期海上风电场建设施工费用、设备费用显著增加，运营期海上风电设备维护受台风、波浪等不利海况条件的影响，可达性、及时性较差，风电机组运行维护较困难，成本很高。为了保证风电机组安全稳定运行与降低运维成本，需要从提升风电机组研发技术水平与增加状态监测角度出发，尽可能降低风电机组的故障率，从而提高风电机组的可靠性显得尤为重要。

海上风电场环境中高湿度、高盐雾对风电机组产生较大的腐蚀危害，支撑结构内部中海水里面的生物腐烂会后产生剧毒硫化氢气体，对风电机组运维人员开展检修和维护工作带来安全性风险。通常情况下，有毒气体浓度高于阈值后需进行气体交换降低有毒气体的浓度，同时保证风电机组内部处于微正压的环境条件。因此，对风电机组内部的环境条件的监测，有助于了解内部环境状态确定其密封性和有害性，可以提高风电机组的可靠性并且为运维工作提供安全预警和安全保障。

我国东南沿海建设的风电场常年遭受台风的影响，严重时导致风电机组倒塔，开展支撑结构载荷的状态监测，可以长期收集支撑结构受风浪耦合后影响的载荷、台风条件下机组承受的载荷、船舶停靠产生的冲击载荷以及螺栓预紧力数值，对于保证风电机组的安全性、评估支撑结构寿命损耗以及提高运维水平具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供了一种海上风电机组支撑结构状态监测系统，以实现对海上风电机组支撑结构载荷与螺栓轴力实时监测与预警，保障风电机组安全运行，可为支撑结构寿命损伤提供数据基础，同时感知有毒气体浓度，为运维作业人员提供预警以降低风险。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种海上风电机组支撑结构状态监测系统，包括：依次相连的传感器、数据采集系统、数据处理与存储单元、通讯交互装置和终端监测平台；

所述传感器由温度传感器、湿度传感器、气压传感器、HS传感器、支撑结构载荷传感器和螺栓拉伸传感器并联组成；

所述温度传感器和湿度传感器设置在塔筒与基础连接平台上的防辐射罩内，所述气压传感器设置在气压设备柜内，所述HS传感器数量有若干个均匀设置在塔筒与基础连接层平台周围，所述支撑结构载荷传感器有若干个均匀设置在起支撑作用的塔筒内壁上，所述螺旋轴力传感器有若干个分别布置在塔筒与基础连接平台内不同的螺栓上。

本发明的进一步改进在于：还包括报警装置，所述报警装置与数据处理与存储单元相连。

本发明的进一步改进在于：还包括风电机组供电系统，所述风电机组供电系统分别与数据采集系统、数据处理与存储单元、报警装置和通讯交互装置相连。

本发明的进一步改进在于：还包括不间断电源，用于在风电机组供电系统失效时为数据采集系统、数据处理与存储单元、报警装置和通讯交互装置供电。

本发明的进一步改进在于：所述支撑结构载荷传感器的数量大于等于四个。

本发明的进一步改进在于：所述螺栓轴力传感器的数量大于等于八个。

本发明的进一步改进在于：终端监测平台为电脑、移动设备或服务器。

本发明的进一步改进在于：所述每个终端监测平台同时与多个通讯交互装置相连。

一种海上风电机组支撑结构状态监测系统的工作方法，基于上述的一种海上风电机组支撑结构状态监测系统，包括以下步骤：

通过传感器采集支撑结构内部温度、湿度、气压、H₂S气体浓度、支撑结构载荷和螺栓轴力载荷信息；

数据采集系统将传感器采集到的信息进行回收并校时；

数据处理与存储单元将数据采集系统校时后的数据与各自的安全阈值进行比较，并将处理好的数据进行存储，当大于安全阈值时，发送信号给报警装置；

报警装置收到数据处理与存储单元传来的信号时，发出警报；

通讯交互装置接收到数据处理与存储单元处理好的数据后，通过网络传输给终端监测平台。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、基于传感器，实时获得海上风力发电机组支撑结构内部环境条件与运行载荷情况，将传感器检测的数据与安全阈值相比，将各种数据通过通讯交互装置传递到终端监测平台，实现对风电机组内部情况的实时监测，通过温度传感器、湿度传感器、气压传感器、H₂S传感器、支撑结构载荷传感器和螺栓拉伸传感器6种传感器，对风电机内部环境信息与结构信息全方位监测，提高安全性能。

