管偉，吳雙

（中國水電四局（酒泉）新能源裝備有限公司，甘肅 酒泉735000）

1 風(fēng)機(jī)塔筒形變檢測的理論基礎(chǔ)

本文設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)塔筒形變檢測的原理在于通過在塔筒中安裝多個(gè)傳感器分析傳感器之間的數(shù)據(jù)變化得到塔筒的變形過程。

首先，測量塔筒的線性位移，當(dāng)塔筒發(fā)生位移時(shí)，可以通過安裝在塔底和塔頂?shù)膫鞲衅鲗?shí)現(xiàn)位移量的檢測，如圖1 所示。

傾斜量測量的指標(biāo)是傾斜角α，通過塔頂傳感器測得的偏移量d和三角函數(shù)公式計(jì)算出塔筒的偏移角度α，但通過得出α 的值計(jì)算d很容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，原因在于塔筒容易發(fā)生非線性形變，使通過α 計(jì)算得到的d明顯偏小[1]，如圖2 所示。

為確保傳感器能夠有效檢測線性形變與非線性形變，在常見的風(fēng)機(jī)塔筒中引入了三維坐標(biāo)系，將塔筒按照主體分為上、中、下3 部分，在3 個(gè)部分中的多個(gè)部位安裝傳感器，傳感器由法蘭盤承載，安裝示意圖如圖3 所示。

其中，位置8 用于測量x和y方向的速度，在此方向上，塔筒的變形主要沿切面，須檢測z方向的形變；安裝位置10為檢測y方向的傳感器，檢測的是塔筒在風(fēng)力作用下的扭轉(zhuǎn)形變，由于風(fēng)力長時(shí)間作用于風(fēng)扇的葉片，因此，當(dāng)風(fēng)向與葉片平面不垂直時(shí)，葉片會(huì)對塔筒產(chǎn)生一個(gè)垂直于y方向的力，使塔筒產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，此扭轉(zhuǎn)通過位置10 處的傳感器測量。此外，在塔筒中若干位置安裝輔助傳感器，即可實(shí)現(xiàn)測量3 個(gè)方向的搖擺形變和扭轉(zhuǎn)形變，并取得更精確的結(jié)果。

圖1 塔筒線性形變

圖2 塔筒非線性形變

2 風(fēng)機(jī)塔筒在線監(jiān)測系統(tǒng)的搭建

設(shè)計(jì)可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的裝置，將傳感器與網(wǎng)絡(luò)連接，即可實(shí)現(xiàn)在塔筒發(fā)生形變時(shí)向管理員報(bào)警。以塔頂和塔底的傳感器為基礎(chǔ)，在塔筒中部3 個(gè)高度階段的傳感器實(shí)現(xiàn)各方向的搖擺形變和扭轉(zhuǎn)形變，可以得到塔筒的擺動(dòng)角度、扭轉(zhuǎn)角度等數(shù)據(jù)。

選擇傳感器與網(wǎng)絡(luò)的連接方式時(shí)，采用了一種現(xiàn)場存儲(chǔ)和關(guān)聯(lián)報(bào)警的連接方式，傳感器將測量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地的存儲(chǔ)器中，當(dāng)風(fēng)機(jī)塔筒因形變幅度過大導(dǎo)致停機(jī)后，管理員可前往現(xiàn)場尋找報(bào)警系統(tǒng)，并拷貝傳感器中存儲(chǔ)的形變數(shù)據(jù)，對風(fēng)機(jī)安全系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位，之后對傳感器存儲(chǔ)的波形進(jìn)行分析。

本系統(tǒng)可通過與工控機(jī)連接的方式，使管理員在現(xiàn)場對所有風(fēng)機(jī)塔筒的形變狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并根據(jù)風(fēng)機(jī)形變的狀態(tài)對風(fēng)機(jī)做出停機(jī)調(diào)整。

圖3 塔筒傳感器安裝位置示意圖

3 實(shí)際案例分析

為檢測所設(shè)計(jì)的形變裝置的實(shí)際效果，在甘肅省的某一風(fēng)電場中，對一座高度為80m 的不銹鋼主體結(jié)構(gòu)的塔架進(jìn)行了傳感器和檢測系統(tǒng)的搭建工作，并通過分析傳感器得到的數(shù)據(jù)分析風(fēng)機(jī)在工作中塔筒的形變狀態(tài)。

圖4 為風(fēng)機(jī)塔底外部偏移的變化曲線，圖中最上方的曲線為偏移曲線，該曲線表明的風(fēng)機(jī)塔底的偏移值約為400μm，變化幅度很小，沒有出現(xiàn)沉降或倒塌的趨勢。

圖5 中的陰影部分為風(fēng)機(jī)塔頂端極限擺動(dòng)范圍，陰影的范圍越大說明風(fēng)機(jī)塔頂?shù)臄[動(dòng)幅度越大。由圖5 可以看出，擺動(dòng)范圍以西北和西南為主，東北和東南方向較少，因此，這2 個(gè)方向上的連接螺栓易出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，巡檢時(shí)應(yīng)重點(diǎn)檢查[1]。

圖4 風(fēng)機(jī)塔底外部偏移變化曲線

圖5 塔頂極限擺動(dòng)范圍

圖6 為風(fēng)機(jī)塔頂端擺動(dòng)的實(shí)時(shí)曲線圖，其中，顏色最淺部分是X軸方向上的擺動(dòng)范圍；顏色最深部分曲線為Y軸方向上的擺動(dòng)范圍，而顏色處于兩者間的曲線為合成曲線，表明塔頂端在XY平面上的擺動(dòng)范圍。經(jīng)過對曲線的分析，塔頂徑向上的最大偏移值為1.6m，在XY面上的平均偏移值為0.4m。可以根據(jù)曲線的傾斜狀態(tài)判斷塔頂?shù)臄[動(dòng)狀態(tài)，如曲線斜率較大時(shí)，說明塔頂在風(fēng)力的作用下發(fā)生了大幅度擺動(dòng)，此時(shí)應(yīng)對相應(yīng)的風(fēng)機(jī)塔進(jìn)行停機(jī)，防止其折斷或倒塌；當(dāng)曲線傾斜后長時(shí)間未恢復(fù)原狀時(shí)，說明風(fēng)機(jī)塔已經(jīng)發(fā)生了塑性形變，此時(shí)應(yīng)及時(shí)停機(jī)并對相應(yīng)的塔組進(jìn)行維修。

圖6 風(fēng)機(jī)塔頂擺動(dòng)實(shí)時(shí)曲線圖

4 結(jié)語

本文對能夠測量風(fēng)機(jī)塔筒形變的在線監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了研究，通過在風(fēng)機(jī)塔筒的底端、頂端以及中部若干位置安裝傳感器，并測量傳感器的數(shù)據(jù)的方式實(shí)現(xiàn)對塔筒形變的遠(yuǎn)程監(jiān)控，經(jīng)過實(shí)際的檢測，監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精度較高的檢測，并滿足風(fēng)電場對塔筒形變的管理與檢測工作。