CN115268356B - 一种风电筒型基础负压智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风电筒型基础负压智能控制系统，包括:外部信号采集传输模块、负压智能调节分析处理模块和自适应负压调节模块；所述外部信号采集传输模块，用于采集筒型基础的海上的外部信息；所述负压智能调节分析处理模块，用于根据所述外部信息，获取所述筒型基础的实时运行状态，并控制所述自适应负压调节器；所述自适应负压调节器，用于根据所述负压智能调节分析处理模块的控制，对所述筒型基础进行启停和参数调节。本发明有助于提高筒型基础在位运行期筒型基础整体抗倾稳定性及生存能力，对于推动海上风电筒型基础的快速发展具有重要意义。

Description

一种风电筒型基础负压智能控制系统

本发明属于海上风电技术领域，尤其涉及一种风电筒型基础负压智能控制系统。

背景技术

近年来我国海上风电发展迅速，仅2021年我国新增海上并网容量约1080万千瓦，占全球新增装机的80.6％，装机规模已达世界第一。作为一种新的海上风电基础结构，筒型基础的工程应用时间较短，但已在江苏响水、大丰、如东及广东阳江等风电场开展大规模推广应用。据统计，筒型基础结构在25年的设计全寿命周期内会受到约107～108次的风浪流水平循环荷载，故需关注筒型基础的长期在位运行性能及整体抗倾稳定性。但目前的设计规范大多借鉴传统的重力式设计规范，造成最终的设计参数(筒径、高度、壁厚等)过分保守，严重限制了复合筒型基础向不良地质(软土淤泥)、大水深、强风浪海域的推广应用。

目前，针对提高在位运行期筒型基础整体抗倾稳定性的问题，现有技术多采用抛石或增加配重等被动方法，但上述工程措施的施工成本相对较高、效果持续时间短、水流影响强且后续维护成本巨大。而负压作为筒型基础中常用的下沉主要驱动力，其主要是通过真空泵抽吸筒内水气，使得筒内外形成压差，最终达到驱动基础下沉的目的。实际上，筒内负压对于筒型基础的效果可等效于增加筒型基础的上覆荷载(下压力)，且可通过控制筒内负压的大小来实现上覆荷载的调控。但目前尚无将筒内负压应用于提高在位运行期筒型基础整体抗倾稳定性的现有公开技术。因此，亟需提出一种海上风电筒型基础的筒内负压智能调节系统。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种风电筒型基础负压智能控制系统，有助于提高筒型基础在位运行期筒型基础整体抗倾稳定性及生存能力，对于推动海上风电筒型基础的快速发展具有重要意义。

为实现上述目的，本发明提供了一种风电筒型基础负压智能控制系统，包括:外部信号采集传输模块、负压智能调节分析处理模块和自适应负压调节模块；

所述外部信号采集传输模块，用于采集筒型基础的海上的外部信息；

所述负压智能调节分析处理模块，用于根据所述外部信息，获取所述筒型基础的实时运行状态，并控制所述自适应负压调节器；

所述自适应负压调节器，用于根据所述负压智能调节分析处理模块的控制，对所述筒型基础进行启停和参数调节。

可选地，外部信号采集传输模块包括：风速风向采集装置、气象采集装置、倾角采集装置和加速度采集装置；

所述风速风向采集装置，用于采集风机实时的风向与风速；

所述倾角采集装置，用于采集所述筒型基础的实时倾角；

所述加速度采集装置，用于采集所述筒型基础的实时加速度；

所述气象采集装置，用于接收气象站点的气象信息。

可选地，所述负压智能调节分析处理模块包括：PLC控制单元、土压采集装置和水压采集装置；

所述土压采集装置，用于采集所述筒型基础的顶盖板土压力信息；

所述水压采集装置，用于采集所述筒型基础的顶盖板孔隙水压力信息；

所述PLC控制单元，用于根据所述外部信息，结合所述顶盖板土压力信息和顶盖板孔隙水压力信息，获取所述筒型基础的实时运行状态，以所述实时运行状态为输入，结合预设的基础状态参量预警值，获取所述自适应负压调节器的控制信息。

