CN204984740U - 风力发电机塔筒结构监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种风力发电机塔筒结构监测系统，包括：监控中心、通信模块和塔筒光纤光栅监测系统，其中监控中心包括主机、服务器，电源、显示器和鼠标、键盘，通信模块，塔筒光纤光栅监测系统包括光纤光栅解调仪、传输光缆和各种现场光纤光栅传感器，该结构监测系统运用光纤光栅解调仪，将现场的各种光纤光栅传感器测量的参数进行实时监测，相较于传统的计划维修的方式，能够做到实时在线监测，发现有异常及时报警，事后维修能够及时到位，大大减少了经济损失。

Description

风力发电机塔筒结构监测系统

技术领域

本实用新型涉及一种风力发电机塔筒结构监测系统。

背景技术

通常风力发电机在线监测与诊断系统只对风机轴承等关键部位进行振动监测与分析，忽略了支撑整个风机正常运行的塔筒及其基础。而塔筒的结构健康一旦受到影响，则会出现倾倒的可能。

风力发电机组是风电场的关键设备，长期以来一直采用计划维修的方式，即一般风力机运行2500h或5000h后进行例行维护。这种维修方式无法全面的、及时的了解设备的运行状况；而事后维修则由于事先的准备不够充分，造成维修工作的耗时太长、损失严重。

风力发电机组在运行时会由于多种原因，使风机塔筒发生损坏。通常有以下几点原因：

风速影响，由于外部环境异常多变，风机塔筒要承受不同风力影响。

腐蚀影响，在很多区域，特别是沿海区域，空气腐蚀性比较大，塔筒承受力会因为腐蚀而降低。

地基结构影响，很多风机塔筒基础是建在海边、山上、草原，一旦发生水土流失造成地基基础不平，会导致塔筒倾斜甚至倾倒。

因此，根据风机运行特点以及相关钢结构标准要求，有必要对风机的塔筒进行监测，并选择如下参数进行监测：

塔筒螺栓应力应变：

塔筒应变监测，可以掌握塔筒在不同风力作用下其应变特征，从顶部到根部的应变是否在合理区间内，一旦发现应变超值，则说明因环境或外力作用使得塔筒超负荷运行。

塔筒温度：

对塔筒温度监测可以掌握温度对塔筒钢结构造成的结构性应变规律。

塔筒振动：

对塔筒进行振动监测

塔筒底部沉降：

对塔筒进行相对沉降监测

塔筒倾角：

对塔筒的长期运行倾斜状态监测，防止塔筒过度倾斜，一旦超过一定倾斜速率或者倾斜总的角度过大，则需要采取防护措施。

用于结构监测的技术主要有电测技术、振弦式技术、光纤光栅传感技术。电测技术的原理是：通过一定的传感元件把所测的机械量(应变变化)转化为电量(电阻变化),再通过一定的仪器把电阻变化转换为电压(电流)的变化并加以放大,然后按机械量给出指示。基于电测技术研制的传感器，寿命有限，并且在使用环境较为恶劣，长期使用，会导致传感器探头失效。振弦式技术是通过监测钢弦的形变获得所需监测的物理量，通常包括固定在端块或被测元件之间的钢弦，通过测量张紧钢弦的频率变化来测量钢弦的张力／应变等物理量。基于振弦技术研制的传感器，在恶劣的环境中使用，会导致钢弦腐蚀失效，同时，振弦传感器拓扑分布难度较大，不适合用于项目较大的工程。

而光纤光栅传感技术中的光纤其纤芯折射率具有周期性变化的特性，当一束宽光谱光λ经过光纤光栅时，被光栅反射回一单色光，因此，当光纤光栅周围的温度发生变化时，将导致光栅的周期和有效纤芯折射率产生变化，从而使反射回的波长发生变化，而波长的变化与环境温度或应力的变化呈线性变化关系，因此，通过检测光纤光栅波长，就可以测得环境温度。由于光纤光栅可以制作成不同的中心波长，因此多个光栅可以方便地串接在同一条光路上形成分布式测量系统。

实用新型内容

技术问题

有鉴于此，本实用新型要解决的技术问题是：提供一种风力发电机塔筒结构监测系统，使用光纤光栅传感技术实时在线监测风力发电机塔筒结构，利用安装在塔筒的光纤传感器来监测如下参数：螺栓的应力、温度、振动、底部沉降和倾角等。

解决方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种风力发电机塔筒结构监测系统，其特征在于，包括：监控中心、通信模块和塔筒光纤光栅监测系统，其中监控中心包括主机、服务器，电源、显示器和鼠标、键盘，通信模块为GPRS或3G模块，塔筒光纤光栅监测系统包括光纤光栅解调仪、传输光缆和各种现场光纤光栅传感器；

进一步地，光纤光栅解调仪也可以设置在监控中心；

进一步地，所述各种现场光纤光栅传感器包括测量塔筒的螺栓的应力应变的智能螺栓；

进一步地，所述各种现场光纤光栅传感器包括测量塔筒温度的光纤光栅温度传感器；

进一步地，所述各种现场光纤光栅传感器包括测量塔筒底部沉降的光纤光栅静力水准仪；

进一步地，所述各种现场光纤光栅传感器包括测量塔筒倾角的角度传感器；

进一步地，所述各种现场光纤光栅传感器包括测量塔筒振动的振动传感器；

进一步地，所述各种现场光纤光栅传感器布置在同一个截面的串联在一根光缆上，所有多个不同截面的光缆并联到垂直于地面的传输主缆上，主缆沿着风电机组的杆子通到地面，从而连接到所述监控中心。

