基础环式风机基础动态偏移量的影响因素研究

朱新革 何 兵 姚林威

长沙理工大学土木工程学院

0 引言

全球经济的不断发展和社会生活水平的不断提高，对能源的需求越来越大。煤炭、石油、天然气等不可再生资源的日益枯竭，可再生能源的开发对于社会和经济的发展也越来越重要[1-4]。在过去的20 年间，风电行业在国家支持下发展迅猛，累计装机总量持续上升，但在高速发展的过程中，越来越多的问题也暴露出来。

近几年来，许多专家学者就风机基础的偏移问题进行了一系列的研究，Wang P[5]认为传感器是结构健康监测的主要技术之一，可通过传感器和集成系统对风机基础进行监测。Gomez H C[6]等通过对风机基础进行监测，认为偏移角度（偏移量）的大小和潜在发展规律对于风机基础的结构状态评价很重要。张健[7]等通过在线监测系统对海上风机基础动态偏移进行全天候实时监测，系统具有自动测试、采集、传输和处理数据的功能，能够解决海上风机基础倾斜测试难的实际问题。Currie M[8]等利用位移传感器连续监测基础环的竖向位移，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[9]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。

本文提出了一种针对基础环式风机基础的动态位移监测系统，通过对风机基础环进行动态位移监测，计算风机基础环的动态偏移量，并结合SCADA 系统数据，对风机基础环的动态偏移量大小进行研究分析。

1 风机基础动态位移监测

1.1 工程概况

本文进行的实验是以湖南某风场P1 号2 MW直驱式风力发电机为研究对象，该风机的基本参数为风轮直径为96 m，轮毂高度为80 m，切入风速为3 m/s，切出风速为25 m/s，额定风速为10.5 m/s。该风机基础为基础环式风机基础，基础环的埋深为2.0 m，底部塔筒和基础环直径为4.4 m。

1.2 测点布置与数据处理方法

以舱门中心线为1 号轴线，按逆时针方向沿基础环均分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相应的测点，将a，b，c，d，e，f，g，h 号位移监测装置分别布置在2，4，6，8，10，12，14，16轴线处，如图1所示。

图1 风机监测测点布置图

前期利用数据标定平台，通过将位移监测设备的电信号数据与实际位移数据进行分析，可以拟合出电信号值与位移信号值之间的函数关系，并得到标定曲线。将采集的电信号数据，通过标定曲线计算得到基础环位移量，再将所得的位移量减去初始位移量即得基础环的动态位移量。从8个测点中任意选取3个测点的数据，利用空间几何关系，确定出空间圆平面，即为基础环任意时刻的偏移圆，得到基础环每一时刻的动态偏移量Z 和偏移角度θ，如图2所示。

图2 基础环偏移后具体参数图

2 影响动态偏移量大小因素分析

本文通过对P1 号风机基础进行7 天的动态位移监测，采用Python编程软件对动态位移数据进行数据处理，提取去年11月3日0时至10时的监测数据进行分析研究，探讨风机基础环在正常运行阶段的运动规律。

图3 为风速时程，可见在整个时段内，风速基本呈上升趋势，在0～2500 s 时段内，风速出现小高峰，风速大小在0～7 m/s区间，在2500～30000 s时段内，风速随时间基本呈线性增长，风速从低风速增长至高风速，即从0～3 m/s 区间增长至8～10 m/s 区间，在30000～36000 s 时段内，风速基本稳定在7～11 m/s区间。

图3 风速时程

图4为轮毂转速时程，可见在整个时段内，轮毂转速也基本呈上升趋势，在0～2500 s时段内，轮毂转速出现小高峰，轮毂转速在0～11 r/min 区间，在2500～6600 s时段内，轮毂转速稳定为0 r/min；在6600～24000 s时段内，轮毂转速随时间基本呈线性增长，轮毂转速从低转速增长至高转速，即从0～2 r/min 区间增长至15～16 r/min 区间，在24000～36000 s时段内，轮毂转速基本稳定在15～16 r/min区间，且在28000～36000 s 时段内，轮毂转速略大于24000～28000 s时段内的轮毂转速。

图4 轮毂转速时程

图5 为风向时程，可见在0～8500 s 时段内，风向波动较大，达到了360°，在8500～36000 s时段内，风向基本趋于稳定，集中分布于150°左右。

图5 风向时程

图6 为动态偏移量时程，可见在整个时段内，动态偏移量基本呈上升趋势，在0～2500 s 时段内，动态偏移量出现小高峰，动态偏移量在0.05～0.25 mm区间，振动幅度较小，在2500～6600 s时段内，动态偏移量稳定为0.08 mm，在6600～30000 s 时段内，轮毂转速随时间基本呈线性增长，同时该时段内在25000～30000 s区间，动态偏移量振动幅度较大，在30000～36000 s时段内，动态偏移量基本稳定在0.4～0.7 mm 区间，振动幅度最大。

图6 动态偏移量时程

通过图3～图6及以上叙述可知，动态偏移量与风速和轮毂转速之间有明显的相关关系，即风速和轮毂转速的改变将影响动态偏移量的大小，随着风速和轮毂转速的增加，动态偏移量随之增加，振动幅度也随之增加。

本节利用编程软件通过数据处理将动态偏移量进行去噪处理，然后在轮毂转速0～16.83 r/min内等额提取去噪后的动态偏移量数据，分别以风速和轮毂转速为横坐标，去噪后的动态偏移量数据为纵坐标，绘制风速和轮毂转速与动态偏移量关系图，研究分析动态偏移量与风速和轮毂转速之间的关系，如图7 和图8 所示，其中黑色圆形散点为动态偏移量，红色曲线为动态偏移量的拟合曲线。

由图7 可知，动态偏移量的大小随着风速的增加而增加，当风速小于3（m/s）时，动态偏移量的大小增长缓慢，当风速大于3（m/s）时，动态偏移量的大小增长较快，通过数据拟合，其满足2项式函数关系。由图8 可知，动态偏移量的大小随着轮毂转速的增加而增加，当轮毂转速小于8（r/min）时，动态偏移量的大小增长缓慢，当轮毂转速大于8（r/min）时，动态偏移量的大小增长较快，通过数据拟合，其满足2项式函数关系。

图7 风速与动态偏移量之间的关系

图8 轮毂转速与动态偏移量之间的关系

3 结论

本文介绍了针对基础环式风机基础的动态位移监测系统，并对湖南P1 号风机基础进行7 天的动态位移监测以验证其有效性，将位移监测装置分别放置于基础环上法兰和塔筒内部地面，在风力发电机正常运行过程中，测得基础环的动态位移量，利用空间几何关系，确定风机基础动态偏移量的大小，并结合SCADA 系统数据中的风速和轮毂转速，研究分析基础动态偏移量大小的影响因素，通过论证分析得出结论：通过将动态偏移量大小与SCADA系统中的风速和轮毂转速进行相关性研究分析，在风力发电机正常运行过程中，动态偏移量与风速和轮毂转速均满足2项式函数关系。