可选地，所述自适应负压调节模块包括：自适应变频泵组、电磁阀和压力采集装置；

所述自适应变频泵组，用于控制所述筒型基础的抽水量大小；

所述电磁阀，用于控制筒型基础内部的负压大小；

所述压力采集装置，用于采集各仓实际的压力值，并配合所述负压智能调节分析处理模块调整所述电磁阀的开闭幅度。

可选地，所述PLC控制单元中，获取所述自适应负压调节器的控制信息包括：通过所述PLC控制单元获取负压调节区域、所需负压大小及调节频率。

可选地，通过所述PLC控制单元获取负压调节区域包括：

通过所述PLC控制单元对采集的所述风向与风速进行分析，判别所述风机的受力状态及受力方向，并对所述风机的运行姿态进行评估；

通过所述PLC控制单元对采集的所述实时倾角进行分析，获取筒型基础抗倾稳定性；

通过所述PLC控制单元对所述顶盖板土压力信息与所述顶盖板孔隙水压力信息进行分析，结合评估出的所述风机的运行姿态与所述筒型基础抗倾稳定性，获取所述筒型基础与地基土的接触状态，基于所述接触状态获取不发生接触的区域，将所述不发生接触的区域认定为需要进行的原始负压调节区域；

通过所述PLC控制单元，将预设的双向倾角传感器数据，换算获得所述原始负压调节区域的十二方向投影角，基于所述十二方向投影角，获取所述筒型基础的真实运行姿态，进而获得所述负压调节区域。

可选地，所述PLC控制单元，还用于获取所述负压调节区域的具体负压值及对应的施加频率。

可选地，所述负压智能调节分析处理模块，还用于进行人工调节，技术人员通过风机运行的实时状态，对预设的所述基础状态参量预警值进行更新，进而优化迭代所述负压调节区域的确定方式。

可选地，所述自适应负压调节模块连接有可伸缩负压调节管线；

所述可伸缩负压调节管线，用于为所述自适应负压调节模块提供持续的排水路径。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明利用现有海上风电筒型基础结构型式，仅在基础顶盖板下部增设负压干预管线，配合自适应负压调节模块、外部信号采集传输模块及负压智能调节分析处理模块，即可实现筒型基础结构正常运行及极端荷载下的负压调节，最终达到提高筒型基础在位运行期筒型基础整体抗倾稳定性及生存能力的目的。

通过对由高精度倾角传感器反馈得到的基础实时倾角投影进行离散化处理，给出了基础负压调节区域一般确定性方法；在此基础上结合调节所需负压大小及调节频率，提出了海上风电复合筒型基础在位运行筒内负压智能调节方式，可为后续类似设备提供参考。

