鄭濤

（浙江華東測繪與工程安全技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310014）

0 引言

隨著海上風力發(fā)電技術(shù)的進步和國家對新能源發(fā)展的政策導(dǎo)向與支持，我國近海風電項目自2017年開始進入建設(shè)高潮期，截至2021年4月底，我國海上風電并網(wǎng)容量達到1042萬kW，主要分布在江蘇、浙江、福建以及廣東近海海域。根據(jù)我國近海地區(qū)地質(zhì)地貌條件，單樁式基礎(chǔ)因其具有結(jié)構(gòu)簡單、造價相對較低、施工效率高等優(yōu)點，在江蘇近海風電項目中被大量應(yīng)用。海上風電和陸上風電相比，其基礎(chǔ)和塔筒不僅需要承受自身重力、風推力、葉輪扭力及復(fù)雜多變負荷的影響，還需面對惡劣的海洋環(huán)境（如鹽霧腐蝕、海浪載荷、海冰沖撞、臺風等因素）的影響，風機單樁基礎(chǔ)的垂直度是施工質(zhì)量的一項重要控制指標，也是評估風機在運行期間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的一個重要參數(shù)，因此對基礎(chǔ)傾斜和塔筒的變形量進行實時的監(jiān)測和分析是保證海上風電機組安全運行的前提保證。

目前，對海上風電機組單樁基礎(chǔ)和塔筒垂直度監(jiān)測的方法主要有GPS監(jiān)測技術(shù)[1]、傾角測量技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)等，但GPS監(jiān)測和三維激光掃描技術(shù)存在成本高、精度低以及安裝不便等問題，不能滿足海上風電機組塔筒垂直度監(jiān)測的要求。因此，目前國內(nèi)海上風電項目一般采用傾角傳感器進行塔筒和基礎(chǔ)傾斜的趨勢和單一數(shù)值的監(jiān)測。風機在運行過程中，基礎(chǔ)與塔筒在外荷載作用下會發(fā)生擺動，特別是在塔筒頂部存在較大的橫向加速度，使得普通傾角傳感器的測量誤差較大，無法真實地獲得海上風電基礎(chǔ)與塔筒結(jié)構(gòu)的實際傾斜變化狀態(tài)，不能對塔筒動態(tài)性能進行全面分析和評價，因而研究經(jīng)濟實用的動態(tài)傾斜監(jiān)測技術(shù)，才更加符合海上風電機組的結(jié)構(gòu)特性[2]。

1 塔筒動態(tài)傾斜監(jiān)測技術(shù)的研究

對于單樁式海上風電機組的動態(tài)傾斜監(jiān)測技術(shù)需要解決兩個最基本的問題：一是提高傾斜傳感器的動態(tài)性能，確保傳感器能準確獲得塔筒和單樁的動態(tài)傾斜角度值，從而為分析機組的結(jié)構(gòu)特性提供準確的原始數(shù)據(jù)；二是通過分析單樁海上風電機組的單樁、塔筒的傾斜變形特點，對塔筒和單樁進行動態(tài)傾斜監(jiān)測，從而獲得塔筒的晃動位移、基礎(chǔ)不均勻沉降、塔筒變形、塔筒剛度變化（焊縫開裂、螺栓松動）等問題。

1.1 動態(tài)傾角傳感器的研究

海上風電機組的塔筒和單樁并不是一個靜止不動的物體，由于受到風的載荷，始終處于擺動狀態(tài)。尤其是在塔筒頂部，其橫向加速度最大可達0.1g，而常用的傾角傳感器只能測量靜止物體的傾斜角度，當被測物體存在較大的加速度時，就會造成傾斜角度測量值出現(xiàn)大幅度失真，因此塔筒的動態(tài)傾斜監(jiān)測不能使用常規(guī)的傾角傳感器。經(jīng)過研究，利用常規(guī)傾角傳感器和陀螺儀各自的特點，采用獨特的設(shè)計和專有的算法可將常規(guī)傾角傳感器與電子陀螺儀進行融合互補，從而實現(xiàn)了高精度的動態(tài)傾角測量。這種新型的傳感器利用高精度電子陀螺儀獲得動態(tài)傾斜角度，通過高精度傾角計獲得靜態(tài)傾斜角度，最后利用卡爾曼濾波技術(shù)將陀螺儀和傾角計的數(shù)據(jù)進行融合，得到動、靜態(tài)都非常準確的傾斜角度值，并且具有良好的動、靜態(tài)性能，因此，可稱之為“復(fù)合雙軸動態(tài)傾角傳感器”，其克服了現(xiàn)有常規(guī)傾角計動態(tài)性能差的缺陷，實現(xiàn)了對海上風電機組塔筒和單樁的動態(tài)傾斜狀態(tài)進行實時監(jiān)測[3]。

