CN114017266B - 一种大型风电塔筒低频摆动及沉降倾斜预警方法 - Google Patents
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Abstract
一种大型风电塔筒低频摆动及沉降倾斜预警方法属于结构健康监测领域。该方法通过构造塔筒的有限元模型，分析塔筒的动态特性，了解塔筒的运行特点，并建立塔筒底部沉降、整体倾斜与塔筒顶部径向晃动之间的对照关系模型，进而通过监测塔筒低频摆动信号和倾角信号达到对塔筒安全预警的目的。可有效保证机组运行过程的平稳和安全可靠运行。
Description
技术领域
本发明提供一种针对大型风电塔筒的在线连续实时健康状况监测方法，它属于结构健康监测领域，具体来说，涉及一种针对大型风电塔筒低频摆动及沉降倾斜预警方法。
背景技术
近年来，工业快速发展，对能源的需求也日益加大，世界各国能源处于严重短缺状态，风力以其清洁、取之不尽的优势，成为世界各国争相发展的能源，也是当前技术发展相对较成熟，应用前景最好的一种能源方式。我国风电在装机规模和台数上已跃居世界第一，然而，随着风电场的规模越来越大，风电机组的数量越来越多，风电事故呈现多发趋势。风电设备的长期维修和保养已经严重影响了风电项目的经济效益，因此国内各个优秀的风电运营企业对风电设备安全、健康指标提出了更多更全面的技术要求，特别是重视针对塔筒的倾斜状态连续在线监测，以便掌握风机塔筒的健康状况。
塔筒作为风力发电机的重要组成部分，支撑着机舱和叶轮，使叶轮等部件在高空中运行。塔筒的性能直接影响了风力发电机运行的稳定性和可靠性，风电机组塔筒监控也成为日益突出的问题，塔筒的健康监测已成为行业研究热点。塔基沉降和塔筒过大的倾斜变形会影响风电机组的正常运行，严重时还会导致风轮机倾倒，整个风电机组必将损毁且不可恢复，从而造成巨大经济损失。目前，国内的解决方法包括安装振动传感器方法和人工测量方法，但振动传感器监测数据受到环境影响大，而人工测量无法连续监测。并且，由于塔体的倾斜和变形之间存在耦合关系，进行准确的倾斜测量和变形测量也有着较大的难度和技术含量。所以，提出一种能够在线连续实时监测大型风机塔筒健康状况的方法势在必行。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种实时监测风机塔筒和基座微观形态变化，提前预知风电机组塔筒沉降及倾斜的方法，提高监测实用性。
本发明针对大型风电塔筒的结构特点，提供了一种大型风电塔筒低频摆动及沉降倾斜预警方法。该方法通过构造塔筒的有限元模型，分析塔筒的动态特性，了解塔筒的运行特点，并建立塔筒底部沉降、整体倾斜与塔筒顶部径向晃动之间的对照关系模型，进而通过监测塔筒低频摆动信号和倾角信号达到对塔筒安全预警的目的。可有效保证机组运行过程的平稳和安全可靠运行。
该方法其特征在于：具体操作步骤为：
步骤一：依据塔筒原型参数建立有限元模型，将风速转换为力加载在有限元模型上。在保证塔筒结构计算准确度的前提下，忽略掉一些与塔筒结构静应力分析无关的部位，省略掉一些非关键结构构件及配件，如内部附件平台、爬梯、通风口、法兰螺栓等。将塔筒简化为底部固定、顶端自由的薄壁锥筒形结构，风机与机舱简化为作用在塔筒上方的偏心质量块，其重心保证与实际结构的重心重合。
步骤二：根据风机各项参数情况对风电塔筒进行受力分析。大型风电塔筒通常采用变截面锥形筒体形式，根据风电场塔筒的实际受力情况，对不重要的部位进行适当的简化，其受力情况基本上可以概括为：塔筒顶端机舱及其轮毂、叶轮受到的横向力P；塔筒顶端机舱及其轮毂、叶轮的集中重量G，其受力集中点(重心)根据风机结构的不同有所不同；沿高度方向作用的均布风力载荷Q。
步骤三：针对建立的有限元模型进行两组不同的模拟，即只受风载影响与只受地表沉降影响。
①只受风载影响情况：分为两种工况进行静态分析，即运行工况与停机工况。运行工况的风速范围为切入风速至切出风速，停机工况的风速范围为切出风速至极大风速。在运行工况的风速范围内以一定间隔对不同的风速进行模拟，得到不同风速所对应的塔筒顶部倾斜角度与径向摆动位移，得到顶部倾角与位移之间的关系。