附图说明

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

图1为本发明实施例的一种风电筒型基础负压智能控制系统结构示意图；

图2为本发明实施例的一种风电筒型基础负压智能控制系统结构的俯视图；

图3为本发明实施例的负压智能调节分析处理模块的电路结构示意图；

图4为本发明实施例的筒内负压智能调节流程示意图；

图5为本发明实施例的主方向倾斜情况下的可伸缩负压调节管线布设示意图；

图6为本发明实施例的复杂倾斜情况下的可伸缩负压调节管线布设示意图。

具体实施方式

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

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例

如图1-2所示，本实施例提供了一种风电筒型基础负压智能控制系统，包括:外部信号采集传输模块、负压智能调节分析处理模块、自适应负压调节模块和可伸缩负压调节管线；

外部信号采集传输模块，用于采集筒型基础的海上的外部信息；

负压智能调节分析处理模块，用于根据外部信息，获取筒型基础的实时运行状态，并控制自适应负压调节器；

自适应负压调节器，用于根据负压智能调节分析处理模块的控制，对筒型基础进行启停和参数调节。

所述可伸缩负压调节管线与所述自适应负压调节模块连接，用于为所述自适应负压调节模块提供持续的排水路径。

进一步地，外部信号采集传输模块包括：风速风向采集装置、气象采集装置、倾角采集装置和加速度采集装置；

风速风向采集装置，用于采集风机实时的风向与风速；

倾角采集装置，用于采集所述筒型基础的实时倾角；

加速度采集装置，用于采集所述筒型基础的实时加速度；

气象采集装置，用于接收气象站点的气象信息。

进一步地，负压智能调节分析处理模块包括：PLC控制单元、土压采集装置和水压采集装置；

土压采集装置，用于采集筒型基础的顶盖板土压力信息；

水压采集装置，用于采集筒型基础的顶盖板孔隙水压力信息；

PLC控制单元，用于根据外部信息，结合顶盖板土压力信息和顶盖板孔隙水压力信息，获取筒型基础的实时运行状态，以实时运行状态为输入，结合预设的基础状态参量预警值，获取自适应负压调节器的控制信息。

进一步地，自适应负压调节模块包括：自适应变频泵组、电磁阀和压力采集装置；

自适应变频泵组，用于控制筒型基础的抽水量大小；

电磁阀，用于控制筒型基础内部的负压大小；

压力采集装置，用于采集各仓实际的压力值，并配合负压智能调节分析处理模块调整电磁阀的开闭幅度。

进一步地，PLC控制单元中，获取自适应负压调节器的控制信息包括：通过PLC控制单元获取负压调节区域、所需负压大小及调节频率。

进一步地，通过PLC控制单元获取负压调节区域包括：

通过PLC控制单元对采集的风向与风速进行分析，判别风机的受力状态及受力方向，并对风机的运行姿态进行评估；

通过PLC控制单元对采集的实时倾角进行分析，获取筒型基础抗倾稳定性；

通过PLC控制单元对顶盖板土压力信息与顶盖板孔隙水压力信息进行分析，结合评估出的风机的运行姿态与筒型基础抗倾稳定性，获取筒型基础与地基土的接触状态，基于接触状态获取不发生接触的区域，将不发生接触的区域认定为需要进行的原始负压调节区域；

通过PLC控制单元，将预设的双向倾角传感器数据，换算获得原始负压调节区域的十二方向投影角，基于十二方向投影角，获取筒型基础的真实运行姿态，进而获得负压调节区域。

进一步地，PLC控制单元，还用于获取负压调节区域的具体负压值及对应的施加频率。

进一步地，负压智能调节分析处理模块，还用于进行人工调节，技术人员通过风机运行的实时状态，对预设的基础状态参量预警值进行更新，进而优化迭代负压调节区域的确定方式。

本实施例所提出的海上风电筒型基础在位运行期筒内负压智能调节系统包括：筒型基础、可伸缩负压调节管线、自适应负压调节器、外部信号采集传输模块、负压智能调节分析处理模块和信号传输电缆组成。

外部信号采集模块包括风速风向传感器、无线网桥、倾角传感器、加速度传感器。其中风速风向传感器主要用于监测风机实时的风向与风速；倾角传感器和加速度传感器主要用于监测筒型基础的实时倾角与加速度值；无线网桥主要用于接收气象站点的气象信息，并为离岸值守人员提供数据参考。

负压智能调节分析处理模块(如图3所示)包括PLC控制单元、基础顶盖板土压力传感器和基础顶盖板孔隙水压力传感器。其中PLC 控制单元以外部信号采集传输模块反馈的基础实时倾角、加速度、风向风速及接收的站点气象信息为基础，配合基础顶盖板土压力传感器和基础顶盖板孔隙水压力传感器结果，计算得到基础的实时运行状态，并以此为输入，结合预设的基础状态参量预警值，控制自适应负压调节系统的启停及具体调节参数的确定。

