CN207485608U - 一种风力发电机组塔筒空间姿态及形变状态监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种风力发电机组塔筒空间姿态及形变状态监测装置，包括数据采集站、现场服务器、至少两只倾角传感器和若干现场浏览器，倾角传感器通过电缆与数据采集站连接，并固定在风力发电机组的塔筒同侧不同高度方向的塔筒壁上，现场服务器与数据采集站数据连接，现场浏览器与现场服务器数据连接。本实用新型的技术方案是在风力发电机组塔筒的不同高度安装至少两只双轴倾角传感器，通过多只倾角传感器分段计算，大大提高计算塔筒顶部中心的倾斜位置的准确性；对塔筒进行动态摆动检测，从倾角信息中分离出动态摆动量，可以了解塔筒的潜在故障，比仅仅测量塔筒顶部倾斜的传统方法提供更多的信息量。

Description

一种风力发电机组塔筒空间姿态及形变状态监测装置

技术领域

本实用新型涉及风力发电技术领域，具体涉及一种风力发电机组塔筒空间姿态及形变状态监测装置。

背景技术

塔筒是风力发电机组中的一个重要组成部件，随着风力发电机组的单机功率的不断增加，机组的质量越来越大，叶片长度不断增长，塔筒的承重也在不断增加；同时塔筒的高度不断增加，挠性增大，在风机运行过程中塔筒承受更加复杂多变的负荷，比如推力、弯矩和扭矩等。风塔长期的摇摆和扭曲等变形会造成塔筒连接法兰螺栓的松动，甚至疲劳断裂。另外，由于复杂的地质结构原因，塔筒的地基还可能发生不均匀沉降，会造成塔筒的倾斜。以上这些隐患如果不能及时发现，可能发生风机倒杆的恶性事故。因此对风塔进行不间断检测，了解其运行状态很有必要。

传统的监测手段是在风塔的周围设立观测点，通过水准仪和经纬仪现场观测塔筒的倾斜和沉降。这种通过人工定期观测的方法存在人工成本高、监测不及时、数据准确性受人为影响等缺点。目前出现了用倾角传感器安装在塔筒顶部测量塔筒状态的方法，假想风塔为一个刚体，根据其倾角和塔筒高度，即可计算出塔筒顶端的位移。但塔筒实际上并非刚体，其在不同高度上会挠曲变形，使得该监测方法的期望值与计算值之间存在较大误差。除此之外，塔筒在风机的运行过程中并不是静止不动，会停留在某个中心位置并发生一定幅度的摆动。这个摆动的频率既有塔筒自身的固有频率，同时也包含着机组运行传递过来的振动信息。塔筒顶部倾斜距离的绝对大小受风机的工况(特别是风速)影响很大，即使测量出塔筒顶部的倾斜距离，实际中很难评估风塔的健康状态。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供这样一种风力发电机组塔筒空间姿态及形变状态监测装置，采用智能统计历史数据的方法，自动得出风塔顶部倾斜的报警门限。

本实用新型的为达到上述目的，具体通过以下技术方案得以实现的：

一种风力发电机组塔筒空间姿态及形变状态监测装置，包括数据采集站、现场服务器、至少两只倾角传感器和若干现场浏览器，倾角传感器通过电缆与数据采集站连接，并固定在风力发电机组的塔筒同侧不同高度方向的塔筒壁上，现场服务器与数据采集站数据连接，现场浏览器与现场服务器数据连接。

进一步地，倾角传感器为双轴倾角传感器。

进一步地，电缆为屏蔽电缆。

本实用新型的技术方案是在风力发电机组塔筒的不同高度安装至少两只双轴倾角传感器，通过多只倾角传感器分段计算，大大提高计算塔筒顶部中心的倾斜位置的准确性；对塔筒进行动态摆动检测，从倾角信息中分离出动态摆动量，可以了解塔筒的潜在故障，比仅仅测量塔筒顶部倾斜的传统方法提供更多的信息量。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图。

图中，1、数据采集站；2、现场服务器；3、倾角传感器；4、现场浏览器；5、电缆；6、塔筒。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型的一种风力发电机组塔筒空间姿态及形变状态监测装置，包括数据采集站1、现场服务器2、至少两只倾角传感器3和若干现场浏览器4，倾角传感器通过电缆5与数据采集站1连接，。数据采集站1用于为倾角传感器3提供电源，并且实时采集倾角传感器3输出的模拟信号，完成模数转换，并进一步对数据加工处理。除了接入倾角传感器3以外，还要求输入风速、转速、功率等风力发电机组的工况信息，方便进行建模数据处理。

