風力渦輪機塔架的故障很少發(fā)生。然而,當這種情況發(fā)生時,就會帶來高昂的成本,或者在最壞的情況下——如果它們倒塌,就會導致風力渦輪機完全損失。
因此,許多海上風力渦輪機發(fā)電場管理人員安裝了測量技術(shù),用于對塔架進行連續(xù)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。各種傳感技術(shù)和方法用于執(zhí)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。然而,最廣泛使用的是基于振動的技術(shù),也稱為操作模態(tài)分析(OMA)。
海上風力渦輪機可以提供大量清潔、可再生的風能。為了捕獲豐富的風力資源并產(chǎn)生更多的能源,風力渦輪機變得越來越大,因此也越來越昂貴。風力渦輪機在咸水、高濕度、強風等惡劣環(huán)境中運行,且位置偏遠且難以接近。為此,必須不斷監(jiān)控其性能并執(zhí)行預測性維護以獲得預期的投資回報。
風力渦輪機塔架主要由鋼、鋼筋混凝土或網(wǎng)格制成。海上風力渦輪機塔架承受著影響其結(jié)構(gòu)的高外部載荷。
這導致所謂的結(jié)構(gòu)退化。這意味著材料或幾何特性的改變。劣化可能是由于不良設(shè)計、施工故障、事故、惡劣環(huán)境、老化過程或這些因素的任意組合造成的。
風力渦輪機塔架的故障很少發(fā)生。當發(fā)生這種情況時,通常會受到高成本的影響,或者在最壞的情況下,如果塔架倒塌,風力渦輪機將全部損失。因此,許多海上風力渦輪機發(fā)電場在塔架上應用了連續(xù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測解決方案。在一些國家,它甚至成為強制性的。
多種傳感技術(shù)和方法用于執(zhí)行此類結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。然而,最廣泛使用的是基于振動的技術(shù),也稱為操作模態(tài)分析(OMA)。
模態(tài)分析 對于理解和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的固有動態(tài)行為至關(guān)重要。在結(jié)構(gòu)中,幾乎所有振動問題都與共振行為(由操作力激發(fā)的固有頻率)相關(guān)的結(jié)構(gòu)弱點有關(guān)。
對于許多土木工程和機械結(jié)構(gòu),由于其物理尺寸、形狀或位置,很難使用錘子或振動器施加激勵。土木工程結(jié)構(gòu)受到波浪、風或交通等環(huán)境力的載荷。這些自然輸入力不容易控制或正確測量。然而,在某些情況下,最好使用結(jié)構(gòu)在真實操作和邊界條件下的自然激勵來確定其模態(tài)特性。
運行模態(tài)分析 (OMA) 基于僅測量實際運行條件下測試結(jié)構(gòu)的響應,以實現(xiàn)準確的模態(tài)識別。在難以或不可能控制人工激勵的情況下通常會出現(xiàn)這種情況。
結(jié)構(gòu)的完整動態(tài)行為可以被視為一組單獨的振動模式。每個都具有特有的固有頻率、阻尼和振型。
頻域中的動態(tài)特性可用于對結(jié)構(gòu)進行建模。這種識別確定了結(jié)構(gòu)的模態(tài)特征。這意味著結(jié)構(gòu)的特定頻率以及相關(guān)的阻尼和模態(tài)形式。
結(jié)構(gòu)的振動模式提供有關(guān)構(gòu)成結(jié)構(gòu)的元件在特定頻率下受壓時的相對運動的信息。如果結(jié)構(gòu)受到激發(fā)多個頻率的作用,則結(jié)構(gòu)的振動方式將是激發(fā)振動模式組合的結(jié)果
了解模態(tài)參數(shù)可以預測結(jié)構(gòu)響應作為外部激勵的函數(shù),并且可以分析并隨后解決特定共振下的問題。
因此,模態(tài)參數(shù)構(gòu)成了結(jié)構(gòu)的一種動態(tài)“身份證”,可用于:
? 計算模型的驗證
? 他們的校準或
? 診斷目的
因此,為長期結(jié)構(gòu)狀況監(jiān)測系統(tǒng)提供了基線。
動態(tài)參數(shù)的確定使得可以參考精確的時刻 T0 來驗證結(jié)構(gòu)條件的持續(xù)性。一般情況下,新風機塔架的這個時間T0可以在安裝或調(diào)試時取。
通過采用新穎的 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測解決方案,系統(tǒng)連續(xù)記錄數(shù)據(jù),并可以比較不同時期的數(shù)據(jù)。這使得評估強風暴對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的影響成為可能。此外,它還可以評估修復工作后的康復干預措施。
風力渦輪機塔變得越來越大,目前高度超過 250m。為了更好地了解塔架狀況,可以應用振動監(jiān)測。需要使用 OMA 方法在不同點測量振動水平。由于所有三個方向(垂直、縱向和橫向)的低頻都很重要,因此 MEMS 加速度計非常適合 風力渦輪機塔架結(jié)構(gòu)健康狀況監(jiān)測。
Dewesoft IOLITEi 3xMEMS-AC 是一款具有數(shù)字輸出(EtherCAT 總線)的三軸加速度傳感器。規(guī)格為 25 μg/√Hz 頻譜噪聲密度和 50 Hz 帶寬下的 100 μg 殘余噪聲,直流響應平坦(0Hz) 至 400 Hz 和 96dB 動態(tài)范圍。它在許多 SHM 應用中用于監(jiān)測加速度、速度和位移,并作為第三方操作模態(tài)分析軟件的輸入。它還可以用作兩軸靜態(tài)傾角儀。
利用 EtherCAT 接口進行菊花鏈連接,可輕松實現(xiàn) IOLITEi 3xMEMS-ACC 安裝。即使設(shè)備間距離長達 100 m,它也可以與多個設(shè)備進行通信。所有這些都可以通過一根廉價的 CAT6 電纜(見圖 2)連接,傳輸數(shù)據(jù)、電源并同步設(shè)備的時間低至 1 us。
設(shè)備采集的原始數(shù)據(jù)被發(fā)送到運行 DewesoftX 數(shù)據(jù)采集軟件的工業(yè) PC (DAU),以進行進一步處理和分析。該軟件提供了廣泛的可配置觸發(fā)記錄和數(shù)學功能。數(shù)據(jù)可以通過 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)以批處理文件的形式發(fā)送,也可以通過 OPC/UA 協(xié)議流式傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)室或云服務(wù)器。
數(shù)據(jù)可以在客戶端的PC上訪問、查看和分析。它可以存儲在時間序列數(shù)據(jù)庫中,名為Historian。此外,它還可以使用 OPC/UA 或 REST API 等標準接口提供給 SCADA 系統(tǒng)或云軟件。
海上風力條件——強勁而穩(wěn)定的風力——以及因此更大的風力發(fā)電產(chǎn)量是推動海上風電場發(fā)展的關(guān)鍵因素。不過,為了獲得良好的投資回報率,海上風力渦輪機需要以最短的停機時間運行,同時將維護成本保持在盡可能低的水平。
塔架是海上風力發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)元件。保持其健康狀態(tài)對于避免停機以及在最壞的情況下避免渦輪機損失至關(guān)重要。永久性結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測解決方案用于密切關(guān)注渦輪機塔的健康狀況。
最廣泛采用的 SHM 技術(shù)是基于振動的(使用 MEMS 加速度計),也稱為操作模態(tài)分析 (OMA)。這可以幫助操作員了解塔的狀況、預測潛在故障并提前計劃具有成本效益的維護行動。
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