一种风电塔筒塔基载荷在线监测系统及方法与流程

本发明涉及风力发电，尤其是涉及一种风电塔筒塔基载荷在线监测系统及方法。

背景技术：

1、随着全球对可再生能源需求的持续增长，风电机组正朝着大型化、高塔架方向发展。当前，陆上风电机组单机容量已普遍达到6mw以上，叶轮直径超过200米，轮毂高度可达140米甚至更高。这类大型高塔架机组在设计时安全裕度相对较低，且一旦发生结构故障，停机损失巨大。因此，对风电机组结构安全，尤其是作为整个机组载荷最终承载者的塔基进行在线监测，具有重要的工程价值和经济效益。

2、塔基是将风电机组全部载荷（包括自重、风载荷、运行载荷等）传递至地基的核心结构。塔基承受的载荷类型复杂，主要包括：垂直载荷（风机自重及风载引起的竖向分力）、倾覆力矩（风载及偏航引起的弯矩）以及扭矩。其中，倾覆力矩的大小及其作用方向是评估塔基安全状态的两个最关键参数。过大的倾覆力矩可能导致地脚螺栓断裂、基础环与混凝土脱开等严重事故。此外，地基的不均匀沉降或刚度退化会导致塔基承受偏心载荷，这种早期病变若不能及时发现，将逐步演化为灾难性故障。

3、目前，针对风电机组塔筒及塔基的监测技术主要可分为以下几类：

4、（1）基于塔筒顶部晃度与倾角的间接监测方法，例如2020-08-28公开的中国专利cn111594391a公开了一种风电机组塔筒倾斜度在线监测方法。该方法在塔筒顶部安装倾角传感器和位移传感器，通过测量塔筒的晃度位移和倾角分布，实现塔筒垂直度分析和塔基不均匀沉降情况的评估。此外，市面上已配备的风电机组塔筒状态监测系统也主要采用此类技术路线。

5、这类方法虽然在一定程度上能够反映塔基状态，但其是一种滞后性监测方式，只有当塔基已发生明显的不均匀沉降，并导致塔筒产生可测量的倾斜角度时，系统才会触发报警。该方法无法直接感知导致沉降或倾斜的根源，即作用在塔基上的动态倾覆力矩和偏心载荷。此外，塔顶的倾角传感器极易受到塔筒自身弹性弯曲变形和机舱振动的干扰，测量精度有限。

6、（2）基于锚索（锚栓）张力的局部监测方法，通过在锚索上安装索力传感器，实时采集锚索的张力数据，以识别张力异常波动和超出设定阈值的情况。

7、这类方法仅能反映某一根或某几根锚索的局部受力状态，无法合成并推算出塔基整体所受的倾覆力矩大小及其方向。当多个方向的锚索同时发生张力变化时，无法判断这究竟是由单一方向的倾覆力矩引起，还是由多个方向的载荷叠加引起，也无法给出载荷的精确作用方向。

8、（3）基于塔筒法兰间隙的位移监测方法，部分现有技术方案在塔筒法兰连接处安装位移传感器，通过监测相邻法兰之间的间隙变化来判断塔筒连接状态。当法兰间隙超过预设阈值时发出预警。

9、这类方法同样属于后果监测。法兰间隙的变化通常是由于螺栓预紧力松弛或结构损伤引起的，此时问题已经发生。该方法无法在问题发生前进行预防性预警，也无法提供塔基所受外部载荷的实时信息。

10、（4）基础的直接应变/应力监测方法，通过在基础混凝土内埋入应变计或应力计，测量基础内部的应力应变来评估基础的工作状态。

11、这类方法属于直接监测，理论上可以感知载荷变化。但由于混凝土是一种非线性材料，应力-应变关系受温度、湿度、徐变等因素影响显著。此外，点式传感器仅能获取安装位置处的局部应力，无法全面反映塔基在360°方向上的载荷分布，容易漏检特定方向上的极限载荷。同时，在已建成基础上进行大规模的后期钻孔安装也十分困难，且可能对基础结构本身造成损伤。

12、综上所述，现有技术中缺乏一种能够对风电塔筒塔基的载荷，特别是合成倾覆力矩的大小与方向进行直接、在线实时监测的系统和方法。这导致了目前在塔基安全状态评估方面存在监测滞后、信息片面、易受干扰等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种风电塔筒塔基载荷在线监测系统及方法，能够解决现有技术中无法对塔基所受倾覆力矩及其作用方向进行直接、在线实时监测的问题；

2、本发明提供一种风电塔筒塔基载荷在线监测系统，包括；

3、塔基基础环应变感知阵列，包括环形布设于塔筒基础环外侧壁、靠近基础环与混凝土基础承台交界面处的分布式光纤应变传感器，用于连续感知基础环范围内各点的轴向应变，并输出沿光纤长度方向的一维应变序列；

