朱新革 何 兵 姚林威

長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院

0 引言

全球經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和社會(huì)生活水平的不斷提高，對(duì)能源的需求越來(lái)越大。煤炭、石油、天然氣等不可再生資源的日益枯竭，可再生能源的開發(fā)對(duì)于社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也越來(lái)越重要[1-4]。在過(guò)去的20 年間，風(fēng)電行業(yè)在國(guó)家支持下發(fā)展迅猛，累計(jì)裝機(jī)總量持續(xù)上升，但在高速發(fā)展的過(guò)程中，越來(lái)越多的問(wèn)題也暴露出來(lái)。

近幾年來(lái)，許多專家學(xué)者就風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的偏移問(wèn)題進(jìn)行了一系列的研究，Wang P[5]認(rèn)為傳感器是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的主要技術(shù)之一，可通過(guò)傳感器和集成系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。Gomez H C[6]等通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，認(rèn)為偏移角度（偏移量）的大小和潛在發(fā)展規(guī)律對(duì)于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)價(jià)很重要。張健[7]等通過(guò)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)動(dòng)態(tài)偏移進(jìn)行全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)具有自動(dòng)測(cè)試、采集、傳輸和處理數(shù)據(jù)的功能，能夠解決海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)傾斜測(cè)試難的實(shí)際問(wèn)題。Currie M[8]等利用位移傳感器連續(xù)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)環(huán)的豎向位移，將風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)的動(dòng)態(tài)偏移量分為三個(gè)階段進(jìn)行預(yù)警。王騰洋[9]將各種偏移量限值轉(zhuǎn)化為偏移角度限值進(jìn)行闡述，并提出了運(yùn)行風(fēng)機(jī)的最大安全偏移角度限值。

本文提出了一種針對(duì)基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)進(jìn)行動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測(cè)，計(jì)算風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)的動(dòng)態(tài)偏移量，并結(jié)合SCADA 系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)的動(dòng)態(tài)偏移量大小進(jìn)行研究分析。

1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測(cè)

1.1 工程概況

本文進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)是以湖南某風(fēng)場(chǎng)P1 號(hào)2 MW直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，該風(fēng)機(jī)的基本參數(shù)為風(fēng)輪直徑為96 m，輪轂高度為80 m，切入風(fēng)速為3 m/s，切出風(fēng)速為25 m/s，額定風(fēng)速為10.5 m/s。該風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)為基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，基礎(chǔ)環(huán)的埋深為2.0 m，底部塔筒和基礎(chǔ)環(huán)直徑為4.4 m。

1.2 測(cè)點(diǎn)布置與數(shù)據(jù)處理方法

以艙門中心線為1 號(hào)軸線，按逆時(shí)針?lè)较蜓鼗A(chǔ)環(huán)均分16個(gè)軸線位，分別命名為1-16號(hào)軸線，然后在對(duì)應(yīng)軸線處設(shè)置相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)，將a，b，c，d，e，f，g，h 號(hào)位移監(jiān)測(cè)裝置分別布置在2，4，6，8，10，12，14，16軸線處，如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖

前期利用數(shù)據(jù)標(biāo)定平臺(tái)，通過(guò)將位移監(jiān)測(cè)設(shè)備的電信號(hào)數(shù)據(jù)與實(shí)際位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以擬合出電信號(hào)值與位移信號(hào)值之間的函數(shù)關(guān)系，并得到標(biāo)定曲線。將采集的電信號(hào)數(shù)據(jù)，通過(guò)標(biāo)定曲線計(jì)算得到基礎(chǔ)環(huán)位移量，再將所得的位移量減去初始位移量即得基礎(chǔ)環(huán)的動(dòng)態(tài)位移量。從8個(gè)測(cè)點(diǎn)中任意選取3個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，利用空間幾何關(guān)系，確定出空間圓平面，即為基礎(chǔ)環(huán)任意時(shí)刻的偏移圓，得到基礎(chǔ)環(huán)每一時(shí)刻的動(dòng)態(tài)偏移量Z 和偏移角度θ，如圖2所示。