②只受地表沉降影响情况：模拟沉降变形对塔筒的影响转换为塔筒两侧基础部不均匀下沉，假设塔筒的一侧没有发生下沉，另一侧塔筒基础均匀下沉一定的距离。模拟地表倾斜范围为3-40mm/m，得到不同地表倾斜所对应的顶部倾斜角度与径向位移的关系。
步骤四：在风机塔筒顶部安装低频振动传感器与双轴倾角传感器各一个，在塔筒底部安装双轴倾角传感器一个。分别采集塔筒顶部径向晃动与底部沉降坐标变化，根据步骤三所得关系，综合考虑推导出整体风机塔筒顶部的径向位移，同时，结合振动信号模态分析，一旦发现塔筒倾斜位移超过预警值，立即发出信号，从而防止事故的发生或扩大。
附图说明
图1是本发明所述方法流程图
图2是风电塔筒受力示意图
图3是风电塔筒有限元模型
图4是某型风电塔筒晃动平衡位置的统计显示
图5是某型风电塔筒晃动幅度的统计显示
具体实施方式
在以下的描述中，将根据示例性实施例详细地描述本发明，该发明已经成功应用于国内某风电场，共计57台风机。
(1)根据某型风电塔筒的具体参数建立有限元模型，并省略内部附件平台、爬梯、通风口、法兰螺栓等的影响。将塔筒简化为底部固定、顶端自由的薄壁锥筒形结构，风机与机舱简化为作用在塔筒上方的偏心质量块，其重心保证与实际结构的重心重合，如图3所示为建立的有限元模型。
(2)根据该型风机的各项参数情况对风电塔筒进行受力分析。将其受力情况分为以下几个部分进行计算：塔筒顶端机舱及其轮毂、叶轮受到的横向力P；塔筒顶端机舱及其轮毂、叶轮的集中重量G，其受力集中点(重心)根据风机结构的不同有所不同；沿高度方向作用的均布风力载荷Q。具体公式为：
①根据叶素-动量理论公式可以得到横向力计算公式：
其中CT是推力系数，不同的风机在标准空气密度下有不同的机组推力系数曲线，ρ是来流密度，kg/m3；v是来流速度，m/s；A是扫风面积，m3。
②重力G＝mg
其中m为塔筒顶端结构的整体质量；g＝9.8m/s2。
③沿塔筒高度方向上作用的均布载荷Q为：
Q＝βzμsμzω0
其中Q为作用在塔筒结构z高度处单位投影面积上的风载荷标准值(kN/m2)。ω0为基本风压，以当地比较空旷平坦地面，离地10m高，统计50年一遇的10min平均最大风速为标准，可从《建筑结构载荷规范》中的全国基本风压图上查询。μz为z高度处的风压高度变化系数，可查询《建筑结构载荷规范》中的地面粗糙类别表格并结合当地的海平面高度进行选择。μs为风载荷体型系数，可根据《建筑结构载荷规范》规定选取。βz为z高度处的风振系数，按照公式βz＝1+ξε1ε2计算，其中ξ为脉动增大系数，ε1为风压脉动和风压高度变化影响系数，ε2为振型、结构外形影响系数，均可在《建筑结构载荷规范》中，根据相应情况找到对应数值，。
④当风速值达到风机的极限风况时，此时风机处于停机状态，横向力可参照丹麦风电专家彼得森推荐公式计算：
其中vs为风机的抗最大风速(50年最大阵风风速)；CT为推力系数，取1.6；Ab为叶轮投影面积；B为叶轮叶片数目。
(3)分别针对只受风载影响情况与只受沉降影响情况进行模拟。
只受风载影响情况下，又分为运行工况与停机工况。运行工况中，该型风机的切入风速为3m/s，切出风速为25m/s/，故模拟的风速范围为[3,0.5,25](m/s)(其中0.5m/s为取值间隔)，风速不同，加载在塔筒上的力不同，得到的塔筒顶部倾角与径向位移不同。最终得到在运行工况下，该型塔筒顶部倾角与径向位移之间的关系式：
S＝587.19θ0.9374
其中θ为塔筒顶部倾角，S为塔筒顶部径向位移(mm)。
同理，在停机工况下，风机的切出速度为25m/s，极大风速为59.5m/s，故模拟的风速范围为[25,0.5,59.5](m/s)(其中0.5m/s为取值间隔)，得到在停机工况下，该型塔筒顶部倾角与径向位移之间的关系式：
其中θXH为停机工况下的塔筒顶部倾角，SXH为停机工况下的顶部径向位移(mm)。
只受地表沉降影响情况下，模拟地表倾斜范围为3-40mm/m，得到不同地表倾斜所对应的顶部倾斜角度与径向位移的关系式：
Sb＝1199.8θb+17.884
其中，θb为塔筒底部沉降倾角，Sb为底部沉降引起的塔筒顶部径向位移。
