海上风电机组塔筒安全状态评估方法研究及应用

葛中原，许 明，单程程，冯 为

(如东和风海上风力发电有限公司，南通 226400)

0 引言

塔筒作为风电机组的承力部件，其可靠性关系到风电机组的安全运行。近年来，中国风电机组倒塔事故屡见不鲜，例如：2008年吉林省某风电场的某台风电机组运行3年就发生了倒塔事故；2010年，某风电场的风电机组塔筒因螺栓未及时紧固而被大风吹倒；2014年，甘肃省某风电场的风电机组服役未满1年就突然倒塌[1-3]。通过分析上述风电机组倒塔事故可知，大部分倒塔安全事故是由于塔筒螺栓松动引起的。塔筒螺栓松动原因主要包括以下几个方面[4]：1)塔筒在安装时螺栓没有按照技术要求及时紧固到位；2)风电机组运行过程中振动较大，长时间工作后引起塔筒螺栓松动；3)螺栓自身材料质量不合格，在风电机组振动下螺杆逐步被破坏导致螺栓松动。

近年来，针对海上风电机组基础与塔架的研究主要集中在结构疲劳和强度等方面，例如：谭刚等[5]对海上风电机组基础结构的疲劳及其可靠性的研究现状进行了总结分析；马永亮等[6]提出了一种风浪联合作用下海上风电机组塔架的疲劳评估方法；沈贤达等[7]提出了一种基于风险评价的海上风电机组基础安全性评价方法。另外还有学者通过检测塔筒的数据，比如：垂直度、位移、挠度、应力、自振特性等，对塔筒刚度状态进行评估。现有监测方案大多是通过单一的数值和时域趋势(比如：倾角、挠度、自振频率)反映塔筒的安全状态特征(即刚度状态)，但由于没有符合所有实际海上风电机组塔筒结构特征的参考标准，导致监测成果与实际对塔筒刚度状态的评估要求之间尚有较大差距。

本文从塔筒的结构刚度状态角度来评估塔筒的安全状态，通过对海上风电机组塔筒实施动态倾斜监测，结合塔筒初始刚度状态信息，提出通过塔筒(包括基础)静态刚度圆和最大动态刚度圆分析方法来评估海上风电机组塔筒刚度状态，为海上风电机组塔筒安全状态评估提供一种直接、有效的研究路径。

1 现有评估理论和评估方法

塔筒是整个风电机组的承重部件，吸收风电机组振动，承受风荷载、弯矩和扭矩负荷等复杂多变的荷载，并且在风电机组运行过程中，塔筒会出现一定幅度的摇摆和扭曲等变形；同时，塔筒还受到恶劣的海洋环境因素(比如：盐雾腐蚀、海浪荷载、海冰冲撞、台风等)影响，使塔筒更加容易发生倾斜，造成塔筒结构刚度发生变化、零部件失效、基础加速沉降等。

根据海上风电机组的结构特征，把风电机组的桩和塔筒近似作为一个悬臂梁结构分析，海上风电机组荷载示意图如图1所示。图中：P1为风荷载；P2为波浪荷载；P3为流荷载；G为重力。

图1 海上风电机组荷载示意图Fig.1 Load diagram of offshore wind turbine

现有海上风电机组的工程测量均通过挠曲线方程获得塔筒任意高度截面的挠度(位移)和转角θ(倾角)，结合GB/T 20319—2017《风力发电机组 验收规范》中的倾斜率经验值来评估塔筒的工作状态。

挠曲线方程如式(1)～式(3)所示，具体为：

或

式中：M为弯矩；EI为塔筒抗弯刚度。

其中：

式中：p为作用在塔筒上的外力；h为塔筒高度。

然而，由于各厂家不同机型风电机组塔筒的高度、壁厚均不同，导致不同类型的塔筒的刚度也不相同，使用固定的倾斜率作为塔筒工作状态的评价标准，不能精准得到塔筒的实际刚度状态，比如：塔筒法兰螺栓连接是否松动、塔筒结构是否有损伤等。

2 基于刚度圆分析技术的塔筒刚度状态评估方法

风电机组的工作状态主要包括待机条件下的静止状态(即静态)和发电条件下的晃动状态(即动态)。在待机条件下的静止状态时，风电机组塔筒主要会受机舱和叶片重力影响而产生弯曲倾斜；在发电条件下的晃动状态时，风电机组塔筒出现弯曲变形的外力主要来自于风荷载，其与风速和浆叶的桨距角有关。在浆叶迎风面积不变的条件下，风速越大，作用在叶片上的推力越大，塔筒弯曲变形的挠度也越大。根据以上特点，结合塔筒为一等刚度悬臂梁结构，本文进行了塔筒的静态、动态刚度圆的分析研究。

