基于纳米级传感器的塔筒寿命预测方法

胡国清 王亚超 张磊 陈树桥 陈戈 王旭东

（蒙东协合开鲁风力发电有限公司）

0 引言

实现2030年前碳达峰、2060年前碳中和（简称“双碳”目标）是党中央经过深思熟虑做出的重大战略部署，也是有世界意义的应对气候变化的庄严承诺。实现碳达峰、碳中和，需要对现行社会经济体系进行一场广泛而深刻的系统性变革[1]。

风电是实现“双碳”目标的主力军，如果未来没有出现颠覆性的新技术突破，电力系统脱碳将主要依靠风电和光伏发电。同时，由于风电的成本已经与传统化石能源发电持平甚至更加经济，并具有进一步降本潜力，风电的大规模应用会降低全社会用能成本，实现更经济的能源转型。

风力发电机组塔筒作为风力发电机的重要承载部件，主要用于支撑叶轮和机舱的重力；并且在风力发电机组运行时，需要同时承受叶轮、偏航等旋转部件引起的振动载荷[2]；并且，由于机组周期性的启停机、应对突发高危故障的紧急停机、风突变、大湍流强度等，需要求机组塔筒有足够的抗疲劳强度。

风力发电机组塔架主要有普通的刚塔技术以及高塔技术。随着风资源开发逐步向低风速区扩展，高塔机技术已经成为国内风电发展趋势[3]。随着塔架的增高，由此带来的塔筒稳定性及寿命问题也更加突出。

1 技术说明

1.1 概述

本方案为了实现塔筒寿命的评估，使用一种纳米级精度传感器测量塔筒截面位置的应变，通过应变计算弯矩，从而进行塔筒疲劳损伤的评定及寿命的预估。

基于纳米级传感器的塔筒载荷寿命预测方法包含以下几个方面：①将应变传感器贴于塔筒测量位置，实现指定塔筒位置应变信号的采集。②对应变信号进行标定，获取应变与载荷的对应关系。③进行实测载荷与Blade仿真载荷的对比，确定载荷测量的有效性。④根据非线性疲劳损伤评估方法，开发寿命预估模型，实现塔架疲劳寿命的预测功能。

1.2 应变测量传感器原理

本方案应变的测量使用纳米级传感器进行测量，其原理如图1所示。传感器采用高分辨率反射式光电原理来测量一定距离内产品的高精度应变量：产品利用高可靠性的蓝光LED发光管不间断发射光束，通过对高密度细分器反射的正余弦光信号进行采集，转换为电信号的变化，经过产品内部信号的处理，最终输出产品测量的应变量。该传感器测量应变精度为0.0625με，量程50000με，是行业中分辨率极高、量程范围宽的一款产品，可满足各种恶劣环境长期使用。

1.3 塔筒应变测量方案

塔筒应变测量布置方案如图2、图3所示。应变传感器总共安装5个截面，每个截面安装4个应变传感器，安装于同一水平面上，间隔90°安装。测量塔筒每个截面Mx、My方向载荷。高度上5层应变传感器分别布置于塔筒近似等间距的五个截面上，实施位置可根据现场实际情况进行上下调节，保证便于现场实施安装。

图2 塔筒应变测量布置方位图

1.4 塔筒载荷标定

应变传感器粘贴完成后，由于受粘贴因素，传感器本身灵敏度因素的影响，一般需要对传感器进行标定。

由材料力学的知识可知，应变与弯矩之间的关系如式（1）所示，其中E为材料的弹性模量，Wb为被测截面的抗弯截面系数，与截面尺寸有关，可通过塔筒应变传感器贴片位置处的内径计算得到。

式中，ε为实际产生的应变值，应为传感器测量εc的减去初始应变值εo，再乘上实际灵敏度系数k，因此，式（1）可转化为式（2）：

因此，对于应变传感器的标定是对初始应变值及灵敏度系数。标定方法是通过机头的悬吊弯矩进行标定。机组在小风偏航过程中的最大值和最小值的绝对值应基本相等，并且接近机头的悬吊弯矩。悬吊弯矩由机组的设计参数计算得到，由机头重量及机头重心与塔筒中间的距离，也就是悬吊弯矩的力臂。标定时，要求机组在小风（风速＜5m/s）条件下，做连续偏航动作，获取偏航过程中的应变数据。根据多组偏航数据，标定得出每个传感器灵敏度系数k及初始应变值。

1.5 疲劳累积损伤理论

1.5.1 线性疲劳累积损伤理论

在循环的载荷作用下，设备由于疲劳引起的损伤是线性的方式累加的，如果损伤到达设备的临界阈值时，部件就会出现疲劳损坏[4]。其中，最典型和工程应用最广泛的线性累积理论是Palmgren-Miner理论，简称Miner理论。