1.2 塔筒結(jié)構(gòu)變形淺析

單樁式海上風電機組其支撐結(jié)構(gòu)包括塔筒和鋼管樁基礎(chǔ)兩個部分。管樁底部固定于海底，上部通過聯(lián)接法蘭利用螺栓與塔筒相連，因而鋼管樁是整個風電機組的承重固定部件[4]。塔筒采用錐形管式結(jié)構(gòu)，由此可將機組的鋼管樁和塔筒近似當作一段固定的懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖1所示。通過撓曲線方程獲得塔筒任意高度截面的撓度f（位移）和轉(zhuǎn)角θ（傾角），來評估塔筒的工作狀態(tài)，當塔筒發(fā)生撓變形時，根據(jù)撓曲線方程可得：

圖1 塔筒受力和工程測量

對于風電機組來說，使塔筒出現(xiàn)彎曲變形的外力主要來自風載，其與風速和槳葉的槳距角有關(guān)。在槳葉迎風面積不變的條件下，風速越大作用在葉片上面的推力也就越大，從而塔筒彎曲變形的撓度就越大[5]。

（1）靜態(tài)剛度圓。機組在吊裝完成后，由于機艙、葉片的重心與塔筒的中心線不重合，機組受自身重力G影響偏向輪轂側(cè)，機艙和葉片的重力使塔筒受到一個固定的彎矩，塔筒會向葉片方向發(fā)生彎曲傾斜。

如圖2所示，通過偏航，可以獲得塔筒和單樁在各個方向的動態(tài)傾角，由于塔筒和單樁沿圓周各向剛度相等，在圓周各個方向傾角的大小相等。因此，將獲得的不同偏航位置時塔筒相應(yīng)高度斷面靜態(tài)傾斜數(shù)據(jù)，進行擬合就可以獲得一個閉合的圓形，即為塔筒的靜態(tài)剛度圓。

圖2 塔筒的靜態(tài)剛度圓

（2）最大動態(tài)剛度圓。風電機組運行時，在迎風角不變的情況下，隨著風速的增大，作用在塔筒頂部的軸向推力就越大，塔筒的撓曲變形也就越大。當風速達到并超過額定風速時，風機葉片的槳距角開始逐漸變大，而隨著槳距角的變大，葉片的迎風面積迅速變小，從而使得風載作用在塔筒頂端的軸向推力逐漸降低。因此，在額定風速即在風機的額定工作點時，風機達到額定功率，同時塔筒頂端所受到的軸向推力最大。在此刻，可以測得塔筒的最大彎曲變形，也即此時塔筒的傾斜角度最大[6]。

在不同風向上，機組達到滿功率運行時，也必然在該方向上經(jīng)過塔筒的彎曲變形點。由于塔筒和單樁沿圓周各向剛度相等，因此可獲得不同風向下，塔筒頂部的動態(tài)傾斜數(shù)據(jù)。如圖3所示，擬合出這些動態(tài)傾斜數(shù)據(jù)的最大外接圓，即為最大剛度圓。

圖3 塔筒的最大動態(tài)剛度圓

最大剛度圓為塔筒的實際晃動的邊界曲線，正常工作的風機其塔筒的晃動不能超出此邊界曲線，若塔筒晃動逾越了該邊界曲線，則表明風機和塔筒出現(xiàn)了異常狀況。最大剛度圓的直徑與塔筒和單樁的剛度成反比關(guān)系，直徑越大，說明剛度越小，反之直徑越小，剛度越大。對最大動態(tài)剛度圓的直徑和圓心變化進行分析可獲得塔筒屈曲變形、焊縫開裂、螺栓松動及斷裂、基礎(chǔ)松動等故障隱患[7]。

（3）塔筒同軸度。對于單樁式海上風電機組，塔筒的同軸度是塔筒的安全運行的一個重要指標。由于海上風電安裝的現(xiàn)場條件，在塔筒和單樁施工時，不能檢測塔筒的同軸度狀況，對機組的安全運行帶來了一定的不確定因素。而采用剛度圓技術(shù)可以獲得塔筒安裝后的同軸度值，塔筒頂部和底部的兩個剛度圓的圓心在平面內(nèi)的距離即為同軸度值。

2 動態(tài)傾斜監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

2.1 塔筒動態(tài)傾斜監(jiān)測系統(tǒng)的組成

基于以上的研究，針對單樁式海上風電機組設(shè)計了一款基于動態(tài)傾斜監(jiān)測技術(shù)的B/S程序構(gòu)架的塔筒與基礎(chǔ)動態(tài)傾斜監(jiān)測系統(tǒng)。

