風(fēng)力發(fā)電塔筒螺栓：風(fēng)力發(fā)電塔筒螺栓監(jiān)測(cè)前沿技術(shù)研究

風(fēng)力發(fā)電塔筒螺栓：近年來(lái)，隨著全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，中國(guó)已成為全球較大、增長(zhǎng)較快的風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)。到2018年，國(guó)內(nèi)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)約21萬(wàn)千瓦，同比增長(zhǎng)11.2%。但由于我國(guó)風(fēng)電關(guān)鍵技術(shù)研究起步較晚，整機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)高度依賴國(guó)外，快速發(fā)展也帶來(lái)了諸多問(wèn)題。風(fēng)電運(yùn)維壓力逐漸增大，風(fēng)電機(jī)組火災(zāi)、失控等事故時(shí)有發(fā)生。尤其是風(fēng)電機(jī)組塔架，作為整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的支撐系統(tǒng)，對(duì)保證風(fēng)電機(jī)組安全可靠運(yùn)行起著重要作用。然而，由于制造安裝質(zhì)量不合格，設(shè)備檢驗(yàn)和運(yùn)行維護(hù)檢驗(yàn)不到位，倒塔事故時(shí)有發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

目前，影響塔架安全運(yùn)行的主要問(wèn)題是基礎(chǔ)不均勻沉降或松動(dòng)、塔架異常傾斜和彎曲、塔架法蘭螺栓疲勞失效。對(duì)于前兩個(gè)問(wèn)題，已經(jīng)出現(xiàn)了大量的研究報(bào)告，對(duì)塔基、傾角的動(dòng)靜態(tài)監(jiān)測(cè)提出了各種技術(shù)方案。本文重點(diǎn)研究第三個(gè)問(wèn)題，法蘭螺栓的疲勞失效。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔架結(jié)構(gòu)使塔架承受機(jī)艙和葉片的自重以及風(fēng)的水平載荷。由于風(fēng)速的時(shí)變特性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在交變負(fù)荷條件下運(yùn)行。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，塔架連接螺栓的交變應(yīng)力很容易造成疲勞失效，如果在固定檢驗(yàn)時(shí)沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將會(huì)造成嚴(yán)重的后果。

目前，塔架螺栓在線監(jiān)測(cè)是一個(gè)未被滿足的工業(yè)需求，廣泛認(rèn)可的監(jiān)測(cè)手段和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尚未建立。文獻(xiàn)檢索后發(fā)現(xiàn)，有少數(shù)與該領(lǐng)域相關(guān)的報(bào)道，集中于螺栓松動(dòng)和螺栓變形的監(jiān)測(cè)。采用的解決方案包括電路電路技術(shù)、振動(dòng)-應(yīng)力復(fù)合傳感技術(shù)、光纖光柵技術(shù)、智能螺栓等，接下來(lái)將分別介紹。

1、電路電路技術(shù)風(fēng)力發(fā)電塔筒螺栓松動(dòng)報(bào)警技術(shù)

電路電路技術(shù)用于報(bào)警螺栓松動(dòng)。其技術(shù)原理是將螺栓松動(dòng)的位移轉(zhuǎn)化為檢測(cè)電路的通斷值，實(shí)現(xiàn)預(yù)警。該方案中，檢測(cè)電路(A預(yù)警電路、B報(bào)警電路)的開關(guān)與螺栓松動(dòng)檢測(cè)裝置綁定，螺栓松動(dòng)驅(qū)動(dòng)開關(guān)移動(dòng)。當(dāng)位移變大，電路形成閉環(huán)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)警或報(bào)警。該技術(shù)在風(fēng)電塔筒法蘭螺栓和基礎(chǔ)預(yù)應(yīng)力地腳螺栓防松監(jiān)測(cè)方面，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性、快速性和便捷性。缺點(diǎn)是無(wú)法實(shí)時(shí)獲取螺栓的工況信息[2]。

2、振動(dòng)-應(yīng)力復(fù)合傳感技術(shù)

