一种风力发电机基础环抬动值监测和分析方法与流程

1.本发明涉及风力发电机塔桶钢质基础环与混凝土基础之间脱离状态的监测领域，特别是一种一种风力发电机基础环抬动值监测和分析方法。


背景技术：

2.目前在役的风力发电机基础中，如图1显示，有很大一部分混凝土基础1采用钢质基础环2实现风机塔筒3与混凝土基础1之间的连接。该钢质基础环2上沿法兰板5与风机塔筒3连接，下沿法兰板6在混凝土基础1中，起到锚固作用。基础环2侧壁与混凝土基础1之间的粘结和基础环下沿法兰板6的锚固共同将风机塔筒3荷载传递给混凝土基础1。
3.但在混凝土基础1浇筑施工过程中，由于下沿法兰板6的阻挡作用，法兰板下部的混凝土可能存在振捣不密实的问题。风机投入运行后，在风机循环荷载作用下，法兰板下部不密实的混凝土产生疲劳破坏，锚固承载力降低，基础环2侧壁与混凝土基础1之间的剪应力增加，产生剪切破坏，基础环2侧壁与混凝土基础1产生脱开现象。以上作用往复循环进行，基础环2周边混凝土粉化后沿脱开裂缝8上返至地面，基础环2与混凝土基础1之间的脱开程度进一步加剧，风机基础环2倾斜加大，抬动值z变大，最终影响风机安全运行。
4.另外，当基础环2与混凝土脱开后，基础环持续上抬还将带出橡胶密封环7，影响密封环的止水作用。大气降水沿环边外侧裂缝下渗到混凝土中，起到润滑和弱化混凝土的作用。对于北方地区的风机，大气降水下渗到混凝土中后，冬季会产生冻胀作用，这些作用都进一步加剧了混凝土基础1的破坏。
5.该类问题对于装机容量较大的风机更为明显。对于装机容量为2mw的风机，一般在风机运行6年～7年后该问题显现，后期逐步发展，直至影响风机的安全运行。
6.目前该类风电场一般采用人工监测基础环的抬动值，再分析基础环与混凝土之间的脱开情况。抬动值一词来源于建筑基础以下地基进行注浆处理的工程，它是对基础相对于其周边固定不动地面的上抬量进行监测所得的数值。本专利工程背景中混凝土基础是稳定的，抬动值专指基础环相对于混凝土基础的位移。人工监测实际实施时，一般在迎风面测一次，得到迎风侧基础环上拔抬动值；再在背风面测一次，得到背风侧基础环下压的抬动值。当抬动值大于某一限值后，一般采用在基础环外侧均匀布设注浆孔，对基础环脱开裂缝以及法兰下部不密实的混凝土进行注浆的病害处理办法。人工监测时在地面以上的基础环外壁安装磁性表座10，从表座上伸出固定杆11，固定千分表12，千分表测针13抵在混凝土基础1的表面，风停时记录仪表初始读数，风大时记录风速和对应的抬动值。迎风面塔桶后倾，基础环上拔，测针伸出，表盘上读出的抬动值为正。背风面塔桶前倾，基础环下压，测针缩回，表盘上读出的抬动值为负。千分表安装示意图见图2。
7.事实上，由于基础环与混凝土基础之间的脱开程度沿环周并不一致，受此影响，基础环最大抬动值并不一定出现在迎风侧，可能有一个偏移角度，人工测得的抬动值不一定为环周最大抬动值。再者，根据抬动值确定风机安全工作的限值缺乏理论基础，风机安全工作的限值应以基础环的倾斜量为限值更为合理。根据人工监测的上拔抬动值和下压抬动值
计算出的倾斜值并不是基础环的真实倾斜值。人工监测抬动值不能判断基础环与混凝土脱开严重的部位，不能为病害治理提供重点整治部位。人工监测不能做到连续监测，所测抬动值不一定是最大值，人工监测数据量有限，不能得到基础环累计上拔量，不能分析病害随时间的变化趋势，不能实现即时报警。
8.随着物联网技术的发展，在线监测的费用明显下降，在长期监测条件下，其成本低于人工监测成本。目前工程实践中已有针对风力发电电机、风叶、风桶的在线监测系统，但对于基础环抬动值在线监测和分析方法未见报道。因此，需要一种针对风力发电机基础环抬动值的监测和分析方法。


技术实现要素：

9.本发明为了解决实践中空缺的对基础环抬动值的在线监测和分析，提出一种针对风力发电机基础环抬动值的监测和分析方法。
10.本发明所采用的的技术手段如下所述：