(4)高精度传感器的安装以及风电塔筒健康状态预警。在风机塔筒顶部安装低频振动传感器与双轴倾角传感器各一个，在塔筒底部安装双轴倾角传感器一个。分别采集塔筒顶部径向晃动与底部沉降坐标变化，将步骤三中公式相互耦合，综合考虑推导出整体风机塔筒顶部的径向位移，同时，结合振动信号模态分析，一旦发现塔筒倾斜位移超过预警值，立即发出信号，从而防止事故的发生或扩大，预警值的选取依据《高耸结构设计规范》选取，塔筒的最高点的径向位移不得大于该点离地高度的1/100。如图4、图5为所监测塔筒的晃动平衡位置与晃动幅度显示。图4显示了风电塔筒在不同时间的平衡位置，可以看出风电塔筒向北侧倾斜次数多，这与风电场的风向有关。图5显示了风电塔筒随着时间的晃动幅度统计。
应用上述实施例提供的方法，对山西大唐浑源泽清岭风电场的风电塔筒的状态进行监测，持续监测24个月，期间故障警告0次，报警7次，有效报警率100％(经检查，报警/警告确认有效次数在报警/警告总次数中的占比)，表明本发明所提供的方法，可以对风电塔筒运行状态进行有效地、准确的判断。
Claims (1)
1.一种大型风电塔筒低频摆动及沉降倾斜预警方法，其特征在于：
(1)建立有限元模型，将塔筒简化为底部固定、顶端自由的薄壁锥筒形结构，风机与机舱简化为作用在塔筒上方的偏心质量块，其重心保证与实际结构的重心重合；
(2)对风电塔筒进行受力分析；将其受力情况分为以下几个部分进行计算：塔筒顶端机舱及其轮毂、叶轮受到的横向力P；塔筒顶端机舱及其轮毂、叶轮的集中重量G，沿高度方向作用的均布风力载荷Q；
具体公式为：
①根据叶素-动量理论公式得到横向力计算公式：
其中CT是推力系数，不同的风机在标准空气密度下有不同的机组推力系数曲线，ρ是来流密度，kg/m3；v是来流速度，m/s；A是扫风面积，m3；
②重力G＝mg
其中m为塔筒顶端结构的整体质量；g＝9.8m/s2；
①沿塔筒高度方向上作用的均布载荷Q为：
Q＝βzμsμzω0
其中Q为作用在塔筒结构z高度处单位投影面积上的风载荷标准值(kN/m2)；ω0为基本风压；μz为z高度处的风压高度变化系数；μs为风载荷体型系数；βz为z高度处的风振系数，按照公式βz＝1+ξε1ε2计算，其中ξ为脉动增大系数，ε1为风压脉动和风压高度变化影响系数，ε2为振型、结构外形影响系数；
④当风速值达到风机的极限风况时，此时风机处于停机状态，横向力以下公式计算：
其中vs为风机的抗最大风速，选50年最大阵风风速；CT为推力系数，取1.6；Ab为叶轮投影面积；B为叶轮叶片数目；
(3)分别针对只受风载影响情况与只受沉降影响情况进行模拟；
只受风载影响情况下，又分为运行工况与停机工况；运行工况中，该型风机的切入风速为3m/s，切出风速为25m/s/，故模拟的风速范围为[3,0.5,25](m/s)，其中0.5m/s为取值间隔；风速不同，加载在塔筒上的力不同，得到的塔筒顶部倾角与径向位移不同；最终得到在运行工况下，该型塔筒顶部倾角与径向位移之间的关系式：
S＝587.19θ0.9374
其中θ为塔筒顶部倾角，S为塔筒顶部径向位移(mm)；
同理，在停机工况下，风机的切出速度为25m/s，极大风速为59.5m/s，故模拟的风速范围为[25,0.5,59.5](m/s)，其中0.5m/s为取值间隔；得到在停机工况下，该型塔筒顶部倾角与径向位移之间的关系式：
其中θXH为停机工况下的塔筒顶部倾角，SXH为停机工况下的顶部径向位移(mm)；
只受地表沉降影响情况下，模拟地表倾斜范围为3-40mm/m，得到不同地表倾斜所对应的顶部倾斜角度与径向位移的关系式：
Sb＝1199.8θb+17.884
其中，θb为塔筒底部沉降倾角，Sb为底部沉降引起的塔筒顶部径向位移；
(4)在风机塔筒顶部安装低频振动传感器与双轴倾角传感器各一个，在塔筒底部安装双轴倾角传感器一个；分别采集塔筒顶部径向晃动与底部沉降坐标变化，将步骤三中公式相互耦合，综合考虑推导出整体风机塔筒顶部的径向位移，同时，结合振动信号模态分析，一旦发现塔筒倾斜位移超过预警值，立即发出信号，从而防止事故的发生或扩大，预警值的选取依据《高耸结构设计规范》选取，塔筒的最高点的径向位移不得大于该点离地高度的1/100。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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