其中，倾角传感器3沿塔筒6高度方向，固定在风力发电机组的塔筒6同侧不同高度方向的塔筒壁上，具体为塔筒6的内壁上。固定方式为磁吸加胶水固定。倾角传感器3为双轴倾角传感器，优选为电流输出型双轴倾角传感器，一只倾角传感器3可以同时测量X和Y方向的倾角。在塔筒6不同高度的内壁各安装一只，初始安装时将全部倾角传感器3调整为X和Y方向基本水平的位置。

电缆5为屏蔽电缆，通过塔筒6的电缆槽，经过马鞍桥连接到数据采集站1。

现场服务器2与数据采集站1数据连接，现场浏览器4与现场服务器2数据连接。数据采集站1通过风场内部网络向现场服务器2传递数据。现场服务器2用于存储塔筒倾斜位置和动态摆动数据，现场浏览站4通过IE访问现场服务器2的IP地址，浏览塔筒6倾斜位置和动态摆动的实时和历史数据。

本实用新型的数据原理过程包括，1)倾角的计算。采集传感器的实时输出4-20mA输出电流，通过串接250欧姆电阻转变成1-5V范围的电压。记录传感器初始安装时的电压V1，采集当前的传感器输出电压V，则实时倾角：α＝(V-V1)/传感器灵敏系数；

2)塔筒顶部平均位移的计算。假设在塔筒2壁上安装了3只倾角传感器，距离地面的高度分别是L1，L2和L3。这3只传感器测量的X方向的实时倾角为α1，α2和α3，Y方向的实时倾角是β1，β2和β3。则塔筒6顶部的X向倾斜位置x和Y向倾斜位置y：

x＝L1*sin(α1)+L2*sin(α2)+L3*sin(α3)

y＝L1*sin(β1)+L2*sin(β2)+L3*sin(β3)

数据采集站1以一定采样频率，比如50Hz，采集一定数量n的倾角值，得到一个数据包，假设数据包中的数值分别是X1，X2，…，Xn和Y1，Y2，…，Yn。塔筒顶部X向平均倾斜位置Xavr和Y向平均倾斜位置Yavr分别为如下计算：

塔筒6顶部径向位移的合成值Disp为：

3)塔筒顶部动态摆动的计算

在得知塔筒6顶部的X向的实时倾角值X1，X2，…，Xn和塔筒6顶部X向平均倾斜位置Xavr之后，塔筒顶部的X向动态摆动Sxi可以如下计算：Sxi＝Xi-Xavr,(i＝1，2，......n)。

在得知塔筒6顶部的X向的实时倾角值Y1，Y2，…，Yn和塔筒顶部Y向平均倾斜位置Yavr之后，塔筒6顶部的Y向动态摆动Syi可以如下计算：Syi＝Yi-Yavr,(i＝1，2，......n)。

在得到X向平均倾斜位置Xavr和Y向平均倾斜位置Yavr之后可以在直角坐标系中描绘出塔筒顶部的中心位置。由于风向的改变，一段历史时间的塔筒中心位置散落在直角坐标原点附近，风速越大，则偏离坐标原点越远。结合塔筒中心点的位置和当时的风速的历史数据，可以统计学习某一风速下塔筒中心的安全活动范围，可以用一定半径大小的圆表示。不同风速的塔筒中心的安全活动范围则构成一系列的同心圆。在学习得到安全活动范围之后，可以用不同的颜色点表示塔筒中心倾斜位置的报警状态，比如落点中心位置落在代表某一风速工况对应的安全活动范围的圈内，由此显示塔筒顶部中心位置和报警状态。还可以利用X、Y向动态摆动数据按采样时间展开，得到摆动波形图，通过波形分析计算得到风机停机时塔筒的摆动的频率成分及频率值。

通过本实用新型的技术方案，可以根据历史运行数据，统计学习不同工况下塔筒顶部中心安全活动范围，为评估塔筒的倾斜程度提供定量的判断指标。对塔筒进行动态摆动检测，从倾角信息中分离出动态摆动量，可以了解塔筒的潜在故障，比仅仅测量塔筒顶部倾斜的传统方法提供更多的信息量。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种风力发电机组塔筒空间姿态及形变状态监测装置，其特征在于，包括数据采集站(1)、现场服务器(2)、至少两只倾角传感器(3)和若干现场浏览器(4)，倾角传感器通过电缆(5)与数据采集站连接，并固定在风力发电机组的塔筒(6)同侧不同高度方向的塔筒壁上，现场服务器与数据采集站数据连接，现场浏览器与现场服务器数据连接。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组塔筒空间姿态及形变状态监测装置，其特征在于，倾角传感器为双轴倾角传感器。

3.根据权利要求1所述的风力发电机组塔筒空间姿态及形变状态监测装置，其特征在于，电缆为屏蔽电缆。