自适应负压调节器包括自适应变频泵组、电磁阀跟压力传感器。其中自适应变频水泵控制筒体整体抽水量的大小；各隔舱的电磁阀通过负压智能调节分析处理模块进行控制，主要控制筒内负压的大小；压力传感器主要提供各仓实际的压力值，并配合分析控制模块调整电磁阀的开闭幅度。

可伸缩负压调节管线与自适应负压调节模块连接，可伸缩负压调节管线是一种在一定范围内可变化长度的管线，目的是为筒内自适应负压调节模块提供持续的排水路径。可伸缩负压调节管线通过防水夹头和螺栓与自适应负压调节模块连接；管线实现小范围伸缩，通过内部预设的滑槽实现。

本实施例主要对筒型基础在位运行筒内负压进行智能调控，最终达到提高基础整体抗倾稳定性的目的。外部信号采集传输模块主要用于采集外部风浪流及基础倾角加速度等关键参数，再由负压智能调节分析处理模块判断基础是否处于可预警状态，随后通过PLC控制单元计算得到负压调节区域、所需负压大小及调节频率，并控制抽水泵组启停及各仓室对应的电磁阀开闭，具体流程如图4所示。

基础负压调节区域的确定性方法：

PLC控制单元对实时采集的风速风向数据进行分析，判别风机的受力状态及主要的受力方向；并对风机的可能运行姿态进行评估；

对基础顶盖板土压力传感器和基础顶盖板孔隙水压力传感器结果进行分析，结合(1)中的风机可能运行姿态及筒型基础抗倾稳定性计算方法，得到筒型基础与地基土的接触状态，并给出可能不发生接触的区域，并将此区域初步认定为基础需要进行负压调节的区域；

进一步的，基于预设的基础双向倾角传感器数据，换算得到所测平面内的十二方向投影角，进而确定筒型基础的真实运行姿态，进而确定基础需要进行负压调节的具体范围，并通过PLC控制单元计算得到需负压调节位置的具体负压值及对应的施加频率；

此外，负压智能调节分析处理模块可通过网桥系统进行人工调节，技术人员可根据风机运行的实时状态，对基础状态参数预警值进行更新，进而优化迭代基础负压调节区的确定方法。

本实施例提供了两种基础出现倾斜情况后的电磁阀开启策略，其中方案(1)主要解决基础出现主方向(东N南S西W北N)倾斜情况，方案(2)为出现复杂倾斜情况。

对于方案(1)，此刻同时开启出现倾斜反方向区域对应隔舱的电磁阀即可进行负压加固，且由负压智能调节分析处理模块确定所需的负压大小、抽排水量及开启频率。此方案的筒内负压智能调节管线布设型式如图5所示。

对于方案(2)，可视为方案(1)的精细化版本，主要是针对基础出现复杂倾斜情况后，对基础倾斜状况进行进一步处理，负压智能调节分析处理模块会给出各自隔舱子区域(1-1、1-2…)对应电磁阀所提供的负压大小、抽排水量及开启频率，进行精细化控制。此方案的筒内负压智能调节管线即可伸缩负压调节管线的布设型式如图6 所示。

通过本实施例中提出的在位运行期筒内负压智能调节系统，可为海上风电筒型基础在位长期运行提供安全保障。利用现有海上风电筒型基础结构型式，仅在基础顶盖板下部增设负压干预管线，配合自适应负压调节器、外部信号采集传输模块及负压智能调节分析处理模块，即可实现筒型基础结构正常运行及极端荷载下的负压调节，最终达到提高筒型基础在位运行期筒型基础整体抗倾稳定性及生存能力的目的。

通过对由高精度倾角传感器反馈得到的基础实时倾角投影进行离散化处理，给出了基础负压调节区域一般确定性方法；在此基础上结合调节所需负压大小及调节频率，提出了海上风电复合筒型基础在位运行筒内负压智能调节方法，可为后续类似设备提供参考。