4、塔基地脚螺栓应变感知阵列，包括多个光纤光栅应变传感器，分别安装于沿塔基圆周方向分布的多根地脚螺栓上，用于测量所述地脚螺栓的轴向应变；

5、分布式光纤应变解调器，与所述分布式光纤应变传感器连接，用于同步解调出沿光纤各点的轴向应变值和温度值；

6、光纤光栅解调仪，与各所述光纤光栅应变传感器连接，用于解调出各应变传感器的应变值；

7、计算采集器，分别与所述分布式光纤应变解调器和所述光纤光栅解调仪通信连接，用于数据同步采集、打包和上传；

8、监测服务器，被配置为接收所述一维应变序列及同步的分布式温度数据，进行温度补偿，并利用光纤上的物理标记点将其转换为角度域的轴向应变函数，求解出当前时刻的垂直载荷引起的均匀轴向应变分量、倾覆力矩引起的弯曲轴向应变幅值和倾覆力矩作用方向角；

9、接收所述地脚螺栓的轴向应变数据，结合和进行解算，获得最终倾覆力矩幅值和方向参数；

10、确定垂直载荷基准应变，并结合所述计算实时垂直载荷合力。

11、进一步地：角度θ处基础环理论轴向应变为：

12、。

13、进一步地，所述分布式光纤应变传感器沿基础环外侧壁环形布设一整周，并设有对应方向的物理标记点。

14、进一步地，所述光纤光栅应变传感器在沿圆周方向均匀分布的多根地脚螺栓上分组布置，每组包含安装于同一地脚螺栓不同高度的至少两个传感器。

15、进一步地，求解出当前时刻的、和时，具体执行：将环形区域离散划分为n个等角度扇区，计算每个扇区i内的平均实测轴向应变；

16、构建目标函数：

17、

18、采用迭代优化算法求解使所述目标函数最小的参数组合(,,)。

19、进一步地，所述监测服务器解算最终倾覆力矩幅值和方向参数时具体执行：

20、对于第k根地脚螺栓，其理论轴向应变根据以下公式计算：

21、

22、其中为该螺栓的方位角，、为通过标定确定的荷载传递系数；

23、将地脚螺栓实测应变与所述理论轴向应变之差作为约束项，构建融合目标函数进行求解，输出最终倾覆力矩：

24、

25、其中为与基础环截面抗弯刚度相关的标定系数。

26、进一步地，确定垂直载荷基准应变时具体执行：

27、持续接收风电机组系统的风速和运行状态数据；

28、当同时满足风速持续低于切入风速、风轮停机且持续时间超过预设阈值时，取当前时间窗口内的平均值，并利用所述分布式温度数据将其修正至标准温度，作为新的垂直载荷基准应变；

29、实时垂直载荷合力：

30、

31、其中为载荷计算系数，a为基础环横截面积，e为钢材弹性模量。

32、进一步地，还包括显示终端，用于可视化展示实时倾覆力矩幅值、方向及垂直载荷合力，并在倾覆力矩幅值超过预设安全阈值时报警。

33、本发明提供一种基于风电塔筒塔基载荷在线监测方法，应用于所述的在线监测系统，其特征在于，包括：

34、s1：通过环形布设于基础环外侧壁的分布式光纤应变传感器，获取基础环范围内的轴向应变序列和温度序列；

35、s2：通过地脚螺栓上的光纤光栅应变传感器，测量螺栓轴向应变；

36、s3：通过拟合轴向应变分布求解垂直载荷均匀应变分量、弯曲应变幅值及方向，并融合螺栓应变数据解算倾覆力矩，再计算垂直载荷合力。

37、进一步地，还包括s4：实时展示并超限预警。

38、本发明的有益效果在于：

39、（1）通过将分布式光纤应变传感器布设于基础环外侧壁，直接测量核心传力构件的轴向应变，能够线性、完整地感知拉伸和压缩区域，解决了现有技术中在接触面测量压力时因界面脱开导致的信号饱和与失效问题，保证了在倾覆力矩工况下系统仍能正常工作，实现直接、前驱性监测。

40、（2）通过拟合全圆周应变分布求解倾覆力矩的方向与幅值，并引入地脚螺栓应变数据进行冗余校验，克服了单一传感系统的局限性，确保了测量精度和长期可靠性。同时，从均匀应变分量直接解算垂直载荷合力，解决了传统方法中垂直力与弯矩无法解耦的难题。

41、（3）环形布设的分布式光纤实现了360°无盲区的连续感知，不同方向的载荷变化均能被有效捕获，弥补了点式传感器可能漏检特定方向极限载荷的缺陷。

42、（4）利用低风速停机窗口自动更新垂直载荷基准，并引入分布式光纤自带的温度测量能力进行实时温度补偿，有效消除了温度变化和基础缓慢沉降对长期监测精度的影响，保证了系统在寿命周期内的测量稳定性。