圖2 基礎(chǔ)環(huán)偏移后具體參數(shù)圖

2 影響動(dòng)態(tài)偏移量大小因素分析

本文通過(guò)對(duì)P1 號(hào)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行7 天的動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測(cè)，采用Python編程軟件對(duì)動(dòng)態(tài)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提取去年11月3日0時(shí)至10時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，探討風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)在正常運(yùn)行階段的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

圖3 為風(fēng)速時(shí)程，可見在整個(gè)時(shí)段內(nèi)，風(fēng)速基本呈上升趨勢(shì)，在0～2500 s 時(shí)段內(nèi)，風(fēng)速出現(xiàn)小高峰，風(fēng)速大小在0～7 m/s區(qū)間，在2500～30000 s時(shí)段內(nèi)，風(fēng)速隨時(shí)間基本呈線性增長(zhǎng)，風(fēng)速?gòu)牡惋L(fēng)速增長(zhǎng)至高風(fēng)速，即從0～3 m/s 區(qū)間增長(zhǎng)至8～10 m/s 區(qū)間，在30000～36000 s 時(shí)段內(nèi)，風(fēng)速基本穩(wěn)定在7～11 m/s區(qū)間。

圖3 風(fēng)速時(shí)程

圖4為輪轂轉(zhuǎn)速時(shí)程，可見在整個(gè)時(shí)段內(nèi)，輪轂轉(zhuǎn)速也基本呈上升趨勢(shì)，在0～2500 s時(shí)段內(nèi)，輪轂轉(zhuǎn)速出現(xiàn)小高峰，輪轂轉(zhuǎn)速在0～11 r/min 區(qū)間，在2500～6600 s時(shí)段內(nèi)，輪轂轉(zhuǎn)速穩(wěn)定為0 r/min；在6600～24000 s時(shí)段內(nèi)，輪轂轉(zhuǎn)速隨時(shí)間基本呈線性增長(zhǎng)，輪轂轉(zhuǎn)速?gòu)牡娃D(zhuǎn)速增長(zhǎng)至高轉(zhuǎn)速，即從0～2 r/min 區(qū)間增長(zhǎng)至15～16 r/min 區(qū)間，在24000～36000 s時(shí)段內(nèi)，輪轂轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定在15～16 r/min區(qū)間，且在28000～36000 s 時(shí)段內(nèi)，輪轂轉(zhuǎn)速略大于24000～28000 s時(shí)段內(nèi)的輪轂轉(zhuǎn)速。

圖4 輪轂轉(zhuǎn)速時(shí)程

圖5 為風(fēng)向時(shí)程，可見在0～8500 s 時(shí)段內(nèi)，風(fēng)向波動(dòng)較大，達(dá)到了360°，在8500～36000 s時(shí)段內(nèi)，風(fēng)向基本趨于穩(wěn)定，集中分布于150°左右。

圖5 風(fēng)向時(shí)程

圖6 為動(dòng)態(tài)偏移量時(shí)程，可見在整個(gè)時(shí)段內(nèi)，動(dòng)態(tài)偏移量基本呈上升趨勢(shì)，在0～2500 s 時(shí)段內(nèi)，動(dòng)態(tài)偏移量出現(xiàn)小高峰，動(dòng)態(tài)偏移量在0.05～0.25 mm區(qū)間，振動(dòng)幅度較小，在2500～6600 s時(shí)段內(nèi)，動(dòng)態(tài)偏移量穩(wěn)定為0.08 mm，在6600～30000 s 時(shí)段內(nèi)，輪轂轉(zhuǎn)速隨時(shí)間基本呈線性增長(zhǎng)，同時(shí)該時(shí)段內(nèi)在25000～30000 s區(qū)間，動(dòng)態(tài)偏移量振動(dòng)幅度較大，在30000～36000 s時(shí)段內(nèi)，動(dòng)態(tài)偏移量基本穩(wěn)定在0.4～0.7 mm 區(qū)間，振動(dòng)幅度最大。