Miner根据材料损伤时吸收净功，假设在某一应力水平下σ1，发生疲劳断裂时材料吸收的净功是W，发生部分损伤N=n1时吸收的净功为W1，则有Wi/W=ni/N。对其他应力水平σi，i=1,2,…,n，也有Wi/W=ni/N，i=1,2,…,k。经过k次改变应力幅，材料发生疲劳破坏时，存在W=W1+W2+…+Wk，从而可得出Miner线性累积损伤理论的基本方程[5]如式（3）所示。

式中，ni、N1分别为应力水平σ1时对应的循环次数、疲劳寿命。

Miner线缆累积损伤理论的损伤计数原理和失效判据如下：

1）某一水平的载荷所造成的疲劳损伤如式(4)所示:

式中，D为风机结构的疲劳损伤，无量纲量；N为风机结构在相应载荷下的循环次数。

2）当部件受到n个变幅载荷的作用时，损伤计数原理为：

3）构建失效的临界判据为：

由上述推导过程可知，线性Miner疲劳损伤累积理论未能考虑到加载次序对构件疲劳寿命的影响，导致依据该理论估算的寿命损耗结果偏大。因此，不少学者对Miner理论进行了修正，修正后如式（7）所示：

式中，a的值通过实验确定，一些疲劳试验中给出平均值是0.68。

1.5.2 雨流计数法

在疲劳设计和疲劳试验中使用最为广泛的一种计数方法是雨流计数法，简称雨流法，又叫“塔顶法”。其计数原理如图4所示。将应力的轨迹看作一滴雨滴从时间轴往下流动，根据雨滴的轨迹线来确定载荷循环次数[6]。

图4 雨流计数法示意图

雨流法计数规则为：

1）雨流的起点依次在每个峰值（谷值）的内侧，即屋顶；

2）雨流在下一个峰值（谷值）处落下，直到对面的峰值（谷值）比开始时更大（更小）为止；

3）当雨流遇到上面屋顶流下的雨流时，就停止；

4）取出所有的全循环，并记下各自的幅值；

5）按正负斜率取出所有的半循环，并记下各自的幅值；

6）把取出的半循环按雨流法第二阶段计数法则处理并计数。

计算过程包括以下几步：

1）查找应力变化过程通过旋转点的辨识来确定连续的波峰和波谷；

2）连续的波峰和波谷再重新排列使序列仪应力变化过程的最高峰开始；

3）审视波峰和波谷的序列以确定雨流周波；

4）记录每一个雨流周波的平均值与范围；

5）雨流周波的计算根据周波平均值与范围来分级。

1.6 寿命预估模型的简历

根据疲劳损伤理论进行寿命预估模型的开发，流程如图5所示。将塔架截面分成24个扇区，并将各截面的Mx、My载荷投影到各个扇区上。经雨流统计，得到每个扇区上弯矩载荷的平均值、波动幅值、循环次数。根据非线性疲劳损伤准则，计算不同高度截面的螺栓、焊缝、门洞疲劳损伤，并累加。用1相减，得到剩余疲劳损伤，除以每年的理论损伤，即可得到剩余疲劳寿命，如图5所示。

图5 剩余寿命预估方法

2 案例研究

2.1 测试部署

本文提出的基于纳米级传感器的塔筒载荷寿命预测技术在某风场130-2500机组进行测试，塔筒高度118m。应变传感器分别粘贴于塔筒102m截面、70m截面位置、45m截面位置、23m截面位置、1m截面位置，每个截面安装4个应变传感器，间隔90°进行安装。传感器数据集中到采集器中，采集器同时采集风机运行工况数据，用作寿命预测模型的建立。

2.2 测试结果

对现场实测载荷数据与仿真载荷进行对比，五个截面对接结果分别如图6~图10所示。

从图6~图10可以看出，塔架载荷测量的准确度较高，该测量载荷对于疲劳寿命的预测也就更加准确。

图6 1m高度塔筒弯矩对比

图7 23m高度塔筒弯矩对比

图8 45m高度塔筒弯矩对比

图9 70m高度塔筒弯矩对比

图10 102m高度塔筒弯矩对比

3 结束语

本文提出一种基于纳米级传感器对风电机组塔架寿命进行预测的方法。该技术利用纳米级传感器测量塔筒不同截面的应变，通过标定后，将应变转换为塔筒各个截面的载荷Mx、My。将各截面的Mx、My载荷投影到各个扇区上，并应用Miner理论，进行疲劳损伤的预测，由此实现塔筒剩余寿命的预测。本文使用实测载荷数据与仿真载荷进行对比分析，表明了该载荷测量的准确性。因此，也表明了寿命预测系统的准确性。

本文所提供的方案能够对塔筒载荷进行准确测量，并根据塔筒载荷进行塔筒疲劳寿命预测，对塔筒部件的全生命周期运行服务提供重要的数据及状态支撑，具有重要的工程意义和市场推广应用价值。