[发明专利]一种大型风电塔筒低频摆动及沉降倾斜预警方法

说明书

一种大型风电塔筒低频摆动及沉降倾斜预警方法属于结构健康监测领域。该方法通过构造塔筒的有限元模型，分析塔筒的动态特性，了解塔筒的运行特点，并建立塔筒底部沉降、整体倾斜与塔筒顶部径向晃动之间的对照关系模型，进而通过监测塔筒低频摆动信号和倾角信号达到对塔筒安全预警的目的。可有效保证机组运行过程的平稳和安全可靠运行。

技术领域

本发明提供一种针对大型风电塔筒的在线连续实时健康状况监测方法，它属于结构健康监测领域，具体来说，涉及一种针对大型风电塔筒低频摆动及沉降倾斜预警方法。

背景技术

近年来，工业快速发展，对能源的需求也日益加大，世界各国能源处于严重短缺状态，风力以其清洁、取之不尽的优势，成为世界各国争相发展的能源，也是当前技术发展相对较成熟，应用前景最好的一种能源方式。我国风电在装机规模和台数上已跃居世界第一，然而，随着风电场的规模越来越大，风电机组的数量越来越多，风电事故呈现多发趋势。风电设备的长期维修和保养已经严重影响了风电项目的经济效益，因此国内各个优秀的风电运营企业对风电设备安全、健康指标提出了更多更全面的技术要求，特别是重视针对塔筒的倾斜状态连续在线监测，以便掌握风机塔筒的健康状况。

塔筒作为风力发电机的重要组成部分，支撑着机舱和叶轮，使叶轮等部件在高空中运行。塔筒的性能直接影响了风力发电机运行的稳定性和可靠性，风电机组塔筒监控也成为日益突出的问题，塔筒的健康监测已成为行业研究热点。塔基沉降和塔筒过大的倾斜变形会影响风电机组的正常运行，严重时还会导致风轮机倾倒，整个风电机组必将损毁且不可恢复，从而造成巨大经济损失。目前，国内的解决方法包括安装振动传感器方法和人工测量方法，但振动传感器监测数据受到环境影响大，而人工测量无法连续监测。并且，由于塔体的倾斜和变形之间存在耦合关系，进行准确的倾斜测量和变形测量也有着较大的难度和技术含量。所以，提出一种能够在线连续实时监测大型风机塔筒健康状况的方法势在必行。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种实时监测风机塔筒和基座微观形态变化，提前预知风电机组塔筒沉降及倾斜的方法，提高监测实用性。

本发明针对大型风电塔筒的结构特点，提供了一种大型风电塔筒低频摆动及沉降倾斜预警方法。该方法通过构造塔筒的有限元模型，分析塔筒的动态特性，了解塔筒的运行特点，并建立塔筒底部沉降、整体倾斜与塔筒顶部径向晃动之间的对照关系模型，进而通过监测塔筒低频摆动信号和倾角信号达到对塔筒安全预警的目的。可有效保证机组运行过程的平稳和安全可靠运行。

该方法其特征在于：具体操作步骤为：

步骤一：依据塔筒原型参数建立有限元模型，将风速转换为力加载在有限元模型上。在保证塔筒结构计算准确度的前提下，忽略掉一些与塔筒结构静应力分析无关的部位，省略掉一些非关键结构构件及配件，如内部附件平台、爬梯、通风口、法兰螺栓等。将塔筒简化为底部固定、顶端自由的薄壁锥筒形结构，风机与机舱简化为作用在塔筒上方的偏心质量块，其重心保证与实际结构的重心重合。

步骤二：根据风机各项参数情况对风电塔筒进行受力分析。大型风电塔筒通常采用变截面锥形筒体形式，根据风电场塔筒的实际受力情况，对不重要的部位进行适当的简化，其受力情况基本上可以概括为：塔筒顶端机舱及其轮毂、叶轮受到的横向力P；塔筒顶端机舱及其轮毂、叶轮的集中重量G，其受力集中点(重心)根据风机结构的不同有所不同；沿高度方向作用的均布风力载荷Q。

步骤三：针对建立的有限元模型进行两组不同的模拟，即只受风载影响与只受地表沉降影响。

①只受风载影响情况：分为两种工况进行静态分析，即运行工况与停机工况。运行工况的风速范围为切入风速至切出风速，停机工况的风速范围为切出风速至极大风速。在运行工况的风速范围内以一定间隔对不同的风速进行模拟，得到不同风速所对应的塔筒顶部倾斜角度与径向摆动位移，得到顶部倾角与位移之间的关系。