2、终端监测平台可选用移动设备增加了设备的便捷性。

3、采用风电机组供电系统为各部分供电，并设置不间断电源作为风电机组供电系统故障时的备用电源，避免了因断电导致监测停止。

附图说明

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

图1为本发明一种海上风电机组支撑结构状态监测系统的电气连接结构示意图。

图2是本发明一种海上风电机组支撑结构状态监测系统的设备布局示意图。

图3是本发明一种海上风电机组支撑结构状态监测系统的风力发电机组支撑结构状态检测整体结构示意图。

图中：1、传感器；1.1、温度传感器；1.2湿度传感器、1.3气压传感器；1.4、H2S传感器；1.5、电阻式应变片；1.6、螺栓轴力传感器；2、数据采集系统；3、数据处理与存储单元；4、报警装置；5、通讯交互装置；6、终端监测平台；7、风电机组供电系统；7.1不间断电源；8、塔筒内首层平台；9、塔筒与基础连接层平台。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

实施例1

如图1-3所示，一种海上风电机组支撑结构状态监测系统，包括依次相连的传感器1、数据采集系统2、数据处理与存储单元3、通讯交互装置5和终端监测平台6；

数据处理与存储单元3与报警装置4相连；

风电机组供电系统7分别与数据采集系统2、数据处理与存储单元3、报警装置4和通讯交互装置5相连。

传感器1由温度传感器1.1、湿度传感器1.2、气压传感器1.3、H₂S传感器1.4、支撑结构载荷传感器1.5和螺栓拉伸传感器1.6并联组成。

塔筒内首层平台8设置在风电机塔筒中部；

塔筒与基础连接层平台9设置在塔筒内首层平台8下方。

温度传感器1.1和湿度传感器1.2安装在防辐射罩内，固定在塔筒与基础连接层平台9上，温度和湿度信号通过线缆接入数据采集系统2；

气压传感器1.3用于测量支撑结构周围的气压，安装于气压设备柜内，通过线缆接入数据采集器2。

H₂S传感器1.4用以监测环境空气中硫化氢气体的浓度,在塔筒与基础连接层平台9周围均匀布置H₂S传感器，对每个位置的传感器进行编号，安装、拍照及记录，通过通讯的方式进行数据传输，用来判断当前环境下是否适合作业。

支撑结构载荷传感器1.5用于测量支撑结构的载荷变化，安装在支撑结构塔筒内壁上，一共设置四个，每90°安装一个支撑结构载荷传感器1.5，通过全桥电路的方式进行测试，并将信号接入数据采集系统2内。

螺栓轴力传感器1.6至少有8个，且均布安装于塔筒与基础连接层9内的螺栓上，信号通过线缆接入数据采集器2。

传感器信号校时后同步传递，在机组端内部的通过RS485或modbus通讯。

数据采集系统2、数据处理与存储单元3和通讯交互装置5都安装在塔筒内首层平台8上。

数据采集系统2实现对各个位置分布的采集器的通讯，将各采集器数据进行回收，并实现各个采集器的校时。

数据处理与存储单元3对数据采集系统2获取的数据进行处理和存储，将电信号转变为可直接识别的载荷数据，同时将监测到的气体数据和载荷数据分别与各自的安全阈值进行比对，当实时采集的数据高于安全阈值时，报警装置4发出声音与灯光起到警示作用，用于警示作业人员，禁止入内。

报警装置4为离线式报警装置。

单台风力发电机组状态监测系统安装后,通讯交互装置5通过网络通讯将测量结果从风机内传输至终端监测平台6。

终端监测平台6为电脑、移动设备或服务器，可与多台风电机相连，收集每一台机组的状态，并实时绘制监测数据曲线与预警信息实现对整个风电场的监测。

正常使用情况下，传感器1、数据采集系统2、数据处理与存储单元3、报警装置4以及通讯交互装置5均由风电机组供电系统7直接供电，当出现异常断电、机组检修等情况时，不间断电源7.1(Uninterruptible Power System，简称UPS)启动并持续不间断供电保障系统运行。