2.1 塔筒刚度圆的基本原理

2.1.1 塔筒的静态刚度圆

风电机组吊装完成后，由于机舱、叶片的重心与塔筒的中心线不重合，风电机组受自身重力影响偏向轮毂侧，机舱和叶片的重力使塔筒受到一个固定的弯矩，塔筒向叶片方向发生弯曲倾斜。此时通过偏航，可以获得风电机组塔筒和基础在各方向的动态倾角，由于塔筒和基础沿圆周各向刚度相等，因此塔筒在圆周各方向倾角的大小也相等。将不同偏航位置的静态倾斜数据进行拟合，可以获得一个闭合的圆形，即塔筒的静态刚度圆，如图2所示。

图2 塔筒的静态刚度圆示意图Fig.2 Schematic diagram of static stiffness circle of tower

2.1.2 塔筒的动态刚度圆

风电机组运行时，在迎风角不变的情况下，随着风速( 指轮毂中心高度的风速) 的增大，作用在塔筒顶部的轴向推力就越大，塔筒的挠曲变形也就越大。当风速达到并超过额定风速时，风电机组叶片的桨距角开始逐渐变大；随着桨距角变大，叶片的迎风面积迅速变小，使得风荷载作用在塔筒顶端的轴向推力逐渐降低。因此，在额定风速下的风电机组塔筒顶端所受到的轴向推力最大，此时可以测得塔筒的最大弯曲变形，即最大倾斜角度。在不同风向上，风电机组达到满功率运行时，必然在该方向上经过塔筒的最大弯曲变形点。风电机组运行时的输出功率、桨距角与轮毂风速之间的关系如图3所示。由于塔筒和基础沿圆周各向刚度相等，可获得不同风向下塔筒顶部的动态倾斜数据，从而拟合出这些动态倾斜数据的最大外接圆，即为塔筒的最大动态刚度圆，如图4所示。

图3 风电机组运行时的输出功率、桨距角与轮毂风速之间的关系Fig.3 Relationship between output power，pitch angle and hub wind speed during operation of wind turbine

图4 塔筒荷载及最大动态刚度圆示意图Fig.4 Schematic diagram of load and maximum dynamic stiffness circle of tower

2.2 基于刚度圆技术的塔筒刚度状态评估

根据上述原理，在风速小于3 m/s 时，偏航360°获取塔筒和基础的极坐标圆，作为塔筒的初始静态刚度圆样本数据。在风电机组投运初期累积3个风向的满功率运行数据后，对塔筒和基础的动态倾斜数据进行拟合，得出该风电机组的初始最大动态极坐标圆，作为塔筒的最大动态刚度圆样本数据。同样可通过相同的方式，拟合塔筒和基础不同时段的静态刚度圆和最大动态刚度圆，通过与初始的静态刚度圆和最大动态刚度圆

的圆心位置、半径、数据累积形态进行对比分析，可得出风电机组塔筒刚度状态的变化情况。根据研究和现场实际应用，可得出以下3 类结论。

1)若当前刚度圆的圆心偏离初始刚度圆的圆心，可判定为以下情况中的至少1 种：

①塔筒出现变形，则当前刚度圆圆心与初始刚度圆圆心的矢量差为变形的程度；

②基础出现不均匀沉降。

2)若当前刚度圆的半径比初始刚度圆的半径大，可判定为以下情况中的至少1 种：

①基础松动、不牢固；

②塔筒刚度变弱。

3)当前刚度圆在某个圆弧边外围有较多个数据点偏离圆弧时，可判断塔筒360°刚度不均匀，螺栓松动或塔筒有裂纹等缺陷的方向的刚度较弱，这是由于塔筒法兰螺栓固定松动或塔筒有伤痕、裂纹造成的。

风电机组运行过程中，最大动态刚度圆为塔筒实际晃动的边界曲线，正常工作的风电机组塔筒的晃动不能超出此边界曲线，若塔筒的晃动超出了该边界曲线，则表明风电机组和塔筒出现了异常状况。

最大动态刚度圆的直径与塔筒和单桩的刚度成反比关系，最大动态刚度圆的直径越大，说明塔筒和单桩的刚度越小；反之，最大动态刚度圆的直径越小，则塔筒和单桩的刚度越大。对最大动态刚度圆的直径和圆心的变化进行分析，可发现可能存在的塔筒屈曲变形、焊缝开裂、螺栓松动及断裂、基础松动等故障隐患。

3 工程应用实例

本评估方法目前已成功在国家电力投资集团有限公司的滨海南H3#海上风电项目(下文简称为“国家电投滨海南H3#海上风电项目”)中应用。选择风电场中若干台风电机组为应用对象，在风电机组上布置塔筒动态倾斜监测系统，进行实时数据测量。

