风电机组塔基础沉降在线监测装置的设计

风电机组塔基础沉降在线监测装置的设计

何喜锋

明阳智慧能源集团股份公司   广东省  528400

摘要：本文章介绍了风电机组基础沉降常规检测方法的弊端和解决措施，通过对风机基础沉降基准点和观测点加激光位移传感器使风机基础沉降做到时时检测。

关键词：基础沉降；沉降速率；激光位移传感器

引言：随着风电向二、三类风资源地区的开发，塔筒高度不断增加，目前陆地上风机的塔筒大多在50-120米之间，受气候、设备安装焊接点应力变化、地基沉降等因素的影响，塔体可能发生倾斜甚至于倒塌。如果塔筒达不到设计要求，塔筒各节连接部位松动、检查不及时，遇到恶劣飓风天气，容易发生晃动过大、倾覆、甚至倒塌等情况。因此，在风机上有效的监测塔筒的倾斜程度和变形程度以及基础沉降，可以从早期发现问题，及时解决并处理这些问题，有效防止塔筒倒塌等严重事故的发生。

1概述

风电风机位的沉降观测是一项精细复杂的工作该项工作的周期比较长从风机基础施工出地面零米以后到风机发电运行直至观测数据稳定为止。通过对施工阶段、建（构）筑物加负载前后及风机运行阶段的沉降观测可以验证设计水平、检查施工质量和掌握安全运行情况。通过对观测成果曲线的分析可以及时掌握各特征风机位的变形规律性及时发现事故苗头对出现的问题能够做到及时发现及时采取措施以确保风机的安全运行。

2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，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。

3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。

4风机沉降监测的方法及弊端

目前，风机基础沉降观测通常是闭合水准测量法和往返同时观测法。其闭合水准测量法，观测每个风风基础上对称布置的4个观测点的高程；通过每观测周期的高程变化计算风力发电塔的沉降量和沉降速率；并通过基础上2个观测点的沉降差，来计算基础的倾斜变形；根据沉降量及观测时间的关系曲线数.并通过累积沉降量、沉降速率和沉降曲率系数，预测风力发电塔的稳定及安全情况；往返同时观测的水准测量法，是采用了后后前前的观测程序，由于电子水准仪只读取中线读数和视距，所以不存在读取红黑面读数的问题，只是在一个水准尺上读取2次读数，取其平均值即可，所以均为后后前前的观测程序。往返同时观测的沉降观测方法，就是在电子水准仪后视工作基点时，首先读取两组数据为水准点上的后视读数，记录完数据后，接着再读取两组数据做为最后返测时的前视读数.并将读取的数据进行分析。

无论是闭合水准测量法和往返同时观测都需要专业人员对每台风机进行长时间的测量和分析，根据风机基础沉降技术规范要求：基础浇筑完成后一周每天观测一次；基础浇筑完成一周后每1~3月观测一次；机组安装当天开始新一轮观测；机组安装后一周每天观测一次；机组安装后第一年每1~3月观测一次。尤其是在风机后期运维过程中生产单位没有相关的测量人员进行风机沉降观测分析，导致生产的在风机沉降方面需借助于测量资质的单位完成此项工作。另，风机沉降观测为阶段性监测未做到时时监测，一定程度上给风机正常运行埋下隐患。

5.解决措施

为了实时监测风机运行中基础沉降的情况，提前发现简单的缺陷，避免在后期风电机组运行过程中发生因基础沉降导致的风机倒塌事故，我们将激光位移传感器应用到风机基础沉降中。具体方案及观测原理如下：

1）数据上传与分析

首先分别在两个风机基础沉降观测基准安装高度为300mm的支架将安装激光位移传感器水平安装于支架上，在四个风机基础沉降观测观测点上安装高500mm的不锈钢圆钢。然后从风机箱变引入24V电源和信号线送至装激光位移传感器。最后将采集到的数据经经风机光纤通道上传至后台监控系统。其后台监控系统具备实时采集及手动采集数据、成果计算、过程线、布置图、报警显示查询、报警值设定、用户管理、日志查询、在线联机帮助等功能。

2）数据采集

两个风机基础沉降基准点上的激光位移传感器上的半导体激光器半导体激光器1发送两道激光分别聚焦到风机沉降观测观测点上的不锈钢圆钢6。反射光被镜片3收集，投射到CCD阵列4上；再经信号处理器5将采集的模拟量转换成数字信号传送至后台系统进行分析。

6.结语

随着风电行业的不断发展，风机基础沉降安全实时监测系统的广泛应用对风电场安全运行管理具有重大意义。通过风机基础实时监测过程当中都可以及时的发现风机沉降并做到预警机制，将其消灭在萌芽当中，杜绝发生倒塌事故的发生。

参考文献：

【1】苏绍禹.风力发电机设计与运行维护.中国电力出版社，2003.

【2】纪琨风机基础沉降监测系统应用研究.电网与清洁能源，2013.

【3】彭文春，邓宗伟，高乾丰，等.风机塔筒流固耦合分析与受力监测研究【J】.工程力学，2015，32（7）∶136-142.