11.一种风力发电机基础环抬动值监测和分析方法，通过在基础环环周设置数个位移传感器，位移传感器所在基础环切面为初始面，风力作用下变形后的位移传感器所在基础环切面为监测面；以初始面为基准建立直角坐标系和极坐标系，获得基础环平均累计抬动值z0和基础环倾斜值k；进一步对极坐标系下的监测面的方程式求导获得最大、最小抬动值及其发生部位，并统计获得实测风速和设计风速下的最大抬动值z
max
与主导风向θw不一致的位置和累计偏离频数；以及建立基础环最大抬动值z
max
、基础环倾斜值k和基础环平均累计抬动值z0随时间的变化曲线。
12.作为优选，极坐标系下的监测面的方程式表示为：
13.z＝r
·
tan(α)
·
cos(θ-θ0) z0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中：z为基础环的抬动值；
14.为基础环的直径；
15.为变形后的监测面与初始面的夹角；
[0016]0为变形后的监测面下法线在初始面投影与r轴的夹角；
[0017]0为变形后的监测面中心点在z轴上的截距。
[0018]
作为优选，在基础环环周上水平均匀设置有四个位移传感器，以位移传感器所在的水平的初始面的圆心为圆点，x轴和y轴穿过四个位移传感器，建立三维直角坐标系；在特定风速下，变形后的监测面上的四个位移传感器监测到一组抬动值为z1，z2，z3，z4，得到监测面上四个位移传感器监测的四个点的空间坐标为：
[0019]
(r，0，z1)
[0020]
(0，r，z2)
[0021]
(-r，0，z3)
[0022]
(0，-r，z4)
[0023]
其中：r为位移传感器到监测面中心点的距离；
[0024]
监测面可以用方程式表示为：
[0025]
z＝ax by c
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0026]
式中：a、b、c为待定系数；
[0027]
将监测面上位移传感器监测的四个点的空间坐标代入式(2)中，以矩阵形式表示如下：
[0028][0029]
将式(3)通过最小二乘法求得近似解如下：
[0030][0031]
将式(4)代入式(2)中，求得式(2)所表示的监测面与初始面之间的夹角α如下式，该夹角α与式(1)中极坐标系下的监测面与初始面之间的夹角α相同：
[0032][0033]
作为优选，在极坐标系中，水平轴r轴和垂直轴z轴分别与直角坐标系下的x轴和z轴重合，风力作用下变形后的监测面下法线在初始面投影与r轴的夹角θ0由下式表示：
[0034][0035]
作为优选，变形后监测面中心点在z轴上的截距z0在极坐标系和直角坐标系中相同，均为基础环平均累计抬动值，其用下式表示：
[0036][0037]
作为优选，计算监测面中的最大、最小抬动值时，将式(1)中的θ求导，令导数为零，可以得到：
[0038][0039]
进而得到最大、最小抬动值发生的部位为：
[0040]
θ
max
＝θ0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0041]
θ
min
＝π θ0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0042]
将式(9)、式(10)以及式(5)和式(7)代入式(1)中可以分别得到下式的基础环的最大抬动值z
max
和最小抬动值z
min
：
[0043]zmax
＝z0 r
·
tan(α)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0044]zmin
＝z
0-r
·
tan(α)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)。
[0045]
作为优选，在最大抬动值z
max
发生部位θ
max
与主导风向θw不一致时，得到在一统计步长下的最大抬动值z
max
发生部位θ
max
与主导风向θw的不重合的位置和累计偏离频数；以及根据各时间点基础环的最大抬动值z
max
，统计得到进行归一化至设计风速下的最大抬动值其设计风速下的最大抬动值用如下公式表示：
[0046][0047]
式中，vw为实测风速；
[0048]