系統(tǒng)主要由復(fù)合雙軸動態(tài)傾角傳感器，數(shù)據(jù)采集器和后臺服務(wù)器組成，如圖4所示。根據(jù)海上風電機組單樁和塔筒的結(jié)構(gòu)形式和剛度圓分析技術(shù)需求，在機組塔筒頂法蘭下端和單樁頂法蘭下端位置各布置一只復(fù)合雙軸動態(tài)傾角傳感器，分別用來采集塔筒和單樁的傾角度數(shù)據(jù)?？紤]到信號傳輸衰減及干擾的問題，傳感器通過信號電纜以RS485通訊的方式向數(shù)據(jù)采集器傳輸實時信號，采集器和位于中控室的后臺數(shù)據(jù)服務(wù)器利用風場預(yù)設(shè)的海底光纖環(huán)網(wǎng)進行通訊[8]。服務(wù)器將上傳的數(shù)據(jù)進行分析、處理和存儲，并實時顯示塔筒及單樁的動態(tài)傾斜角度和方位，通過動態(tài)剛度圓監(jiān)測圖譜，分析塔筒的剛度變化情況。當塔筒和單樁剛度變化超過預(yù)警值時，系統(tǒng)便發(fā)出報警信號提醒風電場運維人員。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

2.2 塔筒動態(tài)監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用成果

系統(tǒng)安裝于某上海風場，運行初期，為獲取準確的靜態(tài)剛度圓，我們在風速小于2m/s的氣象條件下，進行了偏航實驗。塔頂測點的偏航傾角數(shù)據(jù)的形態(tài)近視為圓，驗證了靜態(tài)剛度圓的正確性。

如圖5所示，綠色圓圈即為該風機塔頂?shù)撵o態(tài)剛度圓[9]。靜態(tài)剛度圓是在忽略風推力的影響，機組只受自身重力影響出現(xiàn)的最大傾斜角度和最大位移半徑，可以反映出機組安裝后初始傾斜狀態(tài)。圖中剛度圓半徑表示機組塔頂在偏航過程中，所產(chǎn)生的最大傾斜位移量為85.4mm。

圖5 靜態(tài)剛度圓

圖6為風機塔頂120s的實時晃度數(shù)據(jù)，由于采用了復(fù)合動態(tài)傾角傳感器，因此可采集到塔筒的晃動波形數(shù)據(jù)。通過對波形進行FFT便可計算出塔筒的一階自振頻率，同時還可計算此時塔筒的最大晃度。如圖6所示，塔筒自振頻率為0.3394Hz，當前塔筒晃度為217.75mm。結(jié)合右側(cè)晃動軌跡圖可知，當前塔頂晃動軌跡中心處于正西方位。

圖6 塔筒晃度分析圖

在機組正常運行一段時間后，通過系統(tǒng)所積累的歷史數(shù)據(jù)進行了塔頂最大動態(tài)剛度圓的繪制，如圖7所示為機組正常運行一個月后，系統(tǒng)通過機組塔頂測點的歷史數(shù)據(jù)繪制出的最大剛度圓，最大剛度圓半徑為541.93mm，代表了運行期間塔頂?shù)淖畲蠡蝿游灰浦怠Ｗ畲髣偠葓A即為風機運行時塔筒晃動的最大邊界線，可作為該風機傾斜晃動的邊界值報警值，后期風機在運行過程中塔筒的晃動不能超出此邊界線。機組塔筒晃動超出了這一邊界線，則說明塔筒和單樁的剛度變小了；塔筒剛度的變小說明塔筒可能存在連接螺栓松動斷裂、焊縫開裂等故障隱患[10]。

圖7 最大剛度圓分析圖

3 結(jié)語

風電機組塔筒動態(tài)傾斜監(jiān)測技術(shù)是一種全新的技術(shù)，通過采用復(fù)合雙軸動態(tài)傾角傳感器可提高塔筒傾斜監(jiān)測精度，經(jīng)過對風機基礎(chǔ)與塔筒結(jié)構(gòu)傾斜的長期實時在線監(jiān)測，掌握結(jié)構(gòu)在不同風速、不同風向、不同發(fā)電負荷等工況下的傾斜變化，并結(jié)合剛度圓分析技術(shù)對傾斜監(jiān)測數(shù)據(jù)進行深入地挖掘和分析，可以得到塔筒結(jié)構(gòu)的靜態(tài)剛度圓和最大動態(tài)剛度圓，從而可作為判斷風機在運行過程中的基礎(chǔ)與塔筒傾斜監(jiān)測預(yù)警值。因此，利用動態(tài)傾斜監(jiān)測技術(shù)可以獲得塔筒各類故障隱患的特征信息，可有效地協(xié)助風電場運行人員進行塔筒故障的預(yù)判和診斷。