基础环式风机基础的动态偏移特征研究

2021-11-12刘哲锋朱新革徐志杰李代军何婧琳

水力发电 2021年8期

关键词：偏移量轮毂风向

刘哲锋，朱新革，徐志杰，李代军，何婧琳

(1.长沙理工大学土木工程学院，湖南长沙 410114；2.湖南华电郴州风力发电有限公司，湖南郴州 423000；3.湖南砼联科技有限责任公司，湖南长沙 410000)

0 引言

基础环式风机基础是我国风机采用的主要基础形式之一[1-3]。由于基础环与混凝土的共同工作性能不佳，导致该类型风机基础在服役期出现问题的情况日益增多，给风电机组的运行造成了安全隐患[4-10]。

仅通过静态位移检测(基础环水平度)并不能充分了解风机基础在运行中的偏移变化过程，故需对风机基础进行动态位移监测，研究分析风机基础在运行阶段的偏移变化过程及其变化规律，为基础环式风机基础的远程健康诊断提供必要的基础。

针对风机基础的动态监测，国内外学者已展开了一系列研究。如Currie等[11]对采用的瞄准器和尺子监测风机基础位移的方法进行了革新，提出使用多个位移传感器集成在简单的SHM系统中，用来连续监测基础环的竖向位移，通过监测的实测数据结合风机基础真实的损伤状态，将风机基础环的动态偏移量分为三个阶段进行预警。王腾洋等[12]将各种偏移量限值转化为偏移角度限值进行阐述，并提出了运行风机的最大安全偏移角度限值。现有对风机基础动态偏移的监测手段都有赖于在基础环环周布置较多的传感器，但过多的传感器布置会导致运维成本的增加和长期可靠性的降低。

针对以上问题，本文通过对某风场风机的基础环实施动态监测，分析基础环在风机运行过程中的偏移特征，探讨基础环在机组运行状态下刚性假定的适用性，以及基础环动态偏移角的主要影响因素，为传感器的精简和优化布置提供研究基础。

1 风机基础动态位移监测

1.1 工程概况

试验以湖南某风场P1号2 MW风力发电机为研究对象，风机基本参数为：风轮直径96 m，轮毂高度80 m，切入风速3 m/s，额定风速10.5 m/s，切出风速25 m/s。P1号风机基础为基础环式风机基础，通过基础环与塔筒连接，基础环和塔筒直径为4.4 m，基础环埋深2.0 m，基础混凝土上部台柱直径为8.0 m，实测的风机基础具体尺寸如图1所示。

图1 风机基础具体尺寸(单位：mm)

该风机基础混凝土抗压强度推定值为37.4 MPa，塔筒外部混凝土存在径向裂缝，最大裂缝宽度为1.5 mm，混凝土裂缝宽度不满足NB/T 10311—2019《陆上风电场工程风电机组基础设计规范》[13]要求，基础环静态水平度为1.9 mm，满足规范GB/T 19568—2017《风力发电机组装配和安装规范》[14]要求。

1.2 测点布置

风机静止时，基础环相对于大地水平面存在静态偏移，风机运行后，基础环在外部激励下产生动态偏移，基础环上某一点在某时刻相对其静止时刻的垂直位移变化量称为该点在此时刻的动态位移量Z。在基础环待测点安装位移传感器，传感器测得的该点相对于混凝土的垂直距离的变化即为该点的动态位移，如图2所示。

图2 基础环的动态位移

基础环的舱门中心线位置设为1号轴线，按逆时针方向沿基础环环向均分形成16个轴线位，分别命名为1～16号轴线，然后在对应轴线处设置测点，如图3所示。分别在2、4、6、8、10、12、14、16轴线处布置a、b、c、d、e、f、g、h号位移监测装置。在基础环上法兰，放置L形金属接收端，在塔筒内部混凝土地面放置位移传感器，塔筒内部位移监测装置简化模型如图4所示。

图3 风机监测测点布置

图4 位移监测装置简化模型

1.3 采集规则

本试验采用一种非接触式电感位移传感器，在每一个传感器处理模块加装计时装置，采集频率为1 Hz，通过8个传感器连续同步采集7 d。传感器的量程为5 mm，工作温度在-20～+80 ℃，灵敏度高且不受油脂等介质干扰，适用于风机基础的监测。

2 监测结果与分析

2.1 监测结果

2.1.1 SCADA数据

本文通过对风机基础进行7 d的动态位移监测成果，采用编程软件对动态位移数据进行处理，提取出若干时段的数据进行分析研究，探讨基础环在正常运行阶段的运动形式。

图5为P1号风机的轮毂转速时程。从图5可见，在2 900～6 800 s时段内，轮毂转速为中转速(8～11.5 r/min)；在6 800～8 280 s时段内，轮毂转速从中转速增加至高转速(15～16 r/min)；在8 280～15 600 s时段内，轮毂转速基本稳定在高转速。

图5 轮毂转速时程

图6为P1号风机的风速时程。从图6可见，在6 600～8 200 s时段内，风速呈线性增长；在8 200～15 800 s时段内，风速主要集中于7～9 m/s区间。

图6 风速时程

图7为P1号风机的风向绝对值时程。从图7可见，在2 500～17 200 s时段内，风向绝对值基本稳定在150°，即在高转速和高风速时段风向绝对值基本稳定。图8为P1号风机近一年风向频率分布，该图为剔除风速小于3 m/s时的风向绝对值。从图8可知，P1号风机风向在统计时间内第11和12区的风向频率合计为49.89%，第11和12区为P1号风机的盛行风向。

图7 风向绝对值时程

图8 风向频率分布

2.1.2 位移监测数据

图9为2-10轴、4-12轴、6-14轴和8-16轴测点的动态位移时程。从图9可见，动态位移量的变化趋势与轮毂转速有一致性。在低转速时段内，基础环的动态位移小；在高转速时段内，基础环的动态位移大。这说明基础环的振动与轮毂转速有正相关关系。

2.2 基础环动态特征分析

2.2.1 基础环刚性假定的讨论

从图9可知，同一直径上两个测点的动态位移呈反对称分布，这表明风机在运行过程中基础环在

图9 测点动态位移时程

混凝土中的运动类似于刚体运动。为进一步论证基础环的刚体假设，采用3种方式(见图10)计算基础环的动态偏移并进行比较。在主风向位置分别选取b，e，g测点和a，c，f测点数据，通过3点确定平面的方式确定出t时刻最大偏移轴所在位置，并计算出该轴两端点动态位移量绝对值之和，即t时刻基础环的动态偏移量；第3种方式是分别计算a-e轴、b-f轴、c-g轴、d-h轴两端点在t时刻动态位移量绝对值之和，取其中的最大值作为t时刻计算结果进行对比分析。

图10 动态偏移量的3种计算方式

3种方式计算获得的最大动态偏移量比较如图11所示。从图11可见，在整个时间段内，3种方式获得的最大动态偏移量时程基本一致，其中第1种计算所得数据基本小于第2和第3种方式所得数据点，这是因为最大动态偏移位置一般不会在所取的4条直径处，故4条直径处相对高差的最大值定会略小于或等于动态偏移量。在风力发电机正常运行阶段，基础环相对于混凝土基础发生刚体运动。