风电机组塔筒在线监测技术的研究与应用

管伟，吴双

（中国水电四局（酒泉）新能源装备有限公司，甘肃 酒泉735000）

1 风机塔筒形变检测的理论基础

本文设计的风机塔筒形变检测的原理在于通过在塔筒中安装多个传感器分析传感器之间的数据变化得到塔筒的变形过程。

首先，测量塔筒的线性位移，当塔筒发生位移时，可以通过安装在塔底和塔顶的传感器实现位移量的检测，如图1 所示。

倾斜量测量的指标是倾斜角α，通过塔顶传感器测得的偏移量d和三角函数公式计算出塔筒的偏移角度α，但通过得出α 的值计算d很容易出现错误，原因在于塔筒容易发生非线性形变，使通过α 计算得到的d明显偏小[1]，如图2 所示。

为确保传感器能够有效检测线性形变与非线性形变，在常见的风机塔筒中引入了三维坐标系，将塔筒按照主体分为上、中、下3 部分，在3 个部分中的多个部位安装传感器，传感器由法兰盘承载，安装示意图如图3 所示。

其中，位置8 用于测量x和y方向的速度，在此方向上，塔筒的变形主要沿切面，须检测z方向的形变；安装位置10为检测y方向的传感器，检测的是塔筒在风力作用下的扭转形变，由于风力长时间作用于风扇的叶片，因此，当风向与叶片平面不垂直时，叶片会对塔筒产生一个垂直于y方向的力，使塔筒产生扭转，此扭转通过位置10 处的传感器测量。此外，在塔筒中若干位置安装辅助传感器，即可实现测量3 个方向的摇摆形变和扭转形变，并取得更精确的结果。

图1 塔筒线性形变

图2 塔筒非线性形变

2 风机塔筒在线监测系统的搭建

设计可以通过网络实现远程监控的装置，将传感器与网络连接，即可实现在塔筒发生形变时向管理员报警。以塔顶和塔底的传感器为基础，在塔筒中部3 个高度阶段的传感器实现各方向的摇摆形变和扭转形变，可以得到塔筒的摆动角度、扭转角度等数据。

选择传感器与网络的连接方式时，采用了一种现场存储和关联报警的连接方式，传感器将测量的数据存储在本地的存储器中，当风机塔筒因形变幅度过大导致停机后，管理员可前往现场寻找报警系统，并拷贝传感器中存储的形变数据，对风机安全系统进行手动复位，之后对传感器存储的波形进行分析。

本系统可通过与工控机连接的方式，使管理员在现场对所有风机塔筒的形变状态进行监测，并根据风机形变的状态对风机做出停机调整。

图3 塔筒传感器安装位置示意图

3 实际案例分析

为检测所设计的形变装置的实际效果，在甘肃省的某一风电场中，对一座高度为80m 的不锈钢主体结构的塔架进行了传感器和检测系统的搭建工作，并通过分析传感器得到的数据分析风机在工作中塔筒的形变状态。

图4 为风机塔底外部偏移的变化曲线，图中最上方的曲线为偏移曲线，该曲线表明的风机塔底的偏移值约为400μm，变化幅度很小，没有出现沉降或倒塌的趋势。

图5 中的阴影部分为风机塔顶端极限摆动范围，阴影的范围越大说明风机塔顶的摆动幅度越大。由图5 可以看出，摆动范围以西北和西南为主，东北和东南方向较少，因此，这2 个方向上的连接螺栓易出现疲劳现象，巡检时应重点检查[1]。

图4 风机塔底外部偏移变化曲线

图5 塔顶极限摆动范围

图6 为风机塔顶端摆动的实时曲线图，其中，颜色最浅部分是X轴方向上的摆动范围；颜色最深部分曲线为Y轴方向上的摆动范围，而颜色处于两者间的曲线为合成曲线，表明塔顶端在XY平面上的摆动范围。经过对曲线的分析，塔顶径向上的最大偏移值为1.6m，在XY面上的平均偏移值为0.4m。可以根据曲线的倾斜状态判断塔顶的摆动状态，如曲线斜率较大时，说明塔顶在风力的作用下发生了大幅度摆动，此时应对相应的风机塔进行停机，防止其折断或倒塌；当曲线倾斜后长时间未恢复原状时，说明风机塔已经发生了塑性形变，此时应及时停机并对相应的塔组进行维修。

图6 风机塔顶摆动实时曲线图

4 结语

本文对能够测量风机塔筒形变的在线监测技术进行了研究，通过在风机塔筒的底端、顶端以及中部若干位置安装传感器，并测量传感器的数据的方式实现对塔筒形变的远程监控，经过实际的检测，监测系统能够实现精度较高的检测，并满足风电场对塔筒形变的管理与检测工作。