实施例2

一种海上风电机组支撑结构状态监测系统的工作方法，基于实施例1所述的一种海上风电机组支撑结构状态监测系统，包括以下步骤：

通过传感器1采集支撑结构内部温度、湿度、气压、H₂S气体浓度、支撑结构载荷和螺栓轴力载荷信息；

数据采集系统2将传感器1采集到的信息进行回收并校时；

数据处理与存储单元3将数据采集系统2校时后的数据与各自的安全阈值进行比较，并将处理好的数据进行存储，当大于安全阈值时，发送信号给报警装置4；

报警装置4收到数据处理与存储单元3传来的信号时，发出警报；

通讯交互装置5接收到数据处理与存储单元3处理好的数据后，通过网络传输给终端监测平台6。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种海上风电机组支撑结构状态监测系统，其特征在于，包括：依次相连的传感器(1)、数据采集系统(2)、数据处理与存储单元(3)、通讯交互装置(5)和终端监测平台(6)；

所述传感器(1)由温度传感器(1.1)、湿度传感器(1.2)、气压传感器(1.3)、H₂S传感器(1.4)、支撑结构载荷传感器(1.5)和螺栓拉伸传感器(1.6)并联组成；

所述温度传感器(1.1)和湿度传感器(1.2)设置在塔筒与基础连接平台(9)上的防辐射罩内，所述气压传感器(1.3)设置在气压设备柜内，所述H₂S传感器(1.4)数量有若干个均匀设置在塔筒与基础连接层平台(9)周围，所述支撑结构载荷传感器(1.5)有若干个均匀设置在起支撑作用的塔筒内壁上，所述螺旋轴力传感器(1.6)有若干个分别布置在塔筒与基础连接平台(9)内不同的螺栓上。

2.根据权利要求1所述的一种海上风电机组支撑结构状态监测系统，其特征在于，所述支撑结构载荷传感器(1.5)的数量大于等于四个。

3.根据权利要求1所述的一种海上风电机组支撑结构状态监测系统，其特征在于，所述螺栓轴力传感器(1.6)的数量大于等于八个。

4.根据权利要求1所述的一种海上风电机组支撑结构状态监测系统，其特征在于，还包括报警装置(4)，所述报警装置(4)与数据处理与存储单元(3)相连。

5.根据权利要求4所述的一种海上风电机组支撑结构状态监测系统，其特征在于，还包括风电机组供电系统(7)，所述风电机组供电系统(7)分别与数据采集系统(2)、数据处理与存储单元(3)、报警装置(4)和通讯交互装置(5)相连。

6.根据权利要求5所述的一种海上风电机组支撑结构状态监测系统，其特征在于，还包括不间断电源(7.1)，用于在风电机组供电系统(7)失效时为数据采集系统(2)、数据处理与存储单元(3)、报警装置(4)和通讯交互装置(5)供电。

7.根据权利要求1所述的一种海上风电机组支撑结构状态监测系统，其特征在于，所述终端监测平台(6)为电脑、移动设备或服务器。

8.根据权利要求1所述的一种海上风电机组支撑结构状态监测系统，其特征在于，所述每个终端监测平台(6)同时与多个通讯交互装置(5)相连。

9.一种海上风电机组支撑结构状态监测系统的工作方法，根据权利要求4所述的一种海上风电机组支撑结构状态监测系统，包括以下步骤：

通过传感器(1)采集支撑结构内部温度、湿度、气压、H₂S气体浓度、支撑结构载荷和螺栓轴力载荷信息；

数据采集系统(2)将传感器(1)采集到的信息进行回收并校时；

数据处理与存储单元(3)将数据采集系统(2)校时后的数据与各自的安全阈值进行比较，并将处理好的数据进行存储，当大于安全阈值时，发送信号给报警装置(4)；

报警装置(4)收到数据处理与存储单元(3)传来的信号时，发出警报；

通讯交互装置(5)接收到数据处理与存储单元(3)处理好的数据后，通过网络传输给终端监测平台(6)。

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