3.1 塔筒动态倾斜监测系统的组成

在风电机组的偏航法兰下端和承桩式基础顶法兰处各布置1 只高精度复合双轴动态倾角传感器(具备良好的动态和静态性能)，用于分别采集风电机组塔筒和基础实时的倾斜数据，如图5所示。数据通过电缆以RS485 通信方式传输至采集器，利用风电场预设的海底光纤环网通过核心交换机传输至后台数据服务器中，实现场内监测。数据服务器对上传的数据进行实时分析、处理和存储，并通过刚度圆图谱分析、预警塔筒的刚度变化情况。塔筒动态倾斜监测系统的组成示意图如图6所示。

图5 高精度复合双轴动态倾角传感器的实物图及安装图Fig.5 Physical photo and installation photo of high-precision composite dual-axis dynamic inclination sensor

图6 塔筒动态倾斜监测系统的组成示意图Fig.6 Schematic diagram of composition of tower dynamic tilt monitoring system

3.2 应用情况

在国家电投滨海南H3#海上风电项目(单桩基础)的风电机组上安装了塔筒动态倾斜监测系统，风电机组投运初期，在风速小于2 m/s 的气象条件下进行了偏航实验，通过对塔顶的高精度复合双轴动态倾角传感器所采集到的塔筒倾斜数据进行拟合，得出了塔筒倾斜数据的坐标形态近似为圆，验证了静态刚度圆理论的正确性。将此圆标计入数据库，并标定为该风电机组塔筒的初始静态刚度圆样本数据。

塔筒动态倾斜监测系统根据风电机组偏航期间的实时倾斜数据拟合得到的塔筒静态刚度圆如图7所示。图中：蓝色圈为塔筒静态刚度圆，绿色点为风电机组偏航期间的实时倾斜数据。

图7 塔筒初始静态刚度圆分析图Fig.7 Analysis diagram of initial static stiffness circle of tower

通过计算圆形和坐标原点的距离，可以得出塔筒实际的变形偏移量为537 mm，受机舱和叶片重力的影响，所产生的倾斜量为0.1705°。

而在风电机组运行数月后，通过塔筒罗盘数据累积图，提取了风电机组自由偏航的倾斜数据，并与塔筒初始静态刚度圆进行比对，两者吻合，说明塔筒刚度状态未发生变化。塔筒罗盘数据累积图与塔筒初始静态刚度圆的对比图如图8所示，图中：红色圈为塔筒的初始静态刚度圆，绿色点为风电机组自由偏航的倾斜数据。

图8 塔筒罗盘数据累积图与塔筒初始静态刚度圆的对比图Fig.8 Comparison between tower compass data accumulation diagram and tower initial static stiffness circle

在风电机组正常运行一段时间后，通过塔筒动态倾斜监测系统所积累的历史倾斜数据，进行了塔筒最大动态刚度圆的绘制，如图9所示。图中：蓝色圈为塔筒最大动态刚度圆，绿色点为历史倾斜数据。

图9 塔筒最大动态刚度圆分析图Fig.9 Analysis diagram of maximum dynamic stiffness circle of tower

塔筒动态倾斜监测系统基于风电机组塔顶测量点的历史数据绘制的塔筒初始最大动态刚度圆，最大动态刚度圆半径为537.9 mm，代表了运行期间塔顶的最大晃动位移值。

塔筒最大动态刚度圆即为风电机组运行时塔筒晃动的最大边界线，可作为塔筒倾斜晃动的边界报警值。后期在风电机组运行过程中，塔筒的晃动不能超出此边界线。若风电机组塔筒晃动超出了这一边界线，则说明塔筒和单桩的刚度变小了，提示塔筒可能存在连接螺栓松动、断裂，焊缝开裂等故障隐患。塔筒罗盘数据累积刚度圆预警图如图10所示。

图10 塔筒罗盘数据累积刚度圆预警图Fig.10 Early warning diagram of tower compass data cumulative stiffness circle

4 结论

本文通过对海上风电机组塔筒实施动态倾斜监测，结合塔筒初始刚度状态信息，提出了通过塔筒(包括基础)动态、静态刚度圆分析技术来评估海上风电机组塔筒刚度状态的评估方法，并进行了实例验证。该评估方法的优点主要体现在以下几个方面：

1)通过动态倾斜监测系统采集风电机组运行过程中塔筒的结构参数(挠度、倾斜角度)，结合刚度圆分析技术，对塔筒刚度状态进行评估，具有较高的精度和稳定性，评估效果好；

2)通过利用风电机组安装完毕后的初始状态，获取塔筒初始状态下的静态刚度圆和最大动态刚度圆作为样本数据，为后期风电机组运行过程中塔筒刚度状态提供对比依据，相较于单一以GB/T 20319—2017 中的倾斜率来评估塔筒刚度状态更加准确；

3)由于塔筒具备初始倾斜和偏载的特性，以极坐标罗盘数据累积图的方式对塔筒刚度状态进行预警，与单一设定报警值相比更符合风电机组的结构特点，实用性更强。