圖6 動(dòng)態(tài)偏移量時(shí)程

通過(guò)圖3～圖6及以上敘述可知，動(dòng)態(tài)偏移量與風(fēng)速和輪轂轉(zhuǎn)速之間有明顯的相關(guān)關(guān)系，即風(fēng)速和輪轂轉(zhuǎn)速的改變將影響動(dòng)態(tài)偏移量的大小，隨著風(fēng)速和輪轂轉(zhuǎn)速的增加，動(dòng)態(tài)偏移量隨之增加，振動(dòng)幅度也隨之增加。

本節(jié)利用編程軟件通過(guò)數(shù)據(jù)處理將動(dòng)態(tài)偏移量進(jìn)行去噪處理，然后在輪轂轉(zhuǎn)速0～16.83 r/min內(nèi)等額提取去噪后的動(dòng)態(tài)偏移量數(shù)據(jù)，分別以風(fēng)速和輪轂轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)，去噪后的動(dòng)態(tài)偏移量數(shù)據(jù)為縱坐標(biāo)，繪制風(fēng)速和輪轂轉(zhuǎn)速與動(dòng)態(tài)偏移量關(guān)系圖，研究分析動(dòng)態(tài)偏移量與風(fēng)速和輪轂轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，如圖7 和圖8 所示，其中黑色圓形散點(diǎn)為動(dòng)態(tài)偏移量，紅色曲線為動(dòng)態(tài)偏移量的擬合曲線。

由圖7 可知，動(dòng)態(tài)偏移量的大小隨著風(fēng)速的增加而增加，當(dāng)風(fēng)速小于3（m/s）時(shí)，動(dòng)態(tài)偏移量的大小增長(zhǎng)緩慢，當(dāng)風(fēng)速大于3（m/s）時(shí)，動(dòng)態(tài)偏移量的大小增長(zhǎng)較快，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合，其滿足2項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系。由圖8 可知，動(dòng)態(tài)偏移量的大小隨著輪轂轉(zhuǎn)速的增加而增加，當(dāng)輪轂轉(zhuǎn)速小于8（r/min）時(shí)，動(dòng)態(tài)偏移量的大小增長(zhǎng)緩慢，當(dāng)輪轂轉(zhuǎn)速大于8（r/min）時(shí)，動(dòng)態(tài)偏移量的大小增長(zhǎng)較快，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合，其滿足2項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系。

圖7 風(fēng)速與動(dòng)態(tài)偏移量之間的關(guān)系

圖8 輪轂轉(zhuǎn)速與動(dòng)態(tài)偏移量之間的關(guān)系

3 結(jié)論

本文介紹了針對(duì)基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)湖南P1 號(hào)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行7 天的動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測(cè)以驗(yàn)證其有效性，將位移監(jiān)測(cè)裝置分別放置于基礎(chǔ)環(huán)上法蘭和塔筒內(nèi)部地面，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中，測(cè)得基礎(chǔ)環(huán)的動(dòng)態(tài)位移量，利用空間幾何關(guān)系，確定風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)動(dòng)態(tài)偏移量的大小，并結(jié)合SCADA 系統(tǒng)數(shù)據(jù)中的風(fēng)速和輪轂轉(zhuǎn)速，研究分析基礎(chǔ)動(dòng)態(tài)偏移量大小的影響因素，通過(guò)論證分析得出結(jié)論：通過(guò)將動(dòng)態(tài)偏移量大小與SCADA系統(tǒng)中的風(fēng)速和輪轂轉(zhuǎn)速進(jìn)行相關(guān)性研究分析，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中，動(dòng)態(tài)偏移量與風(fēng)速和輪轂轉(zhuǎn)速均滿足2項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系。