为风场设计风速。
[0049]
作为优选，进一步统计得到最大抬动值z
max
、基础环平均累计抬动值z0和基础环倾斜值k随时间的变化曲线，其中基础环倾斜值k＝tan(α)。
[0050]
作为优选，对在位移传感器安装过程中产生的历史影响误差进行修正：
[0051]
采用水准仪测量基础环在位移传感器安装位置的现状高度值和再查阅风机安装后记录的初始高度值和则监测前由于基础脱开产生的初始抬动值δz1、δz2、δz3和δz4由下式计算：
[0052][0053]
由式(1)计算抬动值时，实测抬动值zi需经过式(14)修正，通过下式得到考虑历史影响的修正抬动值
[0054][0055]
作为优选，进一步对在位移传感器安装过程中产生的施工安装误差进行修正：
[0056]
考虑施工安装误差后的抬动修正值δzi按下式计算：
[0057][0058]
由式(1)计算抬动值时，实测抬动值zi需经过式(14)和式(16)修正，通过下式得到考虑历史影响和施工安装误差后的修正抬动值
[0059][0060]
通过本发明，提出了一种针对基础环监测的位移传感器的布设方式，以及相应的数据处理方法，可以方便地得到抬动值沿基础环周边的分布，可以得到最大抬动值、最大倾斜值、基础环累计抬动值及其随时间的变化曲线。以及可以得到基础环与混凝土基础脱开的严重部位，为基础病害治理提供依据，优化治理方案，节约治理成本。且该方法应用场景广泛，可方便地应用于采用基础环模式的风电场基础环监测之中。
附图说明
[0061]
图1为常规风力发电机基础结构示意图。
[0062]
图2为人力监测抬动值千分表安装示意图。
[0063]
图3为本技术位移传感器布置示意图。
[0064]
图4为本技术直角坐标系下的初始面和监测面。
[0065]
图5为本技术极坐标系下的初始面和监测面。
[0066]
图6为本技术基础环边沿抬动值随环向坐标的变化曲线示意图。
[0067]
图7为本技术基础环倾斜值k随时间的变化曲线示意图。
[0068]
图8为本技术最大抬动值的发生部位与主导风向不一致的累计偏离频数随环向方位角的统计柱状图。
[0069]
图9为本技术在设计风速下的抬动值平均值随环向方位角的统计柱状图。
[0070]
其中，1混凝土基础，2基础环，3塔筒，4地面，5上沿法兰板，6下沿法兰板，7橡胶密封环，8脱开裂缝，9振捣不实区域，10磁性表座，11固定杆，12千分表，13千分表测针；
[0071]
14位移传感器，m初始面，n监测面，b监测面与初始面的交线，f累计偏离频数。
具体实施方式
[0072]
如图3-9所示，提供一种风力发电机基础环抬动值监测和分析方法，通过在图3所示的基础环2环周设置数个位移传感器14，如图4和图5所示，位移传感器14所在基础环切面为初始面m，风力作用下变形后的位移传感器14所在基础环切面为监测面n；以初始面m为基准建立直角坐标系和极坐标系，获得基础环平均累计抬动值z0和基础环倾斜值k；进一步如图6所示，对极坐标系下的监测面n的方程式求导获得最大、最小抬动值及其发生部位，并如图8-9所示，统计获得实测风速和设计风速下的最大抬动值z
max
与主导风向θw不一致的位置和累计偏离频数f；以及如图7所示建立基础环最大抬动值z
max
、基础环倾斜值k和基础环平均累计抬动值z0随时间的变化曲线。
[0073]
其中，极坐标系下的监测面的方程式表示为：
[0074]
z＝r
·
tan(α)
·
cos(θ-θ0) z0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0075]
其中：z为基础环的抬动值；
[0076]
r为基础环的直径；
[0077]
α为变形后的监测面与初始面的夹角；
[0078]
θ0为变形后的监测面下法线在初始面投影与r轴的夹角(如图5所示，以逆时针为正)；
[0079]
z0为变形后的监测面中心点在z轴上的截距。
[0080]
其中如图3所示，在基础环2环周上水平均匀设置有四个位移传感器14，以位移传感器14所在的水平的初始面m的圆心为圆点，x轴和y轴穿过四个位移传感器14，以右手准则建立三维直角坐标系；在特定风速下，变形后的监测面n上的四个位移传感器14监测到一组抬动值为z1，z 2