在现有4MW海上风电筒型基础上，通过增设在位运行期筒内负压智能调节系统，提高了基础的在位运行期筒型基础整体抗倾稳定性，进而可以满足将现有海上风电筒型基础运用于更高输出功率机型的可能。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种风电筒型基础负压智能控制系统，其特征在于，包括:外部信号采集传输模块、负压智能调节分析处理模块和自适应负压调节模块；

所述外部信号采集传输模块，用于采集筒型基础的海上的外部信息；

所述负压智能调节分析处理模块，用于根据所述外部信息，获取所述筒型基础的实时运行状态，并控制所述自适应负压调节模块；

所述自适应负压调节模块，用于根据所述负压智能调节分析处理模块的控制，对所述筒型基础进行启停和参数调节；

外部信号采集传输模块包括：风速风向采集装置、气象采集装置、倾角采集装置和加速度采集装置；

所述风速风向采集装置，用于采集风机实时的风向与风速；

所述倾角采集装置，用于采集所述筒型基础的实时倾角；

所述加速度采集装置，用于采集所述筒型基础的实时加速度；

所述气象采集装置，用于接收气象站点的气象信息；

所述负压智能调节分析处理模块包括：PLC控制单元、土压采集装置和水压采集装置；

所述土压采集装置，用于采集所述筒型基础的顶盖板土压力信息；

所述水压采集装置，用于采集所述筒型基础的顶盖板孔隙水压力信息；

所述PLC控制单元，用于根据所述外部信息，结合所述顶盖板土压力信息和顶盖板孔隙水压力信息，获取所述筒型基础的实时运行状态，以所述实时运行状态为输入，结合预设的基础状态参量预警值，获取所述自适应负压调节模块的控制信息；

所述自适应负压调节模块包括：自适应变频泵组、电磁阀和压力采集装置；

所述自适应变频泵组，用于控制所述筒型基础的抽水量大小；

所述电磁阀，用于控制筒型基础内部的负压大小；

所述压力采集装置，用于采集各仓实际的压力值，并配合所述负压智能调节分析处理模块调整所述电磁阀的开闭幅度；

所述PLC控制单元中，获取所述自适应负压调节模块的控制信息包括：通过所述PLC控制单元获取负压调节区域、所需负压大小及调节频率；

通过所述PLC控制单元获取负压调节区域包括：

通过所述PLC控制单元对采集的所述风向与风速进行分析，判别所述风机的受力状态及受力方向，并对所述风机的运行姿态进行评估；

通过所述PLC控制单元对采集的所述实时倾角进行分析，获取筒型基础抗倾稳定性；

通过所述PLC控制单元对所述顶盖板土压力信息与所述顶盖板孔隙水压力信息进行分析，结合评估出的所述风机的运行姿态与所述筒型基础抗倾稳定性，获取所述筒型基础与地基土的接触状态，基于所述接触状态获取不发生接触的区域，将所述不发生接触的区域认定为需要进行的原始负压调节区域；

通过所述PLC控制单元，将预设的双向倾角传感器数据，换算获得所述原始负压调节区域的十二方向投影角，基于所述十二方向投影角，获取所述筒型基础的真实运行姿态，进而获得所述负压调节区域。

2.根据权利要求1所述的风电筒型基础负压智能控制系统，其特征在于，所述PLC控制单元，还用于获取所述负压调节区域的具体负压值及对应的施加频率。

3.根据权利要求1所述的风电筒型基础负压智能控制系统，其特征在于，所述负压智能调节分析处理模块，还用于进行人工调节，技术人员通过风机运行的实时状态，对预设的所述基础状态参量预警值进行更新，进而优化迭代所述负压调节区域的确定方式。

4.根据权利要求1所述的风电筒型基础负压智能控制系统，其特征在于，所述自适应负压调节模块连接有可伸缩负压调节管线；

所述可伸缩负压调节管线，用于为所述自适应负压调节模块提供持续的排水路径。