有益效果

本实用新型的风力发电机塔筒结构监测系统运用光纤光栅解调仪，将现场的各种光纤光栅传感器测量的参数进行实时监测，相较于传统的计划维修的方式。能够做到实时在线监测发现有异常及时报警，事后维修能够及时到位，大大减少了经济损失。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本实用新型的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本实用新型的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本实用新型的原理。

图1为风力发电机塔筒结构监测系统示意图；

图2为各种现场光纤光栅传感器的连接示意图。

具体实施方式

本实用新型的风力发电机塔筒结构监测系统，包括：监控中心、通信模块和塔筒光纤光栅监测系统，其中监控中心包括主机、服务器，电源、显示器和鼠标、键盘等，塔筒光纤光栅监测系统包括光纤光栅解调仪、传输光缆和各种现场光纤光栅传感器，光纤光栅解调仪设置为多通道模式，可以接收各种光纤光栅传感器测量的数据，并将光纤光栅传感器测量时的波长信号解算出来，传送给监控中心的主机，主机将各种波长信号转化为待测物理量的特征信号，即可对塔筒进行实时的监测，其中各种光纤光栅传感器数据为塔筒的螺栓的应力应变、温度、振动、底部沉降和倾角，主机通过显示器来显示上述特征信号，并将其与服务器中存储的特征信号设定值进行比较，监控中心的操作人员根据比较结果进行相关的操作，如报警进行塔筒维修或向其上级主管汇报塔筒的结构状态，也可以利用键盘和鼠标等输入相关参数。

塔筒光纤光栅监测系统包括测量塔筒的螺栓的应力应变、温度、振动、底部沉降和倾角等参数的现场光纤光栅传感器和传输光缆。塔筒结构常使用螺栓固定各部件，当该塔筒发生倾斜等故障时，用于固定各部件的螺栓所承载的应力将发生变化，因此，需要对该应力的变化进行监测，本实用新型测量塔筒的应力应变采用智能螺栓，该智能螺栓采用高性能合金材料作为封装基体，对密封在螺栓内的传感器进行防水处理和尾纤采用铠装光缆保护，可实时监测传递在其上的应力；采用光纤光栅温度传感器来测量塔筒的塔身温度，掌握温度对塔筒钢结构造成的结构性应变规律；采用振动传感器可以检测塔筒的振动频率，应用光栅结构，无需温度补偿，适合于低频监测，在塔筒的中段平台设置监测截面，选择2个监测点，监测方向互相垂直；采用角度传感器来测量塔筒的倾斜角度，该角度传感器可实现0.01～5°的角度，传感器内部安装角度球，这样当角度发生变化时，球会因为角度变化发生移动这样便可测量倾斜，对塔筒的长期运行倾斜状态监测，在塔筒顶部设置监测截面，选择2个监测点，监测方向互相垂直；采用光纤光栅静力水准仪来监测塔筒的底部沉降，选择3个监测点，该水准仪采用多组液位传感器，适用于高精度监测垂直位移的场合，可监测到0.05mm的高程变化。

现场的所有光纤光栅传感器：智能螺栓、温度传感器、振动传感器、角度传感器静力水准仪均通过传输光缆与光纤光栅解调仪连接。光纤光栅解调仪也可以布置在监控中心：当只监测一个塔筒可采用一台光纤光栅解调仪，布置在监控中心，现场所有传感器布置在同一个截面的串联在一根光缆上，所有多个不同截面的光缆并联到垂直于地面的传输主缆上，主缆沿着风电机组的杆子通到地面，从而连接到所述监控中心的光纤光栅解调仪。对于50套塔筒，可采用集中监控的形式进行检测，将现场的每一套塔筒的传感器通过一根主缆接到监控中心的光纤光栅解调仪，可以一台设备监控多套塔筒。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种风力发电机塔筒结构监测系统，其特征在于，包括：监控中心、通信模块和塔筒光纤光栅监测系统，其中监控中心包括主机、服务器，电源、显示器和鼠标、键盘，通信模块，塔筒光纤光栅监测系统包括光纤光栅解调仪、传输光缆和各种现场光纤光栅传感器。

2.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于：光纤光栅解调仪也可以设置在监控中心。

3.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于：所述各种现场光纤光栅传感器包括测量塔筒的应力应变的智能螺栓。

4.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于：所述各种现场光纤光栅传感器包括测量塔筒温度的光纤光栅温度传感器。

5.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于：所述各种现场光纤光栅传感器包括测量塔筒底部沉降的光纤光栅静力水准仪。

6.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于：所述各种现场光纤光栅传感器包括测量塔筒倾角的角度传感器。

7.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于：所述各种现场光纤光栅传感器包括测量塔筒振动的振动传感器。

8.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于：所述各种现场光纤光栅传感器布置在同一个截面的串联在一根光缆上，所有多个不同截面的光缆并联到垂直于地面的传输主缆上，主缆沿着风电机组的杆子通到地面，从而连接到所述监控中心。