，z 3
，z 4
，得到监测面n上四个位移传感器14监测的四个点的空间坐标为：
[0081]
(r，0，z1)
[0082]
(0，r，z2)
[0083]
(-r，0，z3)
[0084]
(0，-r，z4)
[0085]
其中：r为位移传感器到监测面中心点的距离；
[0086]
见图4，虑到塔桶及基础环2的纵向刚度很大，且抬动值z很小，假定风力作用下变形后的监测面n仍为平面。该监测面n可以用方程式表示为：
[0087]
z＝ax by c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式中：a、b、c为待定系数；
[0088]
将监测面n上位移传感器14监测的四个点的空间坐标代入式(2)中，以矩阵形式表示如下：
[0089][0090]
将式(3)通过最小二乘法求得近似解如下：
[0091][0092]
其中，式(3)系数矩阵的秩为3。当实测抬动值满足式(18)时，式(3)的增广矩阵的秩为3，式(3)有唯一解式(19)：
[0093]
z1 z3＝z2 z4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0094][0095]
当抬动值z不满足式(18)时，式(3)的增广矩阵的秩为4，式(3)无非零精确解，只能通过最小二乘法求得近似解式(4)。事实上，实测抬动值z一般不满足式(18)，以及结合式(18)可知，式(4)是式(19)的通用形式，因此最小二乘法求得的近似解更具实用意义。其中多布置一个位移传感器14，可使求得的风力作用下变形后的监测面n更接近实际情况。
[0096]
将式(4)代入式(2)中，求得式(2)所表示的监测面n与初始面m之间的夹角α如下式，该夹角α与式(1)中极坐标系下的监测面n与初始面m之间的夹角α相同：
[0097][0098]
其中，本发明为了求得抬动值z沿基础环2周边的分布，需要布置3个及以上的位移传感器14，考虑到基础环2的抬动值z很小，一般在1mm以下，为了提高测试精度，本专利采用4只位移传感器14。为了提高测试精度，简化后期数据处理难度，本发明中位移传感器14沿地面以上的基础环2四周均匀布置，并处在同一水平面上，如图3所示。位移传感器14距离基础环2中心点的距离均为r。
[0099]
如图5，为了方便地研究抬动值、基础环2与混凝土基础脱开状态沿基础环边的分布，建立极坐标系。在极坐标系中，极坐标系的原点与直角坐标系的原点重合，极坐标系的水平轴r轴和垂直轴z轴分别与直角坐标系下的x轴和z轴重合，风力作用下变形后的监测面
n下法线在初始面投影与r轴的夹角θ0由下式表示：
[0100][0101]
如图4和图5，变形后监测面n中心点在z轴上的截距z0在极坐标系和直角坐标系中相同，在图5极坐标系中显示为z0，在图4直角坐标系中显示为c，均为基础环平均累计抬动值，其用下式表示：
[0102][0103]
结合图6，计算监测面n中的最大、最小抬动值时，将式(1)中的θ求导，令导数为零，可以得到：
[0104][0105]
进而得到最大、最小抬动值发生的部位为：
[0106]
θ
max
＝θ0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0107]
θ
min
＝π θ0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0108]
将式(9)、式(10)以及式(5)和式(7)代入式(1)中可以分别得到下式的基础环2的最大抬动值z
max
和最小抬动值z
min
：
[0109]zmax
＝z0 r
·
tan(α)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0110]zmin
＝z
0-r
·
tan(α)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)。