該技術(shù)是利用振動(dòng)對(duì)磁場(chǎng)的調(diào)制作用和壓阻效應(yīng)原理設(shè)計(jì)的振動(dòng)-應(yīng)力復(fù)合傳感器，可同時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)電塔筒的振動(dòng)狀況和法蘭螺栓的緊密度?？捎行Ы鉀Q風(fēng)電塔筒法蘭螺栓松動(dòng)的早期監(jiān)測(cè)問(wèn)題，顯著提高風(fēng)電機(jī)組安全性，預(yù)防重大事故發(fā)生。

運(yùn)行時(shí)，將本發(fā)明的整個(gè)傳感器安裝在靠近螺栓的法蘭盤上，在一定頻率的正弦電流作用下，激勵(lì)線圈會(huì)在振動(dòng)梁與基板之間的傳感器氣隙中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，并在下方的法蘭盤中產(chǎn)生渦流場(chǎng)和感應(yīng)磁場(chǎng)。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電塔振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)梁會(huì)變形，從而改變傳感器的氣隙磁場(chǎng)。磁傳感器可以感受到磁場(chǎng)的變化，并將其轉(zhuǎn)化為輸出電壓的變化；當(dāng)傳感器下方的法蘭出現(xiàn)應(yīng)力變化時(shí)，其電導(dǎo)率也會(huì)發(fā)生微小變化，造成渦流場(chǎng)和感應(yīng)磁場(chǎng)的變化，這種變化也能被磁傳感器感受到并轉(zhuǎn)化為輸出電壓的變化。

當(dāng)螺栓松動(dòng)時(shí)，螺栓孔周圍的壓應(yīng)力會(huì)明顯減小，造成電阻率(壓阻效應(yīng))增大，電導(dǎo)率下降。因此，本實(shí)施例中用于監(jiān)測(cè)風(fēng)電塔筒法蘭螺栓的振動(dòng)-應(yīng)力復(fù)合傳感器不僅可以監(jiān)測(cè)風(fēng)電塔筒的振動(dòng)(這是螺栓松動(dòng)的根源)，還可以監(jiān)測(cè)螺栓松動(dòng)的程度(在螺母沒(méi)有明顯轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可以監(jiān)測(cè))，有助于螺栓松動(dòng)的早期預(yù)測(cè)。由于振動(dòng)信號(hào)是動(dòng)態(tài)的，應(yīng)力變化是準(zhǔn)靜態(tài)的，因此可以通過(guò)對(duì)傳感器輸出信號(hào)的頻譜分析來(lái)區(qū)分振動(dòng)和應(yīng)力。

3、光纖光柵技術(shù)

該技術(shù)基于光纖光柵技術(shù)監(jiān)測(cè)螺栓的變形和彎曲。光柵與螺栓緊密貼合，光柵跟隨螺栓的變形產(chǎn)生光信號(hào)的變化，由解調(diào)器進(jìn)行分析，從而監(jiān)測(cè)螺栓的變形。與傳統(tǒng)的電傳感器相比，這種基于光纖光柵的高強(qiáng)度風(fēng)電塔筒螺栓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有抗電磁干擾、耐腐蝕、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。與敏化光纖光柵技術(shù)相比，采用雙光柵結(jié)構(gòu)，光柵與螺栓緊密接觸，幾乎一體化，可以直接反映螺栓狀況，快速響應(yīng)螺栓的變化，適用于靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)，雙光柵結(jié)構(gòu)可以有效掌握螺栓的熱應(yīng)變，從而可以更精細(xì)地區(qū)分應(yīng)變?cè)础?/p>

4、智能風(fēng)力發(fā)電塔筒螺栓

智能螺栓的緊固件本體包括變形部和連接部，變形部與測(cè)量單元連接；安裝緊固件本體時(shí)，連接部帶動(dòng)變形部變形，然后推動(dòng)測(cè)量單元移動(dòng)產(chǎn)生位移。本發(fā)明還公開了一種智能扣件的監(jiān)控系統(tǒng)。本發(fā)明的智能緊固件可以通過(guò)測(cè)量單元測(cè)量的位移獲得變形部位的變形，然后通過(guò)人工計(jì)算或預(yù)定公式計(jì)算預(yù)緊力，與現(xiàn)有技術(shù)中的預(yù)緊力指示螺栓相比，具有精度高、結(jié)果基于數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)。

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