[0111]
据上，可以通过式(1)绘制某一时刻特定风向与风速作用下基础环边沿抬动值z随环向坐标θ的变化曲线，如图6所示。
[0112]
由于基础环2与混凝土基础之间天然的缺陷分布并不均匀，所以存在基础环2与混凝土之间脱离严重方位与主导风向θw不一致的可能。如图6所示，在最大抬动值z
max
发生部位θ
max
与主导风向θw不一致时，结合图8和图9得到在一统计步长下的最大抬动值z
max
发生部位θ
max
与主导风向θw的不重合的位置和累计偏离频数f，累计偏离频数f高的位置代表基础环2与混凝土之间脱离严重的区段；以及根据各时间点基础环2的最大抬动值z
max
，再以某一适宜的数值δθ为统计步长，统计得到进行归一化至设计风速下的最大抬动值抬动值大的位置代表基础环2与混凝土之间脱离严重的区段。其设计风速下的最大抬动值用如下公式表示：
[0113][0114]
式中，vw为实测风速；
[0115]
为风场设计风速。
[0116]
如图7显示，进一步统计得到最大抬动值z
max
、基础环平均累计抬动值z0和基础环倾斜值k随时间的变化曲线，其中基础环倾斜值k＝tan(α)。随时间的变化，可以通过式(5)制得如图7所示的基础环倾斜值k随时间的变化曲线；以及可以通过式(7)制得基础环平均累计抬动值z0随时间的变化曲线，通过式(5)、式(7)和式(11)制得最大抬动值z
max
随时间的变化曲线；制图原理相同，在此仅示出了基础环倾斜值k随时间的变化曲线。
[0117]
这样，根据图6可以了解某一时刻基础环2各点抬动值z的大小。根据图7可以分析基础环2与混凝土脱离随时间的进展情况，根据z
max
、z0和k各自具体的限值，可以确定风机安全运行预警时间。
[0118]
以及，对在位移传感器14安装过程中产生的历史影响误差进行修正：
[0119]
在安装抬动监测所用位移传感器14前，风机基础环2由于施工安装误差，或是已经发生基础环2与混凝土基础之间的脱离现象，导致基础环2边沿并不在一个水平面上，所以采用水准仪测量基础环2在位移传感器14安装位置的现状高度值采用水准仪测量基础环2在位移传感器14安装位置的现状高度值和再查阅风机安装后记录的初始高度值和则监测前由于基础脱开产生的初始抬动值δz1、δz2、δz3和δz4由下式计算：
[0120][0121]
由式(1)计算抬动值时，实测抬动值zi需经过式(14)修正，通过下式得到考虑历史影响的修正抬动值
[0122][0123]
以及，进一步对在位移传感器14安装过程中产生的施工安装误差进行修正：
[0124]
考虑施工安装误差后的抬动修正值δzi按下式计算：
[0125][0126]
由式(1)计算抬动值时，实测抬动值zi需经过式(14)和式(16)修正，通过下式得到考虑历史影响和施工安装误差后的修正抬动值
[0127][0128]
以及，水准测量时风机应停机，风机基础环2处于静止状态，水准测量后，应立即开启抬动值监测系统。
[0129]
考虑到风电场风向一般采用方位角(正北方向为零，顺时针旋转所得角度)表示。而以上分析时为符合数学习惯，采用右手坐标系，角度逆时针转动为正。因此，风电场风向方位角β需经过式(20)转化后，得到与以上分析坐标系相一致的环向坐标θw。
[0130]
θw＝2π-β
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)
[0131]
在线监测系统基于物联网的基本思想建立，由感知层、网络层和应用层组成。感知层由位移传感器组成。网络层实现数据的传输，可采用zigbee技术、wi-fi技术、4g或5g技
术。网络层由现场布置的数据采集仪完成，采集仪由主机、小型太阳能光伏电源、互联网天线等部分组成，具有定时采集和上传功能。应用层除具有数据存储、查询、处理、分析、展示、报警等功能外，还具备档案管理、设备管理、系统管理等功能。应用层由定制开发的监测系统组成。
[0132]
监测系统客户端同时在pc端和智能手机app中运行。手机app可随时查询监测信息，以及实时收到报警信息。